Надпреварата за идеалния свръхпроводник: учените създадоха невъзможен материал

През 2024 година за кратък период от време учените откриха три нови материала, които демонстрират способността си да провеждат електрически ток без съпротивление. Две от откритията сериозно разклащат съществуващите представи за природата на това явление, а третото е толкова необичайно, че не се вписва в нито една съвременна теория.

Професорът от Харвардския университет Ашвин Вишванат, който не е участвал в изследванията подчертава уникалността на откритията: Откритата форма на свръхпроводимост е толкова необичайна, че повечето експерти я смятат за принципно невъзможна. На много физици все още им е трудно да повярват в реалността на откритията.

Историята на изследването на свръхпроводимостта започва през далечната 1911 година, когато холандският учен Хайке Камерлинг-Онес за първи път регистрира пълното изчезване на електрическото съпротивление в материал. Оттогава физиците се измъчват от един фундаментален въпрос: как електроните, по които тече електрически ток успяват да образуват двойки, въпреки че според всички природни закони би трябвало да се отблъскват един от друг?

Практическото значение на свръхпроводимостта едва ли може да бъде подценено. Тя е дала на човечеството томографите с магнитен резонанс и мощните ускорители на частици. Основният проблем обаче е, че всички известни свръхпроводници функционират само при много ниски температури. Създаването на материал, способен да провежда ток без загуби при стайна температура би могло да доведе до революция в технологиите, проправяйки пътя към електрически мрежи без загуби и транспорт с магнитна левитация.

Според професора от Вашингтонския университет Матю Янковиц последните открития едновременно задълбочават загадката и увеличават оптимизма на изследователите. Предполага се, че те са останали с впечатлението, че свръхпроводимостта в материалите е много по-разпространена, отколкото се смяташе досега.

И трите нови свръхпроводника са устройства, сглобени от плоски атомни листове. Конструкцията им има безпрецедентна гъвкавост: те могат да превключват между проводящи, изолиращи и по-екзотични състояния само чрез промяна на електрическото си поле. Всъщност учените получиха в ръцете си инструмент на съвременната алхимия, като на няколко пъти ускориха търсенето на нови свръхпроводници.

И все повече науката се ориентира към идеята, че има много различни механизми, които водят до свръхпроводимост. Някои правят аналогия с летенето: както птиците, пчелите и водни кончета използват различни конструкции на крилата, за да постигнат една и съща цел, така и материалите могат да използват различни начини за обединяване на електроните.

Класическата теория за свръхпроводимостта, разработена от Джон Бардън, Леон Купър и Джон Робърт Шрайфър през 1957 година обяснява наблюденията на Камерлинг-Онес и други примери в свръхстудени метали. Според техния модел при ниски температури вибрациите на атомната решетка затихват, което позволява да се проявят по-фини ефекти. Електроните леко привличат протоните на решетката, като създават излишък от положителен заряд. Напрежението, наречено фонон може да привлече втори електрон, образувайки „двойка на Купър“.

През 80-те години на 20-и век картината се усложнява с откриването на медсъдържащи кристали (купрати) които проявяват свръхпроводимост при по-високи температури, където атомните вибрации трябва да разрушат фононния механизъм. Учените трябваше да потърсят нови начини за обяснение на обединяването на електроните.

Теоретиците изказват предположението, че в купратите и други подобни материали атомите са подредени по такъв начин, че електроните се забавят. Тъй като се движат с бавно темпо, те имат възможност да взаимодействат колективно, създавайки сложно електрическо поле, което благоприятства образуването на двойки вместо отблъскването. В случая с купратите физиците подозират, че определен модел на прескачане на електрони между атомите благоприятства тяхното сдвояване, въпреки че механизмите на други „неконвенционални“ свръхпроводници остават загадка.

Истинският пробив настъпва през 2018 година, когато физикът Пабло Харильо-Хереро от Масачузетския технологичен институт открива изненадващо явление. Той взел лист графен – двуизмерен кристал, съставен от въглеродни атоми, подредени във формата на пчелна пита – завъртял го точно на 1,1 градуса и го наложил върху друг лист графен. Получената структура неочаквано демонстрирала свръхпроводимост.

По това време учените вече експериментирали с двуизмерни материали, получавайки различни ефекти. Чрез прилагане на електрически полета те можеха да добавят електрони към листа или да създадат илюзията за компресия на атомната решетка. Чрез манипулиране на тези параметри в едно устройство е било възможно да се възпроизведе поведението на хиляди или дори милиони потенциални материали. Сред това множество от възможности Харильо-Хереро открил нов свръхпроводник – графен под „магически ъгъл“.

Няколко години по-късно екип от Калифорния стига по-далеч, откривайки свръхпроводимост в трислоен графен без въртене. Физиците все още спорят за механизма на обединяване на електроните в тези случаи. Теорията на фононите обяснява част от наблюденията, но очевидно е налице и някакъв нов механизъм.

Тогава е открит нов метод за изследване на свръхпроводимостта. Настройваемите двуизмерни устройства освободиха учените от досадния процес на проектиране, отглеждане и изпитване на нови кристали един по един. Сега те могат бързо да възпроизвеждат различни ефекти в едно устройство и да изследват всички възможности за поведението на частиците.

Най-поразителното откритие, за което вече споменахме в началото е направено от групата на Лонг Джу в Масачузетския технологичен институт, която работи с четирислоен графен. Те открили „хирална свръхпроводимост“ – явление, което се смяташе за невъзможно да съществува. В тяхното устройство свръхпроводимостта ту се появяваше, ту изчезваше, но включването на магнитно поле, което обикновено разрушава свръхпроводимостта в този случай я стабилизираше.

Изследователите предполагат, че в техните графенови структури електронните двойки се въртят в една и съща посока – по посока на часовниковата стрелка или обратно на нея. Трептенето се появява, когато двойките се въртят нехомогенно и магнитно поле ги подрежда в обща посока. Такъв материал се нарича „хирален“. По-рано се смяташе, че хиралността е несъвместима със свръхпроводимостта, тъй като разграничава електроните, които се движат наляво и надясно.

Въпреки, че физиците все още не могат да определят точната природа на явлението, те са все по-убедени, че съществуват много различни механизми. Електроните могат да се организират в структури, вариращи от изолатори до магнитни метали и електронни кристали, и изглежда, че малки смущения са в състояние да тласнат много от тези материали към образуване на свръхпроводящи двойки електрони.

Възможността да се наблюдава директно какво се случва, когато към даден материал се добавят електрони или се отслаби електрическото поле позволява бързо да се тестват безпрецедентен брой „рецепти“ и да се идентифицират тези, които водят до свръхпроводимост.