МОСКВА, 13 сен - РИА Новости. Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials .

"В целом, данные нашего эксперимента указывают на то, что сверхпроводимость при комнатной температуре осуществима, и что использованные нами методы могут проложить дорогу к новому поколению сверхпроводников, чье появление принесет пока сложно оценимую пользу для человечества," - заявил руководитель группы физиков Пабло Эскуинаци (Pablo Esquinazi) из Лейпцигского университета (Германия).

Эскуинаци и его коллеги исследовали физические свойства графита и других форм углерода. В ходе одного из экспериментов ученые засыпали графитовый порошок в пробирку с водой, размешали его и оставили в покое на 24 часа. После этого физики отфильтровали графит и высушили его в печи при температуре 100 градусов.

В результате этого ученые получили набор из гранул графита, обладающих крайне интересными физическими свойствами. Так, поверхность этих зерен обладает сверхпроводящими свойствами, которые сохраняются даже при температуре 300 градусов Кельвина, или 26 градусов Цельсия.

Это проявлялось в том, что внутри зерен появлялись характерные резкие фазовые переходы магнитного момента, существующие в классических высокотемпературных сверхпроводниках. Физикам так и не удалось проверить, обладает ли графит двумя другими основными признаками таких материалов: отсутствием сопротивления и так называемым эффектом Мейснера - полным вытеснением магнитного поля из тела проводника.

Тем не менее, открытие даже одного из эффектов позволяет предположить, что высокотемпературные сверхпроводники могут функционировать и при комнатной температуре.

К сожалению, зерна графита, полученные Эскуинаци и его коллегами, нельзя использовать в качестве "строительного материала" для сверхпроводников. Во-первых, сверхпроводящими свойствами обладает лишь 0,0001% от массы графита из-за того, что этот эффект наблюдается только на поверхности зерен. Во-вторых, эта форма графита чрезвычайно хрупкая, и физические свойства зерен теряются безвозвратно даже при малейших деформациях.

В своих последующих работах физики планируют изучить поверхность зерен и роль атомов водорода, которые остаются на их поверхности после "водной бани" и последующего просушивания. Кроме того, Эскуинаци и его коллеги проверят, обладают ли такие зерна нулевым сопротивлением, и возникает ли в них эффект Мейснера.

взято здеся - http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sverhprovodimost_pri_komnatnoj_temperature

Сверхпроводимость при комнатной температуреФизики смогли впервые создать сверхпроводимость при комнатной температуре и объяснить суть этого явления. Сверхпроводимость продержалась в керамическом проводнике меньше секунды, но это достижение - огромный в развитии науки и техники. Физика Естественные науки

04.12.2014, ЧТ, 20:51, Мск

Международная команда физиков во главе с учеными из Института Макса Планка в Гамбурге смогли с помощью лазерных импульсов заставить отдельные атомы в кристаллической решетке на короткое время смещаться и тем самым поддерживать сверхпроводимость. Короткие инфракрасные лазерные импульсы впервые позволили "запустить" сверхпроводимость в керамическом проводнике при комнатной температуре.

Явление в эксперименте длится всего несколько миллионных долей микросекунды, но понимание принципа сверхпроводимости при комнатной температуре может помочь в создании новых типов сверхпроводников, которые совершат переворот в современной технике.Такие сверхпроводники решат множество современных проблем: позволят создать сверхмощные аккумуляторы для питания энергоемкой техники вроде лазеров или силовых приводов, электродвигатели и генераторы с КПД близким к 100%, новые медицинские приборы, крохотные, но мощные микроволновые излучатели и т.д.

Сверхпроводимость уже используется, например, в ЯМР-сканерах, ускорителях частиц, мощных реле на электростанциях. Однако современные сверхпроводники требуют криогенного охлаждения: металлические до температуры -273 градуса Цельсия, а более современные керамические -200 градусов Цельсия. Понятно, что это сильно ограничивает широкое использование сверхпроводимости, особенно в быту.

К сожалению, создать сверхпроводимость при комнатной температуре долгие годы не удавалось из-за специфических условий, при которых она возникает. Так, один из самых перспективных керамических сверхпроводников YBCO (оксид иттрия-бария-меди)имеет особую структуру: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, которые содержат барий, медь и кислород. Сверхпроводимость в YBCO возникает при -180 градусов Цельсия в двойных слоях оксида меди, где электроны могут соединиться и формировать так называемые куперовские пары. Эти пары способны создавать "туннель" между разными слоями, то есть проходить через слои, как призраки сквозь стены. Этот квантовый эффект наблюдается только ниже определенной температуры.

