Создан сверхпроводник для коллайдера и беспроводной связи под водой

Группа ученых из России, включающая исследователей из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», а также их коллеги из США опубликовали в издании «Superconductor Science and Technology» статью «Flux pinning mechanisms and a vortex phase diagram of tin-based inverse opals» о новом типе полупроводников. Этот уникальный наноматериал способен быстро переключаться из сверхпроводящего состояния в обычное, что позволяет использовать его в качестве невероятно чувствительного детектора. Такие детекторы востребованы в коммуникациях и экспериментальной физике, так как способны надежно обнаруживать даже одиночные частицы.

Новый сверхпроводящий материал представляет собой решетку из сфер оксида кремния с крайне малыми пустотами, заполненными оловом. Ученые создали трехмерные периодические структуры из наночастиц олова, помещенных в порах кремниевой «подложки». Эксперименты проводились со сферами диаметром около 194 нанометров и 310 нанометров, а также более мелкими частицами.

  

Образец нового сверхпроводящего материала. Снимок сделан с помощью сканирующего электронного микроскопа. На изображении видны наночастицы олова размером 195 нм (темные объекты с формой, близкой к октаэдру).  Изображение: Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр  Сибирского отделения Российской академии наук»

У олова необычные свойства — оно меняет тип сверхпроводимости в зависимости от физического размера частиц металла. А значит металл можно применять в сверхпроводниках разного типа. Так, в настоящее время ученым известны два типа сверхпроводников. Первый выдерживает лишь слабые магнитные поля, а второй сохраняет свойство сверхпроводимости при сильных магнитных полях. Ученые и ранее  предполагали, что возможно создание промежуточного типа сверхпроводника, но только теперь это удалось, причем неожиданно.

Изначально предполагалось, что оловянные сферы на подложке из опала (аморфная форма оксида кремния) и олово позволят создавать сверхпроводники первого и второго типа. Наночастицы олова диаметром 310 нм действительно ведут себя как классический сверхпроводник первого типа и образуют сверхпроводящие контуры при магнитных полях низкой напряженности. Наночастицы олова диаметром 194 нм в форме октаэдра тоже остаются сверхпроводниками первого типа. При этом более мелкие частицы в форме тетраэдра уже являются сверхпроводниками второго типа.

Но если в образце присутствует смесь из крупных и мелких наночастиц, получается промежуточный тип сверхпроводящего материала. Наночастицы разного диаметра обеспечивают сверхпроводимость при низкой и высокой напряженности магнитного поля. Такой сверхпроводник обладает уникальными магнитными характеристиками, например, магнитные вихри внутри материала распределяются неравномерно, отталкиваясь и притягиваясь.

Наиболее интересной и перспективной особенностью является легко разрушаемая связь между наночастицами. Достаточно воздействия электромагнитного поля и даже попадания на сверхпроводник элементарных частиц, чтобы «выключить» состояние сверхпроводимости. Это делает материал уникальным датчиком, способным улавливать даже малое количество фотонов, электронов и других частиц. Данная особенность позволяет использовать новый тип сверхпроводников в качестве основы для датчиков, которые могут уловить малейшие изменения магнитного поля и низкочастотные колебания. Таким образом, сверхпроводник может применяться в приемниках подводной низкочастотной связи и детекторах заряженных частиц.

По мнению исследователей, новый сверхпроводник можно «настроить» для выборочной детекции частиц определенного типа. Поскольку подобные детекторы могут обнаружить даже одиночные частицы, они могут принести большую пользу науке. Разработчики надеются, что новый тип сверхпроводника будет применяться в сложных научных комплексах, таких как Большой адронный коллайдер. От характеристик детекторов зависит диапазон измерений при исследованиях взаимодействия частиц.

В настоящее время у Большого адронного коллайдера несколько детекторов, использующих сверхпроводники. В частности, один из крупнейших детекторов, ATLAS, использует три сверхпроводящих тороида весом 240 тонн и сверхпроводящий соленоид. Большие размеры позволяют исследовать потоки частиц высоких энергий. Но ученым необходима высокая разрешающая способность при исследовании физики частиц, что требует новых сверхпроводящих материалов. Это важно, поскольку даже один выделившийся при столкновении частиц мюон представляет большой интерес, так как он несет информацию о выделившейся энергии, а значит и о характеристиках изначальных частиц и процессах при их взаимодействии. Поэтому важно «поймать» детектором все интересующие ученых частицы, созданные в экспериментальном событии, иначе оставленные несовершенством техники пробелы не позволят физикам продвинуться дальше в практических исследованиях. Таким образом, новый тип сверхпроводника может стать важным этапом развития науки.