Свръхпроводници, освободени от оковите на налягането: Откритие, което ще промени електрониката

Физици от Университета в Хюстън се научиха да запазват свръхпроводящите свойства на веществата при нормално атмосферно налягане. Досега някои материали са проявявали такива свойства само в екстремни условия, но сега, благодарение на нов метод е било възможно да бъдат „укротени“ в обичайна среда.

Изследването е ръководено от професорите от Физическия факултет Лиангзи Денг и Пол Чинг-Уу Чу. В статията, която е публикувана в списание Proceedings of the National Academy of Sciences учените описват експерименти със съединението Bi0.5Sb1.5Te3 (BST). Те са се опитали да накарат материала да провежда електричество без съпротивление, без да променят химическата му структура.

BST (Bi0.5Sb1.5Te3) е сложно съединение на бисмут, антимон и телур. Кристалната му структура се състои от слоеве от атоми, подредени по специфичен начин. При нормални условия BST се държи като обикновен проводник, но под налягане електронните му свойства се променят драстично – веществото започва да преобразува топлината в електричество по-ефективно. Основна роля за това играе специалното поведение на електроните: под налягане се променя конфигурацията на техните енергийни състояния, известна като повърхност на Ферми.

Историята на експериментите започва през 2001 година, когато физици забелязват любопитно явление. Ако BST се подложи на силна компресия, то променя т.нар. топология на повърхността на Ферми – въображаема граница в пространството на електронните импулси. По този начин материалът е в състояние да преобразува по-добре топлината в електричество. Учените се интересуват от това как налягането, топологичните свойства на веществото и способността му да свръхпроводи.

Както обяснява професор Чу, промишлеността разчита в голяма степен на материали в метастабилно състояние – когато вътрешната им структура е в нестабилно равновесие. Проблемът е, че най-обещаващите свръхпроводници работят само при огромно налягане. При такива условия е изключително трудно да се изследват, камо ли да се прилагат в практиката.

За решаване на проблема е разработен протоколът за охлаждане под налягане (PQP). Неговата същност е да улови и запише финия електронен преход, който се случва в даден материал под налягане. Изследователите установиха, че по време на този преход електроните в BST се пренареждат по определен начин, но симетрията на кристалната решетка остава непроменена.

Благодарение на този подход материалът сякаш „запомня“ състоянието си под налягане и дори когато налягането е премахнато, той продължава да се държи като свръхпроводник. В бъдеще тази техника може да помогне за откриването на свръхпроводници, работещи при по-високи температури.

Експериментите са проведени с помощта на свръхчувствително оборудване – Система за измерване на свойствата на магнетизацията (MPMS). Тя позволява да се регистрират и най-малките промени в поведението на материала при преминаването му в свръхпроводимо състояние.

Професор Денг обръща внимание на още един важен момент. С новия протокол е възможно да се създават състояния на материята, които не съществуват в природата или дори в условия на високо налягане. PQP се е превърнал в своеобразен компас за откриване на неизследвани области във фазовите диаграми на материалите.