Учені відкрили новий тип надпровідників: як це змінить техніку, якою ми користуємося

Нові дослідження показали, що існує особливий вид надпровідників, і він називається надпровідником типу III. Про це пише Interesting Engineering.

Основи надпровідності

Надпровідники — це клас матеріалів, внутрішній опір яких падає до нуля нижче критичної температури. Електричний струм може зберігатися через надпровідники без зовнішнього джерела живлення, коли вони перебувають у цьому надпровідному стані.

У типовому провіднику електрони в матеріалі відчувають електростатичне відштовхування через свій негативний заряд. Коли електрони рухаються через матеріал, вони розсіюються на домішках, дефектах або інших електронах.

Розсіювання — це опір, з яким електрони стикаються з боку матеріалу, який є електричним опором цього матеріалу, що дуже малий для провідників, але не дорівнює нулю.

Однак у надпровідниках механізм трохи інший. У звичайних надпровідниках теорія Бардіна-Купера-Шриффера (БКШ) описує механізм, що лежить в основі їхніх надпровідних властивостей. Високоенергетичні електрони — ті, що перебувають на рівні Фермі, де знаходяться найактивніші електрони матеріалу, — відіграють вирішальну роль. Ці електрони сильно взаємодіють з фононами, які є коливаннями в кристалічній решітці матеріалу. Решітка відноситься до повторюваного розташування атомів або іонів (заряджених атомів) у матеріалі. Коли електрони рухаються через матеріал, їхній негативний заряд створює спотворення в решітці, притягаючи прилеглі позитивно заряджені атоми.

Інший електрон, що проходить, притягується до нього, створюючи непряму ефективну взаємодію між двома електронами, опосередковану решіткою, тобто фононами. Тепер спарені електрони рухаються через решітку без ефектів розсіювання, що спостерігаються в типових провідниках. Ці спарені електрони відомі як куперівські пари і разом поводяться як єдине ціле. Коли куперівські пари рухаються через матеріал, вони рухаються когерентно, на відміну від окремих електронів, які рухаються хаотично. Когерентний рух куперівських пар означає, що вони не розсіюються на домішках, дефектах або інших електронах.

Оскільки матеріал не чинить їм опору, куперівські пари вільно переміщаються без електричного опору, що призводить до надпровідності. Однак це явище спостерігається тільки тоді, коли надпровідний матеріал охолоджується нижче за певну температуру, яка називається критичною температурою.

Для більшості звичайних надпровідників критична температура становить близько -260 градусів за Цельсієм або -436 градусів за Фаренгейтом.

Надпровідники типу I і типу II

Виштовхування магнітного поля, що демонструється надпровідниками типу I і типу II, — це те, що відрізняє їх. Це явище відоме як ефект Мейснера. Хоча надпровідники демонструють ефект Мейснера, коли їх поміщають у зовнішнє магнітне поле, ви можете задатися питанням, чому вони взагалі поміщаються в нього. Відповідь на це питання криється в застосуванні надпровідників.

Надпровідники мають цю унікальну властивість нульового електричного опору, що дає їм змогу проводити великі кількості струму без будь-яких втрат енергії. Великий струм необхідний для створення сильного і стабільного магнітного поля. Ці сильні магнітні поля мають кілька застосувань, наприклад, в апаратах МРТ, прискорювачах частинок і термоядерних реакторах. Крім того, витіснене магнітне поле завжди протидіє прикладеному полю, викликаючи відштовхування. Це відштовхування можна використовувати для магнітної левітації, наприклад, у поїздах MagLev.

Ефект Мейснера також допомагає екранувати внутрішню частину надпровідників від магнітних полів, що робить їх корисними в екранувальних додатках, як-от квантові обчислення, де шум спричиняє декогеренцію або втрату інформації.

Коли магнітне поле перебуває між нижнім і верхнім критичними значеннями поля, надпровідники II типу дозволяють магнітному полю проникати в певні області у вигляді вихорів. Ці вихори схожі на торнадо, маючи ядро і надструми, що його оточують. У ядрі надпровідний стан матеріалу руйнується без куперівських пар. Надструми, що циркулюють у ядрі, діють як захисний екран, утримуючи прикладене магнітне поле в ядрі, тим самим захищаючи іншу частину матеріалу.

Прикладами надпровідників II типу є YBCO (оксид ітрію-барію-міді) і ніобій-титан (NbTi). Нова категорія — тип III. Дослідники виявили, що надпровідники типу III можуть бути реалізовані таким чином, що вихори, які утворюються, не мають ядер. Подібно до надпровідників типу II, ці матеріали дозволяють магнітним полям проникати у формі вихорів. Однак ключовою відмінністю є те, що вихори не мають ядер у надпровідниках типу III. Крім того, надпровідники типу III характеризуються тільки одним параметром — глибиною проникнення (λ), який керує поведінкою вихорів, визначаючи глибину, на яку магнітне поле може проникати в матеріал. Навпаки, надпровідники типу II вимагають розгляду двох різних властивостей, що робить їхній опис складнішим.

Нижнє критичне поле надпровідників типу III дорівнює нулю при абсолютному нулі (0 Кельвінів або -273,15 градусів Цельсія). Це означає, що немає мінімального порога для подолання, і магнітне поле може проникати негайно. Тому в надпровідниках типу III при застосуванні зовнішнього магнітного поля ми маємо вихори без осердя, які переносять магнітне поле, не руйнуючи надпровідний стан у решті частини матеріалу, оскільки вони не ростуть і не розширюються.

На наступних етапах дослідники мають намір перевірити практичне використання надпровідників III типу, особливо їхню продуктивність у різних умовах, і те, як зробити їх придатними для комерційного використання.

Раніше ми писали про те, що вченим вперше вдалося виміряти квантову форму електронів. Фізики змогли виміряти геометричну форму, якої набуває один електрон, коли він рухається через тверде тіло.