Учените са открили начин да засилят свръхпроводимостта при високи температури и магнитни полета

Свръхпроводниците биха могли да захранват ново поколение свръхефективна електроника, но сериозните технически пречки дълго време ограничаваха приложението на тази технология предимно до изследователските лаборатории. В тази връзка учени от Технологичния университет „Чалмърс“ в Швеция разработиха нов подход, който решава един от най-големите проблеми в тази област: запазването на свръхпроводимостта при по-високи температури и устойчивостта към силни магнитни полета.

Това постижение може да допринесе за приближаването на свръхпроводящите технологии към практическото им приложение в електрониката, енергийните системи и квантовите устройства. Съвременните цифрови устройства, центровете за обработка на данни и мрежите за информационни и комуникационни технологии консумират между 6 и 12% от световната електроенергия. Тъй като търсенето на енергия продължава да нараства, изследователите търсят начини да направят електрониката значително по-ефективна.

Свръхпроводниците са особено привлекателни, тъй като могат да провеждат електрически ток без загуби на енергия. За разлика от обикновените електронни системи, които губят енергия под формата на топлина, свръхпроводниците могат да пренасят електричество без съпротивление. Теоретично това би могло да направи енергийните мрежи, електрониката и квантовите технологии стотици пъти по-ефективни.

Защо свръхпроводниците са трудни за използване

Въпреки перспективните си възможности, свръхпроводниците се сблъскват с редица пречки, които ограничават реалното им приложение. Един от проблемите е температурата. Много свръхпроводници работят само при екстремно ниски температури, често около минус 200 градуса по Целзий. Постигането и поддържането на такива температури изисква сложни и енергоемки системи за охлаждане. Магнитните полета представляват друг сериозен проблем. Силните магнитни полета могат да отслабят или дори напълно да потиснат свръхпроводимостта. Това е особено важно, тъй като много съвременни електронни системи и квантови технологии или генерират магнитни полета, или зависят от тях. За да станат приложими за широко използване, свръхпроводящите материали трябва да работят при по-високи температури (в идеалния случай близки до стайната), като остават стабилни в условия на силни магнитни полета.

Друга стратегия за по-силна свръхпроводимост

В продължение на години изследователите се опитваха да подобрят свръхпроводниците, като променяха химичния им състав, но напредъкът беше ограничен. Екипът от „Чалмърс“ реши да приложи друг подход.

„Като създадохме специален релеф на повърхността, върху която се намира свръхпроводникът, успяхме да предизвикаме свръхпроводимост при значително по-високи температури, отколкото беше възможно преди. Установихме също, че материалът оставаше свръхпроводящ дори при въздействието на силни магнитни полета.“

обяснява Флориана Ломбарди, професор по физика на квантовите устройства в „Чалмърс“ и водещ автор на изследването, публикувано в Nature Communications Как една миниатюрна промяна на повърхността доведе до огромен резултат

Изследователите работиха с медно-оксиден материал от семейството на купратите. Те са известни с това, че проявяват свръхпроводимост при относително високи температури, но тяхната химична структура е трудна за промяна след производството. Свръхпроводящият слой, използван в изследването, е с дебелина едва няколко нанометра, което е по-малко от една милионна част от дебелината на човешки косъм. Такива ултратънки материали трябва да бъдат отгледани върху носеща основа, наречена подложка, която служи като шаблон по време на производството. Пробивът беше постигнат благодарение на наномащабни модификации на самата подложка.

„Тъй като атомите в подложката са разположени в определен ред, те могат да „насочват“ разположението на атомите в свръхпроводящия слой. Като променихме дизайна на повърхността на подложката, успяхме да повлияем на свръхпроводящите свойства и да гарантираме, че те се запазват дори при по-високи температури и под въздействието на силни магнитни полета.“

обяснява Ерик Валберг, изследовател от RISE Research Institutes of Sweden

Преди нанасянето на свръхпроводящия слой екипът обработи подложката във вакуум при висока температура. Този процес създаде подреден мотив от миниатюрни гребени и вдлъбнатини по повърхността. Тези микроскопични особености промениха електронната среда на границата между подложката и свръхпроводящия слой, създавайки условия, благоприятстващи по-силна свръхпроводимост.

„Можехме да видим как свойствата на електроните в тази гранична област започнаха да придобиват предпочитана посока и да се държат по начин, който стабилизираше и усилваше свръхпроводящото състояние.“

казва Ломбарди Нов принцип на проектиране за бъдещите свръхпроводници

Резултатите представят нов начин на мислене за свръхпроводящите материали. Вместо да се фокусират изключително върху търсенето на нови материали или промяната на химичния им състав, изследователите могат да подобрят характеристиките, като внимателно проектират повърхностите, върху които се отглеждат тези материали.

„Вместо да търсим напълно нови материали или да манипулираме химичните свойства на съществуващите, сега показваме как може да се засили свръхпроводимостта чрез създаване на релеф върху подложката.“

добавя Ломбарди

Изследователите смятат, че тази стратегия в крайна сметка може да помогне на свръхпроводниците да функционират при значително по-високи температури, потенциално дори близки до стайна температура.
Работата също така сочи към бъдещи приложения в енергийно ефективната електроника, авангардните квантови компоненти и технологии, които трябва да работят в силни магнитни полета.

„Това показва, че много малки промени в наномащаб могат да имат решаващо значение и, вероятно, дори да разкрият пълния потенциал на свръхпроводимостта в бъдещата електроника.“

заключава Ломбарди