У 1911 р. голландський фізик Гайке Камерлінг-Оннес спостеріг явище, за відкриття якого через два роки отримав Нобелівську премію: за дуже низьких температур (близьких до абсолютного нуля) деякі метали повністю втрачають електричний опір. Теоретично пояснити це явище, назване надпровідністю, вчені змогли лише через кілька десятиліть на основі досягнень квантової теорії. Відтоді не припиняються пошуки надпровідників, які могли б працювати й за кімнатних температур. Такі надпровідники могли б у багато разів зменшити втрати при транспортуванні електроенергії.
Фізики, що досліджують надпровідність, часто демонструють «фокус»: якщо накласти один на одний два матеріали, один з яких надпровідник, а інший - ізолятор, то електричний опір на поверхні їх дотикання стрімко падає. Це явище називають поверхневою надпровідністю (англ. interface superconductivity). В своєму останньому дослідженні американські вчені стверджують, що відкрили монокристали, які володіють цією здатністю. Науковці сподіваються, що відкриття дасть змогу оживити вивчення родини сполук, в яких у 2008 р. виявили високотемпературну надпровідність (надпровідність при температурі вище 80 К), однак дослідження яких останніми роками зайшло у глухий кут.
Автором дослідження є піонер вивчення високотемпературної надпровідності Пол Чу з Х’юстонського університету у Техасі. У 1980х він разом з колегами отримав перші високотемпературні надпровідники – сполуки з міддю, що одержали назву «купратів». У статті, опублікованій кілька днів тому на сервісі arXiv, Чу звітує про результати дослідження на цей раз у залізовмісного кристалу, в якого надпровідність виникає за температури 30 К, однак який має невеликі ділянки, в яких вона виявляється і за 49 К. Чу стверджує, що внаслідок взаємодії поверхонь цих ділянок, кожна з яких периметром у кілька десятків нанометрів, з основною речовиною кристала виникає ефект, який можна назвати поверхневою надпровідністю монокристала.
Надпровідність у основної маси кристалу (сірий колір) виникає за температури 30 К, однак він має ділянки з низьким рівнем арсену (рожевий колір), в яких її можна спостерігати за 49 К. Дотикання цих ділянок породжує ефект поверхневої надпровідності монокристалу.
Якщо вчений має рацію, то це буде перший випадок, коли явище поверхневої надпровідності відкрили у одного й того ж матеріалу, замість кількох різних матеріалів, що взаємодіють по суміжній поверхні.
Раніше пошуки матеріалу, що міг би бути надпровідником за кімнатної температури (290 К і вище) зазнали невдачі. Понад три десятиліття досліджень купратів так і не дали жодного подібного надпровідника. У 2008 р. вчені виявили, що подібними до купратів властивостями володіють і деякі напівпровідники на основі заліза. Після кількох років роботи вчені змогли підняти температуру, за якої у них виникає надпровідність, до 50 К, однак згодом прогрес загальмувався.
Перелом наступив в лютому минулого року, коли фізики з Університету Ціньхуа у Пекіні повідомили, що отримали надпровідність за температури 80 К, що більше за температуру кипіння азоту. Для цього вчені поєднали селенід заліза – найпростіший надпровідник на основі заліза – з титанатом стронцію, відомим ізолятором.
Однак Пол Чу в своєму останньому дослідженні пішов ще далі. Йому вдалося досягнути поверхневої надпровідності у монокристалі арсеніду заліза, легованому рідкоземельними металами. За його словами, властивість виникла завдяки взаємодії поверхонь ділянок, які насичені та позбавлені арсену.
Якщо Чу не помилився, то його відкриття підтверджує, що природа поверхневої надпровідності виникає із механізму, запропонованого у 1973 р. американським фізиком Джоном Бардіном, згідно з яким електрони у надпровідниках мандрують парами, пов’язаними особливими квазічастинками, які називаються екситонами. Ця теорія не пояснює усіх випадків надпровідності, зокрема високотемпературну надпровідність, однак фізики продовжують її розвивати, сподіваючись саме у її руслі знайти пояснення цьому явищу.
Надпровідність має довгу історію, сповнену хибних гіпотез та марних надій, тож недивно, що дослідження Чу збурило дебати серед вчених. Скептики вважають, що надпровідність довкола поверхонь таких малих розмірів (десятки нанометрів) доволі важко виміряти, тим більше всередині кристала. Крім того, фізик Жан-П’єр Палійон з Університету Меріленда стверджує, що причиною високотемпературної надпровідності у даному випадку може бути легування рідкоземельними металами. Ця властивість, за його словами, притаманна цілим легованим ділянкам кристалу, а не утворена дотиканням суміжних ділянок всередині його структури (Палійон сам досліджує надпровідність тієї самої сполуки). Чу ж йому відповідає, що легування лише допомагає створити поверхні, які дотикаються, за рахунок виштовхування атомів арсену за межі кристалічної ґратки.
Інший фізик Іван Бозовіч, який працює у Брукхейвенській національній лабораторії у Нью-Йорку та у 2008 р. отримав один із перших поверхневих надпровідників, має інше пояснення. Він вважає, що надпровідність у даному випадку спричинена не ефектом суміжних поверхонь, а структурними змінами, притаманними цілим ділянкам кристалу, які позбавлені арсену. За його словами, було б добре, якби Чу зумів ізолювати ці ділянки та дослідити їх поокремо. «Вже понад 100 років фізики шукають за новими надпровідниками, а поверхнева надпровідність відкриває тут широкий простір для творчості», - прокоментував Бозовіч.
26.09.2013