Пробив в квантовата физика: уникалната свръхпроводимост на металите Кагоме

Революционно откритие обещава да промени технологиите от енергийни към изчислителни.

Изследователи от Университета във Вюрцбург, заедно с международен екип от учени, са направили значителен пробив в квантовата физика, като са открили уникален вид свръхпроводимост в металите Кагоме. Тези материали, наречени така заради звездовидната си кристална структура, наподобяваща традиционна японска тъкан, съчетават изненадващи електронни, магнитни и свръхпроводящи свойства, което ги прави обещаващи кандидати за използване в бъдещите квантови технологии.

Структура на металите Кагоме и техните специални свойства

През изминалите петнадесет години материалите Кагоме (Kagome) привлякоха вниманието на учените поради необичайната си кристална структура, подобна на модела на японското плетене на кошници. Тази структура придава на материалите уникални физични свойства, като им позволява да проявяват екзотични квантови ефекти. През 2018 г. изследователите за първи път успяха да синтезират метални съединения с тази структура в лабораториите, проправяйки пътя за по-задълбочено изучаване на техните свойства.

Металите кагоме, като калиев ванадий антимон (KV3Sb5), имат необичайни електронни характеристики. В тези материали електроните могат да образуват така наречените „вълни на плътността на заряда“ – разпределение на електроните, наподобяващо вълнови трептения, което само по себе си вече е интересно квантово явление. Неотдавнашни открития обаче показаха, че нещо още по-изненадващо се случва при още по-ниски температури.

Пробив в изучаването на свръхпроводимостта

Екипът на професор Рони Томале, който ръководи катедрата по теоретична физика в университета във Вюрцбург и е част от изследователския клъстер ct.qmat, за първи път прогнозира, че в металите от групата Кагоме може да възникне специален вид свръхпроводимост. Този тип свръхпроводимост е свързан с вълнообразното разпределение на Куперовите двойки – двойки електрони, които се образуват при изключително ниски температури и играят ключова роля за появата на свръхпроводимост.

Куперовите двойки, наречени на името на физика Леон Купър, действат колективно, за да образуват квантово състояние, което може да се движи през даден материал без съпротивление. Досега се смяташе, че тези двойки са винаги равномерно разпределени в материала. Ново изследване, публикувано в Nature, обаче показа, че в металите Кагоме тези двойки могат да бъдат разпределени и по вълнообразен начин, което значително променя разбирането за механизмите на свръхпроводимостта.

Вълновата природа на свръхпроводимостта

Д-р Хендрик Хуман, един от основните участници в теоретичното изследване, обяснява, че явлението плътност на парите – специална форма на свръхпроводящия кондензат – е отдавна познато в квантовата физика. Подобно на начина, по който парата се кондензира в течна среда при охлаждане, в металите Кагоме електроните при температури около -193 градуса по Целзий се реорганизират и разпределят във вълнообразна структура в материала. При по-нататъшно охлаждане до -272 градуса (близо до абсолютната нула) електроните образуват Куперови двойки, които се кондензират в квантова течност и също се разпространяват на вълни в материала, осигурявайки свръхпроводимост без съпротивление.

Този вълнови характер на свръхпроводимостта в металите Кагоме открива нови възможности за създаване на квантови устройства с уникални свойства. Такива устройства биха могли да имат значително по-висока енергийна ефективност и производителност в сравнение с традиционните свръхпроводими материали.

Бъдещите планове: нови изследвания и приложения

Изследователите от научния център ct.qmat сега активно проучват други метали Кагоме, в които Куперовите двойки могат да проявяват пространствена модулация, без да генерират вълни на плътността на заряда, които предшестват свръхпроводимостта. Това ще позволи създаването на материали с още по-уникални свойства, които биха могли да бъдат в основата на нови квантови устройства, способни да работят при много по-високи температури.

Важна стъпка в тази насока е експеримент, проведен в Южния университет за наука и технологии в Шънджън, Китай. Под ръководството на Цзя-Хин Ин екип от учени използва сканиращ тунелен микроскоп със свръхпроводящ накрайник, разработен на базата на ефекта на Джоузефсън, за да наблюдава директно разпределението на Куперовите двойки в метала Кагоме. Този експеримент потвърди теоретичните предположения на професор Томале и беше важен етап в разработването на нови видове свръхпроводими компоненти.

Нови хоризонти за свръхпроводящите технологии

Въпреки че днес ефектът на свръхпроводимост в металите Кагоме се наблюдава само на атомно ниво, учените са уверени, че в бъдеще ще бъде възможно да се създадат свръхпроводници, работещи на макроскопично ниво. Това ще даде възможност за разработване на нови свръхпроводящи компоненти, като например диоди, които работят без загуба на енергия, отваряйки вратата към по-ефективни и продуктивни квантови устройства.

В допълнение към инсталирането на най-дългия в света свръхпроводящ кабел в Мюнхен в момента се провеждат интензивни изследвания на свръхпроводящи електронни компоненти. Първите свръхпроводими диоди вече са разработени в лабораториите, но те изискват използването на комбинация от различни свръхпроводими материали. За разлика от тях, уникалните свръхпроводници Кагоме, благодарение на присъщата им пространствена модулация на Куперовите двойки, могат да функционират самостоятелно като диоди, което открива вълнуващи перспективи за разработването на свръхпроводяща електроника и вериги без загуби.

По този начин откритията в металите Кагоме не само разширяват фундаменталните ни познания за квантовата физика, но и ни доближават до създаването на нови технологии, които биха могли да предизвикат революция в много отрасли – от енергетиката до високопроизводителните изчисления.

Това е едно наистина уникално откритие, което може да доведе до създаването на съвсем нов тип уреди и устройства, които не приличат особено много на съвременната електроника.