В 2013 г. международная команда, работающая в Институте Макса Планка, обнаружила, что кратковременные импульсы ИК-лазера способны на очень короткое время провоцировать сверхпроводимость в YBCO при комнатной температуре. Природу этого явления понять не удавалось, помог лишь самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (США),который позволяет "видеть" атомную структуру материала и сверхкороткие процессы. С его помощью ученые провели ряд сложных экспериментов и опубликовали результат своего открытия в издании Nature.

Как оказалось, инфракрасный лазерный импульс не только заставляет атомы колебаться, но и меняет их позицию в кристалле. В результате двойные слои диоксида меди становятся немного толще - на 2 пикометра или 0,01 диаметра атома. Это в свою очередь увеличивает квантовую связь между двойными слоями до такой степени, что кристалл становится сверхпроводящим при комнатной температуре в течение нескольких пикосекунд.

Сверхпроводимость при комнатной температуре: резонансное возбуждение атомов кислорода вызывает колебания (размытые контуры) между двойными слоями оксида меди (слой - голубой цвет, медь желтая, кислород красный). Лазерный импульс на короткое время выводит атомы из равновесия,расстояние между слоями уменьшается и возникает сверхпроводимость

Таким образом,ученые обнаружили потенциальный путь для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Если теорию удастся превратить в коммерческую технологию (а в случае с нынешними низкотемпературными сверхпроводниками для этого понадобилось около 20 лет), то прогресс совершит огромный скачок. Бензиновые автомобильные моторы станут анахронизмом, время непрерывной работы смартфона будет исчисляться не часами, а месяцами, наступит расцвет электрических летательных аппаратов, левитирующих на магнитной подушке поездов и автобусов.

ПС. Ежели этоправда и реализуемо подобно керамическим линзам вставляемым прям везде теперь, то.. есть шанс.. ах, если это правда..

Международная команда физиков во главе с учеными из Института Макса Планка в Гамбурге смогли с помощью лазерных импульсов заставить отдельные атомы в кристаллической решетке на короткое время смещаться и тем самым поддерживать сверхпроводимость. Короткие инфракрасные лазерные импульсы впервые позволили "запустить" сверхпроводимость в керамическом проводнике при комнатной температуре.

Явление в эксперименте длится всего несколько миллионных долей микросекунды, но понимание принципа сверхпроводимости при комнатной температуре может помочь в создании новых типов сверхпроводников, которые совершат переворот в современной технике.Такие сверхпроводники решат множество современных проблем: позволят создать сверхмощные аккумуляторы для питания энергоемкой техники вроде лазеров или силовых приводов, электродвигатели и генераторы с КПД близким к 100%, новые медицинские приборы, крохотные, но мощные микроволновые излучатели и т.д.

Сверхпроводимость уже используется, например, в ЯМР-сканерах, ускорителях частиц, мощных реле на электростанциях. Однако современные сверхпроводники требуют криогенного охлаждения: металлические до температуры -273 градуса Цельсия, а более современные керамические -200 градусов Цельсия. Понятно, что это сильно ограничивает широкое использование сверхпроводимости, особенно в быту.

К сожалению, создать сверхпроводимость при комнатной температуре долгие годы не удавалось из-за специфических условий, при которых она возникает. Так, один из самых перспективных керамических сверхпроводников YBCO (оксид иттрия-бария-меди)имеет особую структуру: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, которые содержат барий, медь и кислород. Сверхпроводимость в YBCO возникает при -180 градусов Цельсия в двойных слоях оксида меди, где электроны могут соединиться и формировать так называемые куперовские пары. Эти пары способны создавать "туннель" между разными слоями, то есть проходить через слои, как призраки сквозь стены. Этот квантовый эффект наблюдается только ниже определенной температуры.

В 2013 г. международная команда, работающая в Институте Макса Планка, обнаружила, что кратковременные импульсы ИК-лазера способны на очень короткое время провоцировать сверхпроводимость в YBCO при комнатной температуре. Природу этого явления понять не удавалось, помог лишь самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (США),который позволяет "видеть" атомную структуру материала и сверхкороткие процессы. С его помощью ученые провели ряд сложных экспериментов и опубликовали результат своего открытия в издании Nature.

Как оказалось, инфракрасный лазерный импульс не только заставляет атомы колебаться, но и меняет их позицию в кристалле. В результате двойные слои диоксида меди становятся немного толще - на 2 пикометра или 0,01 диаметра атома. Это в свою очередь увеличивает квантовую связь между двойными слоями до такой степени, что кристалл становится сверхпроводящим при комнатной температуре в течение нескольких пикосекунд.

