Вчені відкрили дивні "сингулярності", відповідальні за екзотичний тип надпровідності

Дослідження під назвою "Осцилююча надпровідність, індукована сингулярностями Ван Гоува" було опубліковане в журналі Physical Review Letters 11 липня.

Пошуки надпровідності при кімнатній температурі давно вважаються одним з найскладніших завдань у фізиці, і вони спокушали вчених протягом десятиліть. Мрія про практичне, повсякденне застосування цього відкриття стимулювала численні дослідження, і нещодавні результати можуть нарешті прокласти шлях до її реалізації.

Як це працює

За своєю суттю, надпровідність проявляється в результаті руху електронів у матеріалах. При зниженні температури ці рухи призводять до взаємодії між атомними ядрами та електронами, що призводить до інтригуючого зміщення заряду. Ця парадоксальна, на перший погляд, взаємодія притягує електрони один до одного, утворюючи так звану "куперівську пару".

На відміну від одиночних електронів, куперівські пари демонструють поведінку, що ґрунтується на квантовій механіці. Вони імітують частинки світла, дозволяючи нескінченній кількості одночасно займати ту саму просторову точку. Агрегація цих пар створює надплинний стан, що уможливлює передачу енергії з незначним електричним опором.

На практиці це дає змогу передавати енергію на величезні відстані без втрат на нагрівання провідника, що є незмінним ефектом за звичайних умов та провідників.

Працююча надпровідність

Початок надпровідності датується 1911 роком, завдяки піонерській роботі голландського фізика Хейке Камерлінга Оннеса (Heike Kamerlingh Onnes). Однак ці перші надпровідники досягали стану нульового електричного опору при надзвичайно низьких температурах, близьких до абсолютного нуля.

Проте відкриття купратних матеріалів у 1986 році змінило цю картину, виявивши надпровідність за таких "високих" температур, як мінус 135 градусів за Цельсієм. Це породило надії на створення надпровідників при кімнатній температурі, що уможливило б революційну передачу енергії. Попри ці перспективи, подальші пошуки дали лише швидкоплинні проблиски, що закінчилися розчаруванням і суперечками.

Чому все так складно

Основна проблема в пошуках надпровідників при кімнатній температурі полягала в тому, щоб зрозуміти теоретичні умови, які лежать в основі утворення куперівських пар при підвищених температурах, хоча все ще значно нижчих за кімнатну температуру.

Щоб вирішити цю проблему, нещодавнє дослідження заглибилося в унікальний прояв високотемпературної надпровідності, пов'язаний з розташуванням куперівських пар у коливальних патернах, названих "хвилями густини заряду". Ці хвилі демонструють симбіотичний зв'язок з надпровідністю, іноді підсилюючи її, а іноді послаблюючи її ефекти.

Деталі дослідження

Дослідження виявило критичний фактор у виникненні цих хвиль – наявність сингулярності Ван Гоува. Зазвичай енергія частинки корелює з її швидкістю. Однак певні матеріальні структури порушують цей принцип, дозволяючи електронам з різними швидкостями мати однакову енергію. Такий рівномірний розподіл енергії сприяє посиленню взаємодії між електронами, що сприяє утворенню куперівських пар.

Луїс Сантос, доцент кафедри фізики Університету Еморі, відзначив важливість цих відкриттів:

Ми виявили, що структури, відомі як сингулярності Ван Гоува, можуть створювати модулюючі, осцилюючі стани надпровідності. Наша робота забезпечує нову теоретичну основу для розуміння виникнення такої поведінки – явища, яке не дуже добре вивчене.

Важливо відзначити, що дослідження залишається вкоріненим у теоретичному аспекті. Подальші експериментальні спроби будуть мати важливе значення для підтвердження і розширення цих висновків. А проте, дослідники сподіваються, що встановлений зв'язок між сингулярностями Ван Гоува і осцилюючими хвилями стимулюватиме майбутні дослідження, наближаючи їх до довгоочікуваної мети – надпровідності при кімнатній температурі.

Сантос розмірковує про наслідки цього дослідження, підкреслюючи несподіваність наукових відкриттів:

Я сумніваюся, що Камерлінг Оннес думав про левітацію або прискорювачі частинок, коли відкрив надпровідність. Але все, що ми дізнаємося про світ, має потенційне застосування.

Коли фізики розпочнуть подальші дослідження, потенційні наслідки цього нового розуміння можуть вийти за межі науки і вплинути на промисловість і технології в усьому світі.