Учёные Корнеллского университета (Cornell University) представили упрощённую технологию создания сверхпроводящих элементов с использованием 3D-печати. Ранее для этого требовалось несколько циклов с отжигом на каждом этапе. Новая технология позволяет печатать сверхпроводящие элементы сложной конфигурации за один подход — всего лишь с одним циклом отжига. Это обещает расширить сферу применения сверхпроводников в науке и промышленности.

Пять причин полюбить HONOR 400

Обзор рейтингового режима Warface: просто освоиться, сложно оторваться

Обзор смартфона HUAWEI Pura 80 Ultra: зум, которому нет равных

Обзор ноутбука Acer Swift Go 14 (SFG14-63-R7T4) с процессором Ryzen 9 8945HS и OLED-экраном

HUAWEI Pura 80 Ultra глазами фотографа

Обзор смартфона HONOR 400: реаниматор

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Исследователи создали специальный состав из сополимеров и неорганических наночастиц, который самоорганизуется в процессе печати. После термообработки напечатанные структуры превращаются в пористые кристаллические сверхпроводники. Представленный «одноэтапный» процесс (one-pot) значительно упрощает традиционные методы, требующие многоступенчатого синтеза, множества порошков, связующих ингредиентов и нескольких циклов нагрева.

Новый метод позволяет создавать сверхпроводники с упорядоченной структурой на трёх уровнях: атомном (кристаллическая решётка), мезоструктурном (за счёт самоорганизации сополимеров) и макроскопическом (в виде отдельных компонентов схемы — катушек, спиралей и других сложных форм). Технология была проверена на нитриде ниобия, демонстрирующем сверхпроводимость при охлаждении до −256 °C. Этот материал сохраняет свои свойства в магнитных полях силой до 50 тесла, что значительно выше, чем у других сверхпроводников этого класса. Напечатанные из нитрида ниобия компоненты подтвердили эффект в магнитном поле максимально возможной для него силы.

Применение порошковой 3D-печати для создания сверхпроводящих элементов упрощает производство и может улучшить целый ряд технологий, связанных с использованием сверхпроводимости — от магнитов для МРТ до квантовых устройств.

«Мы долго работали над этим, — поясняют учёные. — Эта работа показывает, что мы можем не только печатать сложные формы, но и придавать материалам свойства, которые ранее были просто недостижимы».

Команда планирует применить этот подход к другим сверхпроводящим соединениям, в том числе к нитриду титана. Также планируется исследовать сложные трёхмерные геометрические формы, которые трудно воспроизвести традиционными методами. Дополнительно пористая структура материала обеспечивает рекордную площадь поверхности для сверхпроводников, что может оказаться полезным для исследований квантовых материалов и устройств следующего поколения.

Традиционные сверхпроводники имеют под собой хорошую теоретическую базу, тогда как новые виды сверхпроводимости в нетрадиционных материалах описаны недостаточно подробно, и исследователи движутся к открытиям буквально наощупь. Однако группа китайских учёных синтезировала новый класс сверхпроводящих материалов, поиск которого велся осмысленно, а не наугад, как это зачастую бывает в сфере сверхпроводников.

Пять причин полюбить HONOR 400

Обзор ноутбука Acer Swift Go 14 (SFG14-63-R7T4) с процессором Ryzen 9 8945HS и OLED-экраном

Обзор рейтингового режима Warface: просто освоиться, сложно оторваться

Обзор смартфона HONOR 400: реаниматор

Обзор смартфона HUAWEI Pura 80 Ultra: зум, которому нет равных

HUAWEI Pura 80 Ultra глазами фотографа

Источник изображения: Patrick Gaillardin/Look At Sciences/SPL

По словам Лилии Боэри (Lilia Boeri), физика из Римского университета Сапиенца (Sapienza University of Rome), успехи исследователей SUSTech в точном проектировании свойств материала помогут лучше понять нетрадиционную сверхпроводимость: «Идея о том, что у вас есть система, которую вы можете как бы экспериментально настроить, — это нечто весьма захватывающее».

Ещё в 2019 году физики из Южного университета науки и технологии (SUSTech) в Шэньчжэне (Китай) обнаружили признаки того, что содержащие никель соединения ведут себя аналогично сверхпроводникам, хотя и при температурах значительно ниже. Структурное сходство этих материалов с купратами породило надежду на то, что никелаты — соединения на основе никеля — можно заставить работать при более высоких температурах, как высокотемпературные сверхпроводники.