Сверхпроводимость при комнатной температуре: резонансное возбуждение атомов кислорода вызывает колебания (размытые контуры) между двойными слоями оксида меди (слой - голубой цвет, медь желтая, кислород красный). Лазерный импульс на короткое время выводит атомы из равновесия,расстояние между слоями уменьшается и возникает сверхпроводимость

Таким образом,ученые обнаружили потенциальный путь для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Если теорию удастся превратить в коммерческую технологию (а в случае с нынешними низкотемпературными сверхпроводниками для этого понадобилось около 20 лет), то прогресс совершит огромный скачок. Бензиновые автомобильные моторы станут анахронизмом, время непрерывной работы смартфона будет исчисляться не часами, а месяцами, наступит расцвет электрических летательных аппаратов, левитирующих на магнитной подушке поездов и автобусов.

Американские физики разобрались с поведением электронов в так называемой псевдощелевой фазе вещества, предшествующей состоянию сверхпроводимости.

Сверхпроводимостью называют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая ценность сверхпроводников заключается в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании тока. Но на пути их широкого использования стоит очень низкая величина критической температуры. Для большинства веществ она близка к абсолютному нулю. До 1986 года наивысшей температурой обладал сплав Nb 3 Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (-250° ). Поэтому возникла важная научная задача: найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, желательно близкой к комнатной, что получило название высокотемпературной сверхпроводимости.

В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура поднялась до примерно 120 К. Однако эти вещества обладают очень сложной электронной структурой, что чрезвычайно затрудняет понимание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего невозможно разработка сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. С тех пор уже почти 30 лет ведутся сложные эксперименты по изучению этого вопроса.

В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Этот термин связан с особенностью энергетического спектра электронов в веществе (так называется дискретный набор разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии расположены в валентной зоне, электроны с большей энергией, способные перемещаться по веществу, — в зоне проводимости. В полупроводниках и диэлектриках валентную зону и зону проводимости разделяет интервал запрещенных значений энергии, называемый «щель». Чтобы участвовать в создании тока, электрон должен получить энергию, чтобы перескочить через щель из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем больше ширина щели, тем сильнее изолирующие свойства материала.

Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее другая природа. При возникновении сверхпроводимости электроны, близкие к уровню Ферми, образуют так называемые куперовские пары и оседают на уровне Ферми, и этот уровень начинает отделять щель от уровней одиночных электронов. Уровень Ферми определяется критической температурой.

Оказалось, что у ВТСП при температурах выше критических существует состояние с меньшим числом носителей заряда вблизи уровня Ферми, чем в обычном проводнике. Это явление получило название «псевдощель». Это состояние непонятной природы вызвало много вопросов у физиков. Поскольку состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (конкурирует с ней), ученые полагают, что исследование этого состояния поможет раскрыть тайны ВТСП. В последние годы этому вопросу посвящено много работ, одна из которых опубликована на днях в журнале «Science» .

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Корнельского университета, используя разработанный ими уникальный высокоточный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить детали превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка позволяла определять пространственное расположение и направление движения электронов в материале, благодаря чему удалось обнаружить два новых явления.

В исходном состоянии исследуемый купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ представляет собой изолятор. Чтобы превратить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически добавляли атомы кислорода. Такой процесс называется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ». Физики систематически в течение длительного времени сканировали материал при различных уровнях допирования, чтобы проследить, как изменяется поведение и расположение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.

При повышении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда наблюдалась достаточно статичная картина. Возникало экзотическое периодическое статическое расположение некоторых электронов, получившее название «волны плотности» или «полосы». Эти волны похожи на полоски «замороженных» электронов. Волны плотности, как и движение электронов, ограничены определенными направлениями. При дальнейшем увеличении числа зарядов ученые обнаружили, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают способность свободно двигаться в любом направлении. Причем это происходит при том же уровне допирования, что и возникновение чистой сверхпроводимости.

«Впервые эксперимент напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных дефектов кристаллической решетки с появлением электронов, текущих свободно во всех направлениях, необходимых для неограниченной сверхпроводимости, - сказал ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis). - Эти новые измерения, наконец, показали нам, почему в таинственном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее свободно».

Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где можно увидеть статические фрагменты, образованные льдом, и в то же время обнаружить течение жидкой воды. Эти полеты совершаются снова и снова в течение весны, когда замороженный водный путь постепенно тает. В купрате вместо повышения температуры ученые повышали уровень допирования, чтобы «топить» волны плотности в определенной критической точке.

