Свръхпроводимостта в разрез с природата: Научен обрат, който променя разбирането за материята

През тази година в областта на свръхпроводимостта – явлението, при което електрическият ток протича без съпротивление бяха направени три изключителни открития. Едно от тях разбива обичайните представи за физиката на това явление. Това събитие представлява голям интерес, тъй като свръхпроводимостта, регистрирана за първи път през 1911 година от холандския физик Хайке Камерлинг-Онес остава една от най-сложните загадки на физиката. Основният въпрос е как електроните, които по своята същност се отблъскват, могат да се сдвояват.

Свръхпроводимостта вече е намерила приложение в медицината, например в скенерите за ядрено-магнитен резонанс и в науката, включително в ускорителите на частици. Масовите приложения обаче, като например създаването на безпрепятствени електропреносни мрежи или магнитно левитиращи превозни средства, изискват разработването на материали, които работят при стайна температура, а не при изключително ниски стойности.

Тазгодишните нови открития значително подобриха разбирането за свръхпроводимостта.

Всички те са свързани с двуизмерни материали, съставени от плоски слоеве от атоми. Тези материали позволяват на физиците да манипулират свойствата им, като превключват между проводимост, изолация и по-екзотични състояния с помощта на електрически полета. Това е един вид „съвременна алхимия“, която ускори търсенето на нови свръхпроводници.

Графенът, двуизмерен материал от въглерод се превърна в ключов елемент на последните изследвания. През 2018 година учени от Масачузетския технологичен институт демонстрираха, че два слоя графен, подредени под ъгъл от 1,1 градуса (т.нар. „магически ъгъл“) могат да преминат в свръхпроводимо състояние. Оттогава изследванията се разпростират и върху други материали, като например дихалкогениди на преходни метали (TMD), където също са открити уникални форми на свръхпроводимост.

В един от експериментите учени от Колумбийския университет използват TMD, подложени на 5-градусово завъртане и наблюдават намаляване на електрическото съпротивление почти до нула, което потвърждава, че материалът може да стане свръхпроводим. Това, което прави откритието уникално е, че електронните взаимодействия в такива материали следват напълно нов сценарий, който не е наблюдаван досега.

В друг случай изследователи от университета Корнел откриват, че TMD може да се превърне в свръхпроводник без добавяне на електрони, само чрез промяна на електрическото поле. Този тип свръхпроводимост не се вписва в нито една от съществуващите теории.

Най-необичайното откритие обаче е феноменът, открит в многослойните материали, базирани на графен. При определени условия свръхпроводимостта в тези материали се засилва под въздействието на магнитно поле, което противоречи на традиционните представи. Изследванията на този ефект продължават, тъй като той би могъл да открие изцяло нова област на физиката.

Тези открития не само подтикват към създаването на нови теории, но и помагат за по-доброто разбиране на природата на свръхпроводимостта. Учените използват нови подходи, които им позволяват бързо и ефикасно да изследват широк спектър от материали, за да открият още повече възможности за свръхпроводниците.

Съвременните технологии за двуизмерни материали дават на експериментаторите възможност да тестват хиляди комбинации от свойства едновременно в рамките на едно устройство. Този подход позволява много по-бърз напредък в тази област. Той проправя пътя за бъдещи технологии – от свръхефективни енергийни системи до изцяло нови превозни средства.