Содержание |
2024: В МИФИ сделали шаг к разгадке природы высокотемпературной сверхпроводимости
Сотрудники кафедры физики твердого тела и наносистем Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ в составе международного научного коллектива получили прямое экспериментальное доказательство явления спаривания носителей заряда в реальном пространстве в семействе высокотемпературных сверхпроводящих оксидов на основе соединения бария, висмута и кислорода (BaBiO3) и выяснили природу аномальных свойств системы. Сделан еще один шаг в направлении разгадки природы высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Research. Об этом 5 сентября 2024 года сообщили представители НИЯУ МИФИ.
Несмотря на то, что высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) была открыта Беднорсом и Мюллером в оксидной системе на основе меди еще в 1986 году, до сих пор нет единой теории, объясняющей комплекс аномальных свойств сверхпроводящих материалов. В то же время достигнуты колоссальные успехи в технологическом их применении. На их основе создаются длинномерные сверхпроводники, которые используются для получения сверхсильных магнитных полей, создания левитационных систем для транспорта, магнитно-резонансных томографов, ограничителей тока в высоковольтных линиях передач, различных электрических двигателей, индукционных накопителей энергии и других подобных устройств.
Как сообщалось, семейство высокотемпературных сверхпроводящих оксидов на основе BaBiO3 вошло в число высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 1988 г. после открытия подобного вещества с включением атомов калия Ba(К)BiO3 с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 30 кельвинов. Это вещество характеризовалось большим числом аномальных физических свойств, которые можно было объяснить, если предположить, что все носители заряда находятся в спаренном состоянии. Однако до сих пор эксперименты и расчеты лишь косвенно указывали на существование спаренных носителей заряда в BaBiO3.
Профессор кафедры физики твердого тела и наносистем Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Алексей Менушенков более 20 лет назад предложил идею получения прямого доказательства существования локального спаривания электронов и дырок. Для этого потребовалось бы провести сложный эксперимент – лазерным импульсом через оптическую щель разрушить спаренное (двухчастичное) состояние вещества резонансным возбуждением и провести наблюдение за релаксацией (установлением равновесия) в одночастичной системе ансамбля свободных электронов.Метавселенная ВДНХ 
Проведение такого эксперимента требовало специального оборудования для возбуждения и наблюдения за состоянием системы с фемтосекундным разрешением. Это стало возможным после строительства около Гамбурга (Германия) с участием России Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах EuXFEL.
В качестве основного экспериментального метода исследователи использовали рентгеновскую спектроскопию поглощения с временным разрешением tr-XAS в области мягкого рентгеновского излучения. Разрушение локальных пар электронов и дырок обеспечивалось резонансным возбуждением через оптическую щель импульсами оптического лазера с длиной волны 633 нанометров. Импульсы рентгеновского лазера позволяли снимать XAS спектры с различными временами задержки от 0.01 до 60 пикосекунд после возбуждения с фемтосекундным разрешением.
 | Мы наблюдали сильные изменения XAS спектра, который интерпретировали как быстрое (< 0,3 пикосекунд) разрушение пар носителей заряда и более медленную (0,3 – 0,8 пикосекунд) перестройку решетки из искаженной моноклинной структуры в новое метастабильное состояние с оптимальной кубической решеткой, сохраняющееся как минимум до 60 пикосекунд после возбуждения. рассказал Алексей Менушенков, руководитель эксперимента |  |
В результате эксперимента исследователи впервые получили прямое доказательство существования спаривания носителей заряда в реальном пространстве в сверхповодящем оксиде на основе бария и висмута. Также была экспериментально наблюдена трансформация электронного спектра из спаренного (двухчастичного) состояния системы в одночастичное состояние ансамбля свободных электронов.
| | Мы выявили и объяснили механизм перехода системы в возбужденное метастабильное одночастичное состояние и установили, что спаривание носителей заряда определяет природу основных аномальных свойств системы. Именно спаривание носителей ответственно за локальные искажения решетки, а не наоборот, как, например, в биполяронных моделях. пояснил ученый | |
Высокотемпературные сверхпроводники на основе висмута и меди обладают похожими свойствами и одинаковой структурой, поэтому, по мнению авторов исследования, результаты эксперимента дают импульс к пониманию природы высокотемпературной сверхпроводимости.
Работа выполнена в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-15- 2021-1352).
2023
Сверхпроводники в технологиях будущего – от левитирующих поездов до термоядерных реакторов
В Московском инженерно-физическом институте ведутся исследования удивительного квантового явления – сверхпроводимости. Как 28 сентября 2023 года рассказали TAdviser представители проекта «МАГнит: все о науке и технологиях», в лаборатории сверхпроводимости и магнитных явлений под руководством Дмитрия Абина, инженера-исследователя института лазерных и плазменных технологий МИФИ, изучаются свойства высокотемпературных сверхпроводящих материалов и их применение в различных технологиях будущего.