С тех пор никелаты стали претендовать на звание третьего класса нетрадиционных сверхпроводников после купратов (соединений меди) и пниктидов (соединений железа). Никелаты демонстрировали признаки сверхпроводимости при достаточно низкой температуре (-228 °C), но при обычном атмосферном давлении, что само по себе уже можно назвать прорывом.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

В свежей работе, опубликованной в журнале Nature, учёные SUSTech сообщили о синтезе тонкой плёнки никелата, демонстрирующей при обычном атмосферном давлении все признаки сверхпроводимости — от нулевого сопротивления току до вытеснения магнитного поля при температурах ниже критической.

«Есть огромная надежда, что в конечном итоге мы сможем повысить критическую температуру и сделать [такие материалы] более полезными для практического применения», — заявил Даньфэн Ли (Danfeng Li), физик из Городского университета Гонконга.

Купраты сегодня демонстрируют сверхпроводимость при температуре -123 °C. Никелаты пока значительно уступают им по этому параметру, но открытие китайских учёных, которые осознанно синтезировали новый материал и добились желаемого результата, заложило основу для создания материалов того же класса с более высокой критической температурой.

Эта и другие работы привлекли внимание множества лабораторий по всему миру. Учёные стремятся детально изучить новые материалы и добиться прорывных открытий, способных революционизировать энергетику, медицинскую диагностику, магнитный транспорт и другие передовые технологии.

Международная группа физиков во главе с учёными из США представила самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования нового типа сверхпроводящих материалов. Подтверждение существования нематической фазы вещества является научным прорывом, который может открыть путь к созданию сверхпроводимости новым способом.

Пять причин полюбить HONOR 400

Обзор смартфона HONOR 400: реаниматор

Обзор смартфона HUAWEI Pura 80 Ultra: зум, которому нет равных

Обзор ноутбука Acer Swift Go 14 (SFG14-63-R7T4) с процессором Ryzen 9 8945HS и OLED-экраном

Обзор рейтингового режима Warface: просто освоиться, сложно оторваться

HUAWEI Pura 80 Ultra глазами фотографа

Фазовая диаграмма FeSe1−xSx, кристаллическая и электронная структура сверхпроводящего соединения FeSe0.81S0.19 / Источник: Nature Physics

Теория сверхпроводимости включает в себя раздел, в котором описывается, как протекание электрического тока без сопротивления можно объяснить электронной нематичностью или фазовым состоянием вещества, при котором частицы нарушают свою вращательную симметрию. В теории химические соединения могут обеспечить существование нематической фазы. Это связано с тем, что в условиях комнатной температуры для электрона в атомах горизонтальные и вертикальные направления потенциального движения не различимы по свойствам. При существенно более низких температурах электроны могут переходить в нематическую фазу, в которой одно из направлений становится для частиц более предпочтительным. В некоторых случаях электроны колеблются, отдавая предпочтение то одному, то другому направлению. Такое поведение электронов называют нематическими флуктуациями.

Долгие годы физики не могли доказать существование сверхпроводимости, возникающей из-за нематических флуктуаций. Теперь же учёные сумели экспериментально подтвердить существование нужной фазы вещества в смеси селенидов железа и серы. «Это идеальные материалы для нашего исследования, поскольку они демонстрируют нематический порядок и сверхпроводимость без магнетизма, который затрудняет их изучение», — рассказал руководитель исследования Эдуардо да Силва Нето (Eduardo H. Da Silva Neto).

В ходе эксперимента исследователи охладили образцы материала до температуры ниже 500 милликельвин. В таком состоянии практически прекращаются все движения и колебания атомов. Для наблюдения за образцами использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), с помощью которого можно получать изображения квантовых состояний электронов. Учёные сосредоточились на изучении образцов, в которых были более выраженные нематические флуктуации. Им требовалось обнаружить «энергетическую щель», которая является показателем наличия и силы сверхпроводимости. В ходе эксперимента было доказано существование нужного разрыва, который полностью соответствовал теоретическим параметрам сверхпроводимости, вызванной электронной нематичностью.

«Доказать существование разрыва было очень трудно, потому что для точного измерения разрыва требуются сложные СТМ-измерения при очень низких температурах. Следующий шаг — изучить этот процесс ещё внимательнее. Что произойдёт со сверхпроводимостью при увеличении содержания серы? Исчезнет ли она? Вернутся ли спиновые флуктуации?», — рассказал о дальнейших планах да Силва.

В дальнейшем учёные смогут не фокусироваться на магнитных параметрах сверхпроводимости, как это делали прежде. Одним из перспективных направлений для будущих исследований станет управление нематическими флуктуациями. Потенциально это может привести к созданию сверхпроводников, способных работать при более высоких температурах.