Сверхпроводимость при комнатной температуре

Международная команда физиков во главе с учеными из Института Макса Планка в Гамбурге смогли с помощью лазерных импульсов заставить отдельные атомы в кристаллической решетке на короткое время смещаться и тем самым поддерживать сверхпроводимость.  Короткие инфракрасные лазерные импульсы впервые позволили "запустить" сверхпроводимость в керамическом проводнике при комнатной температуре.

Явление в эксперименте длится всего несколько миллионных долей микросекунды, но понимание принципа сверхпроводимости при комнатной температуре может помочь в создании новых типов сверхпроводников, которые совершат переворот в современной технике.Такие сверхпроводники решат множество современных проблем: позволят создать сверхмощные аккумуляторы для питания энергоемкой техники вроде лазеров или силовых приводов, электродвигатели и генераторы с КПД близким к 100%, новые медицинские приборы, крохотные, но мощные микроволновые излучатели и т.д.

Сверхпроводимость уже используется, например, в ЯМР-сканерах, ускорителях частиц, мощных реле на электростанциях. Однако современные сверхпроводники требуют криогенного охлаждения: металлические до температуры -273 градуса Цельсия, а более современные керамические -200 градусов Цельсия. Понятно, что это сильно ограничивает широкое использование сверхпроводимости, особенно в быту.

К сожалению, создать сверхпроводимость при комнатной температуре долгие годы не удавалось из-за специфических условий, при которых она возникает. Так, один из самых перспективных керамических сверхпроводников YBCO (оксид иттрия-бария-меди)имеет особую структуру: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, которые содержат барий, медь и кислород. Сверхпроводимость в YBCO возникает при -180 градусов Цельсия в двойных слоях оксида меди, где электроны могут соединиться и формировать так называемые куперовские пары. Эти пары способны создавать "туннель" между разными слоями, то есть проходить через слои, как призраки сквозь стены. Этот квантовый эффект наблюдается только ниже определенной температуры.

В 2013 г. международная команда, работающая в Институте Макса Планка, обнаружила, что кратковременные импульсы ИК-лазера способны на очень короткое время провоцировать сверхпроводимость в YBCO при комнатной температуре. Природу этого явления понять не удавалось, помог лишь самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (США),который позволяет "видеть" атомную структуру материала и сверхкороткие процессы. С его помощью ученые провели ряд сложных экспериментов и опубликовали результат своего открытия в издании Nature.

Как оказалось, инфракрасный лазерный импульс не только заставляет атомы колебаться, но и меняет их позицию в кристалле. В результате двойные слои диоксида меди становятся немного толще — на  2 пикометра или 0,01 диаметра атома. Это в свою очередь увеличивает квантовую связь между двойными слоями до такой степени, что кристалл становится сверхпроводящим при комнатной температуре в течение нескольких пикосекунд.

Сверхпроводимость при комнатной температуре: резонансное возбуждение атомов кислорода вызывает колебания (размытые контуры) между двойными слоями оксида меди (слой — голубой цвет, медь желтая, кислород красный). Лазерный импульс на короткое время выводит атомы из равновесия,расстояние между слоями уменьшается и возникает сверхпроводимость

Таким образом,ученые обнаружили потенциальный путь для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Если теорию удастся превратить в коммерческую технологию (а в случае с нынешними низкотемпературными сверхпроводниками для этого понадобилось около 20 лет), то прогресс совершит огромный скачок. Бензиновые автомобильные моторы станут анахронизмом, время непрерывной работы смартфона будет исчисляться не часами, а месяцами,  наступит расцвет электрических летательных аппаратов, левитирующих на магнитной подушке поездов  и автобусов.