Как пояснил ученый, сверхпроводимость — это фазовое состояние вещества, характеризующееся отсутствием электрического сопротивления и выталкиванием силовых линий магнитного поля из объема материала. По словам Дмитрия, эти свойства открывают огромные перспективы в различных областях: от медицины и электроэнергетики до транспорта. В частности, использование сверхпроводников позволяет создавать сильные магнитные поля, которые невозможно получить иными способами.
Если говорить о применении сверхпроводников в транспорте, то особенно интересным является концепция магнито-левитационного транспорта. Дмитрий Абин и его команда разрабатывают левитационные системы, которые можно использовать в подвижных составах будущего. Представленная в лаборатории система, например, левитирует на высоте до нескольких миллиметров от поверхности и способна выдерживать значительные нагрузки. Это может стать основой для создания нового типа транспорта, способного развивать скорости, превышающие скорости современных самолетов.
Как рассказал ученый, основой их исследований является сверхпроводящая лента второго поколения – уникальный материал, который демонстрирует нулевое сопротивление при температуре жидкого азота. Эту ленту научились производить в промышленных масштабах в России.
Ученые МИФИ разрабатывают из нее различные устройства, в том числе магниты на основе так называемого захваченного магнитного потока. Это и позволяет создавать эффект магнитной левитации – когда объекты «парят» в воздухе, не касаясь опоры. Дмитрий Абин продемонстрировал макет такой левитирующей системы.
Сверхпроводящий цилиндр, охлажденный жидким азотом, устойчиво «завис» над постоянными магнитами, причем на расстоянии в несколько миллиметров. По словам исследователя, прижатый сверхпроводник может выдерживать груз до 15 килограммов, сохраняя зазор с магнитами.
Дмитрий Абин также показал масштабный демонстратор магнитолевитационного поезда на основе тех же принципов. Четыре опоры с лентами, охлажденные жидким азотом, поддерживали платформу с грузом над магнитными рельсами. По сути, это рабочая модель поезда на магнитной подушке, способного развивать скорость свыше 600 км/час.
Переход электроэнергетики полностью на сверхпроводимость пока невозможен. Однако такие технологии могут использоваться в приложениях с уже имеющимся низкотемпературным окружением. Например, в криогенных насосах или для хранения энергии в виде раскрученного маховика на магнитном подвесе, пояснил исследователь.
Помимо транспорта и энергетики, сверхпроводимость активно применяется в медицине для создания сильных магнитных полей в томографах. А также используется в научных ускорителях и термоядерных реакторах. Так что потенциал этого удивительного квантового эффекта далеко не исчерпан, убежден ученый.
В лаборатории МИФИ также ведутся работы по созданию сверхпроводящих подшипников и кинетических накопителей энергии. Подшипники этого типа могут использоваться в крео-насосах для перекачки жидких газов, кинетические накопители — для эффективного хранения электроэнергии. По мнению Дмитрия Абина, эти разработки могут найти широкое применение в решении технологических задач будущего.
Ученые получили сверхпроводники будущего, размещая атомы по одному
21 сентября 2023 года стало известно о том, что ученые из Цюрихского университета совместно с коллегами из Института микроструктурной физики имени Макса Планка смогли создать различные типы сверхпроводников, размещая атомы по одному. Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, указывает на многообещающий подход к преодолению ограничений природных материалов и открывает путь к созданию принципиально других состояний вещества для электроники и вычислительных технологий будущего.
Электроника завтрашнего дня зависит от открытия материалов. Иногда природная топология атомов затрудняет создание новых физических эффектов. Чтобы решить эту проблему, ученые из Цюрихского университета разработали сверхпроводники, размещая атомы по одному, что привело к созданию принципиально других состояний вещества.
Поиск ответов на вопросы о том, как будут выглядеть и работать компьютеры будущего, является важным стимулом для фундаментальных физических исследований. Существует несколько возможных сценариев - от дальнейшего развития классической электроники до нейроморфных и квантовых компьютеров.
Общим элементом этих подходов является использование физических эффектов, некоторые из которых пока предсказаны только в теории. Исследователи прилагают немало усилий и используют нужное оборудование в поисках квантовых материалов, которые позволят реализовать такие эффекты. Но что, если подходящих природных материалов не существует?
В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Physics, группа профессора Титуса Нойперта из Цюрихского университета в тесном сотрудничестве с физиками из Института микроструктурной физики имени Макса Планка представила возможное решение. Исследователи создали необходимые материалы самостоятельно - размещая атомы по одному.
Они сосредоточились на новых типах сверхпроводников, которые особенно интересны, поскольку демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при низких температурах. Благодаря необычному взаимодействию с магнитными полями, сверхпроводники часто используются в квантовых компьютерах. Теоретические физики годами занимались исследованием и предсказанием различных сверхпроводящих состояний.
| | Однако до сих пор лишь небольшое их число было однозначно продемонстрировано на материалах, сказал профессор Нойперт.
| |
В результате плодотворного сотрудничества исследователи теоретически предсказали, как должны быть упорядочены атомы для создания сверхпроводящей фазы, а коллеги из Германии провели соответствующие эксперименты. Используя сканирующий туннельный микроскоп, они с атомной точностью перемещали и размещали атомы в нужных позициях.
