Странные «сингулярности», ответственные за экзотический тип сверхпроводимости

Сверхпроводники, работающие при температурах, намного превышающих абсолютный ноль, сбивают с толку ученых с момента их открытия. Новая теория может изменить ситуацию.

Физики раскрыли загадочный механизм, ответственный за высокотемпературную сверхпроводимость, и это может помочь в поисках одного из «Святых Граалей» физики.

Новое открытие, известное как осциллирующая сверхпроводимость, идентифицирует процесс, который позволяет материалам становиться сверхпроводящими при гораздо более высоких температурах, чем обычно, — прокладывая путь к открытию сверхпроводников при комнатной температуре, которые могли бы облегчить передачу энергии практически без потерь. Исследователи опубликовали свои выводы 11 июля в журнале Physical Review Letters.

«Одним из Святых Граалей физики является сверхпроводимость при комнатной температуре, которая достаточно практична для повседневного применения», — заявил в своем заявлении Луис Сантос, доцент кафедры физики Университета Эмори. «Этот прорыв может изменить форму цивилизации».

Связанный:Новые сверхпроводящие магнитные двигатели будут испытаны на космической станции

Сверхпроводимость возникает из-за пульсаций, вызванных электронами, когда они движутся через материал. При достаточно низких температурах эта рябь заставляет атомные ядра притягиваться друг к другу, что, в свою очередь, вызывает небольшое смещение заряда, которое притягивает второй электрон к первому.

Сила этого притяжения приводит к тому, что происходит нечто странное: вместо того, чтобы отталкивать друг друга посредством силы электростатического отталкивания, электроны соединяются в «куперовскую пару».

Куперовы пары подчиняются другим правилам квантовой механики, чем законы одиноких электронов. Вместо того, чтобы накладываться друг на друга, образуя энергетические оболочки, они действуют как частицы света, бесконечное количество которых может одновременно занимать одну и ту же точку пространства. Если в материале создается достаточное количество этих куперовских пар, они становятся сверхтекучими, текущими без каких-либо потерь энергии из-за удельного электрического сопротивления.

Первые сверхпроводники, открытые голландским физиком Хайке Камерлингом-Оннесом в 1911 году, перешли в состояние нулевого удельного электрического сопротивления при невообразимо низких температурах — около абсолютного нуля (минус 459,67 градусов по Фаренгейту или минус 273,15 градусов по Цельсию). Тем не менее, в 1986 году физики обнаружили другой тип материала, названный купратом, который становится сверхпроводником при гораздо более высокой (но все же очень холодной) температуре минус 211 F (минус 135 C).

Физики надеялись, что это открытие приведет к открытию сверхпроводников при комнатной температуре, что откроет двери для передачи электричества практически без потерь. Однако открытия сошли на нет, а недавние заявления о сверхпроводниках при комнатной температуре закончились скандалом и разочарованием.

До сих пор неспособность найти сверхпроводники при комнатной температуре и давлении окружающей среды частично объяснялась непониманием физиками теоретических условий, которые позволяют электронам образовывать куперовские пары при относительно высоких температурах (примерно в три раза ниже, чем в стандартной морозильной камере). температура).

Чтобы выяснить это, исследователи, стоящие за новым исследованием, сосредоточились на особой форме высокотемпературной сверхпроводимости, которая возникает, когда куперовские пары образуют осциллирующие структуры, известные как волны зарядовой плотности. Взаимосвязь между волнами, своего рода синхронизированный танец масс между парными электронами в материале, имеет сложную связь со сверхпроводимостью: в некоторых случаях волны заглушают эффект, а в других они помогают склеивать электроны вместе.

Моделируя эти волны, физики обнаружили, что ключом к возникновению волн, вероятно, является свойство, известное как сингулярность Ван Хова. Обычно в физике энергия движущейся частицы интуитивно связана со скоростью, с которой она движется.

Но некоторые материальные структуры нарушают это правило, позволяя электронам с разной скоростью существовать при одинаковых энергиях. Когда энергии всех электронов равны, они могут легче взаимодействовать и образовывать пары, образуя танцующие куперовские пары.