Поиск сверхпроводника, который может работать в менее экстремальных условиях, чем сотни градусов ниже нуля или при давлениях, близких к центру Земли, - это поиск революционно новой силы, которая необходима для магнитной левитации автомобилей. и сверхэффективные электрические сети будущего.
Но разработка сверхпроводника такого типа с «комнатной температурой» - это подвиг, которого наука еще не достигла.
Исследователь из Университета Центральной Флориды, однако, работает над тем, чтобы приблизить эту цель к реализации, и некоторые из его последних исследований были недавно опубликованы в журнале Communications Physics - Nature.
В исследовании Ясуюки Накадзима, доцент кафедры физики UCF, и его соавторы показали, что они могут поближе взглянуть на то, что происходит в «странных» металлах.
Эти «странные» металлы представляют собой особые материалы, демонстрирующие необычное температурное поведение электрического сопротивления. «Странное» металлическое поведение наблюдается во многих высокотемпературных сверхпроводниках, когда они не находятся в сверхпроводящем состоянии, что делает их полезными для ученых, изучающих, как некоторые металлы становятся высокотемпературными сверхпроводниками.
Эта работа важна, потому что понимание квантового поведения электронов в «странной» металлической фазе может позволить исследователям понять механизм сверхпроводимости при более высоких температурах.
«Если мы будем знать теорию, описывающую такое поведение, мы сможем разработать высокотемпературные сверхпроводники», - говорит Накадзима.
Сверхпроводники получили свое название, потому что они являются конечными проводниками электричества. В отличие от проводника, они имеют нулевое сопротивление, которое, подобно электронному «трению», приводит к тому, что электричество теряет мощность, когда течет по проводнику, подобному медному или золотому проводу.
Это делает сверхпроводники материалом мечты для электроснабжения городов, поскольку энергия, сэкономленная при использовании провода без сопротивления, была бы огромной.
Мощные сверхпроводники также могут поднимать в воздух тяжелые магниты, прокладывая путь к практичным и доступным автомобилям, поездам и многому другому на магнитной подушке.
Чтобы превратить проводник в сверхпроводник, металлический материал должен быть охлажден до чрезвычайно низкой температуры, чтобы полностью потерять электрическое сопротивление, - резкий процесс, для объяснения которого физикам еще предстоит разработать всеобъемлющую теорию.
Эти критические температуры, при которых осуществляется переключение, часто находятся в диапазоне от -220 до -480 градусов по Фаренгейту и обычно включают дорогую и громоздкую систему охлаждения с использованием жидкого азота или гелия.
Некоторым исследователям удалось получить сверхпроводники, работающие при температуре около 59 градусов по Фаренгейту, но при этом давление в 2 миллиона раз превышало давление на поверхности Земли.
В ходе исследования Накадзима и исследователи смогли измерить и охарактеризовать поведение электронов в «странном» металлическом состоянии несверхпроводящего материала, сплава пниктида железа, вблизи квантовой критической точки, в которой электроны переключаются с от предсказуемого индивидуального поведения к коллективному движению в квантово-механических флуктуациях, которые ученым сложно описать теоретически.
Исследователи смогли измерить и описать поведение электронов, используя уникальную смесь металлов, в которой никель и кобальт были заменены на железо в процессе, называемом легированием, таким образом, создавая пниктидный сплав железа, который не обладал сверхпроводимостью вплоть до -459,63 градуса по Фаренгейту, что намного ниже точки, при которой проводник обычно становится сверхпроводником.
Мы использовали сплав, относительное соединение высокотемпературного сверхпроводника на основе железа, в котором соотношение составляющих, в данном случае железа, кобальта и никеля, точно настроено так, что сверхпроводимость отсутствует даже вблизи абсолютный ноль», - говорит Накадзима.«Это позволяет нам получить доступ к критической точке, в которой квантовые флуктуации управляют поведением электронов, и изучить, как они ведут себя в соединении».
Они обнаружили, что поведение электронов не описывается никакими известными теоретическими предсказаниями, но скорость рассеяния, с которой электроны переносятся через материал, может быть связана с так называемой планковской диссипацией, пределом квантовой скорости. о том, как быстро материя может переносить энергию.
«Квантовое критическое поведение, которое мы наблюдали, довольно необычное и полностью отличается от теорий и экспериментов для известных квантово-критических материалов», - говорит Накадзима. «Следующий шаг - нанести на карту фазовую диаграмму легирования в этой системе сплава пниктида железа».
«Конечная цель состоит в разработке высокотемпературных сверхпроводников», - говорит он. «Если мы сможем это сделать, мы сможем использовать их для магнитно-резонансной томографии, магнитной левитации, электрических сетей и многого другого с небольшими затратами».
Открытие способов прогнозирования поведения сопротивления «странных» металлов не только улучшит разработку сверхпроводников, но и даст информацию для создания теорий, лежащих в основе других явлений квантового уровня, говорит Накадзима.
«Недавние теоретические разработки показывают удивительную связь между черными дырами, гравитацией и квантовой теорией информации через планковскую диссипацию», - говорит он. «Следовательно, исследование «странного» поведения металлов также стало горячей темой в этом контексте».