Тем же методом измеряли магнитные и сверхпроводящие свойства системы. Разместив атомы хрома на поверхности сверхпроводящего ниобия, ученые смогли создать два типа сверхпроводимости. Ранее подобные методы использовались для манипулирования металлическими атомами и молекулами, но до сих пор не удавалось создавать двумерные сверхпроводники таким способом.
Полученные результаты не только подтверждают теоретические предсказания физиков, но и дают повод предположить, какие ещё состояния вещества могут быть созданы таким образом и как их можно будет использовать в квантовых компьютерах будущего[1].
2022: Физики предложили элемент памяти, работающий при сверхнизких температурах
14 февраля 2022 года представители МФТИ сообщили, что совместно с учеными Стокгольмского университета разработали устройство, способное контролируемо изменять фазу сверхпроводящей волновой функции. Поскольку сверхпроводниковая электроника имеет дело именно с волновой функцией, это устройство может стать одним из ее базовых элементов — как, например, транзистор для полупроводниковой техники. Переключением фазы ученые управляли, передвигая вихри Абрикосова между специально созданными «ловушками» вблизи джозефсоновского контакта. Эти переключения могут быть использованы для реализации памяти, работающей при очень низких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters. Подробнее здесь.
2020: Ученые «Сколтеха» и МФТИ открыли правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов
16 апреля 2020 года стало известно о том, что исследователи Сколтеха и МФТИ и их коллеги открыли правило, облегчающее поиск высокотемпературных сверхпроводников. Ученым удалось установить связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.
Как сообщалось, сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением и способны передавать электричество без потерь. Эти свойства представляют огромный интерес с точки зрения практического использования сверхпроводников в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются и в аппаратах МРТ, работающих в обычных больницах, и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
На апрель 2020 года существует два способа достижения сверхпроводимости, причем оба требуют обеспечения предельных условий: либо очень низких температур, либо очень высокого давления. В первом случае требуется охлаждение до 100 К (приблизительно –173 градуса по Цельсию) или еще ниже. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер.
Именно поэтому взгляды ученых на апрель 2020 года устремлены в сторону гидридов — соединений водорода с другим химическим элементом: эти соединения могут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях. Действующим рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана, LaH10. В 2019 году было показано, что это соединение становится сверхпроводящим при температуре –23 оС и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но тем не менее результаты, полученные в ходе исследований гидридов-сверхпроводников, имеют важное значение для других классов сверхпроводников, работающих при нормальных давлении и температуре.
Аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок, профессор Сколтеха и МФТИ Артём Оганов и их коллеги открыли правило, позволяющее предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxTC) для гидрида металла исходя только из электронной структуры атомов металла. Это открытие существенно облегчает задачу поиска сверхпроводящих гидридов.
| | Поначалу связь между сверхпроводимостью и Периодической таблицей казалась нам чем-то загадочным. Мы и на апрель 2020 года не до конца понимаем ее природу, но полагаем, что она обусловлена тем, что электронная структура элементов на границе между элементами s и p или s и d (они располагаются между 2-й и 3-й группами таблицы) особенно чувствительна к искажениям кристаллической решетки, что способствует сильному электрон-фононному взаимодействию, которое и лежит в основе сверхпроводимости гидридов. рассказал Артём Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ | |
Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxTC для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных данных наблюдались аномалии. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды этих элементов.
| | В отношении элементов, у которых, согласно опубликованным данным, наблюдались слишком низкие или слишком высокие (по условиям правила) значения maxTc, мы провели систематический поиск стабильных гидридов и в результате не только подтвердили справедливость правила, но и получили целый ряд гидридов таких элементов, как магний (Mg), стронций (Sr), барий (Ba), цезий (Cs) и рубидий (Rb). В частности, было установлено, что у гексагидрида стронция SrH6 значение maxTC составляет 189 К (–84 оC) при давлении 100 ГПа, а у теоретического супергидрида бария BaH12 оно может достигать 214 K (–59 оC). рассказал Александр Квашнин, один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и преподаватель МФТИ | |
В 2019 году Артём Оганов и его коллеги из России, США и Китая синтезировали супергидрид церия CeH9, обладающий сверхпроводимостью при температуре 100–110 К и (относительно) низком давлении — 120 ГПа. Еще один сверхпроводник, открытый исследовательской группой в составе Дмитрия Семенка, Ивана Трояна, Александра Квашнина, Артёма Оганова и их коллег, — гидрид тория ThH10, имеющий высокую критическую температуру 161 К.
| | Имея в арсенале правило и нейронную сеть, мы можем сосредоточить наши усилия на поиске более сложных и перспективных соединений, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это тройные супергидриды, состоящие из двух элементов и водорода. Нам уже удалось предсказать несколько гидридов, которые вполне могут конкурировать с LaH10 и даже превосходить его. рассказал Дмитрий Семенок, первый автор работы | |
В работе также участвовали сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М. В. Ломоносова.
Смотрите также
Примечания