Это открытие подтверждает давнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают максимальную сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое расположение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают свободный поток электронов - как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», - говорит Дэвис.

Разумеется, получить ВТСП не так просто, как растопить лед, но это открытие дает подсказки. Если предотвратить образование статических полос, когда они возникают, в конечном итоге можно получить материалы, которые будут выступать в качестве сверхпроводника при более низкой плотности допирования и значительно более высокой температуре, считает Дэвис.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Сверхпроводники можно применять для создания электросетей

Примерно при температуре -270 градусов по Цельсию некоторые металлы пропускают электрический ток без сопротивления. Однако ученые научились достигать сверхпроводимости и при более высокой температуре около 130 кельвинов (-143 по Цельсию), и не останавливаются на достигнутом, полагая, что это ценное свойство можно воспроизвести и при комнатной температуре.

Сверхпроводники характеризуются полным отсутствием сопротивления. Так называемые сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле.

Подобные же вещества II рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно, что делает их спектр применения крайне широким.

Что есть сверхпроводимость?

Само явление было описано нидерландским химиком и физиком Хейке Каммерлингом-Оттесом в 1911 году. Он стал лауреатом Нобелевской премии двумя годами позже.

Впервые понятие сверхпроводимости появилось в научных работах советского академика Льва Ландау, который, кстати, тоже удостоился за свою работу Нобелевской премии в 1962 году.

Сверхпроводимость металлов объясняется при помощи концепции так называемых "пар Купера": двух объединенных через квант электронов с суммарно нулевым моментом импульса.

Подобные спаривания электронов возникают в кристаллической решетке некоторых металлов при охлаждении до экстремально низких температур.

Однако позднее с помощью купратов - керамик с высоким содержанием меди - ученые добились возникновения сверхпроводимости при температурах, существенно превышающих точку кипения азота (-196 по Цельсию), что, с учетом широкого производства жидкого азота, делает вещества с отсутствующим сопротивлением относительно удобными в применении.

Благодаря этим экспериментам сверхпроводники получили широкое распространение и применяются сегодня, в частности, для формирования изображения в приборах медицинской диагностики, таких как магнитные сканеры и магнитные резонаторы.

Они также широко используются в ускорителях частиц в физических исследованиях.

И тут графен?

Профессор хельсинкского Университета Аалто и Института теоретической физики имени Ландау РАН Григорий Воловик в рамках московской Международной конференции по квантовым технологиям рассказал о возможном получении сверхпроводимости при высоких температурах с помощью графена - плоской модификации .

Графену, как и сверхпроводникам, прочат блестящее будущее - им интересуются производители как лампочек, так и бронежилетов, не говоря уже о его перспективах в микроэлектронике.

Его потенциал физики-теоретики описывали в течение всего XX века, однако до практических исследований дело дошло лишь в XXI веке: именно за описание свойств графена, выделенного из графита, выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм .

По словам Воловика, знания о свойствах электромагнитных полей могут дать возможность построить сверхпроводник на основе плоских энергетических зон, которые можно наблюдать в "идеальном" графене.

И всё же - как быть с комнатной температурой?

Плоская зона, характерная для идеального графена, должна отличаться нулевой энергией во всей своей плоскости.

Однако реальная структура двумерной аллотропной модификации углерода часто напоминает по структуре "расплющенную колбасу", говорит профессор Воловик.

Тем не менее, специалисты не унывают: в данный момент теоретики прорабатывают несколько вариантов появления необходимой для создания сверхпроводимости в комнатных условиях плоской энергозоны, среди которых - сверхохлажденные газы.

В прошлом году американские физики из Стэнфордского университета поняли, как можно воплощать сверхпроводимость графена на практике при помощи наложенных "бутербродом" друг на друга слоев одноатомного углерода - собственно, графена - и кальция.

Поскольку чуть более года назад британские ученые , речь может идти о заметном удешевении производства необходимых материалов.

Задачей, как говорят все упомянутые специалисты, сейчас является изыскание путей производства бездефектного графена в больших объемах.

Твёрдое, жидкое, газ, плазма... что еще?

Одним из состояний вещества, для которого наблюдаются сверхпроводимость и прочие квантовые эффекты, является конденсат Бозе-Эйнштейна, названный так по теоретическим работам индийского физика Сатьендры Бозе и Альберта Эйнштейна.

Он является особой формой материи - это агрегатное состояние фотонов и прочих элементарных частиц, относящихся к бозонам, при температурах, близких к нулю кельвинов.

В 1995 году - спустя 70 лет после выхода теоретических обоснований Бозе и Эйнштейна - ученым удалось впервые наблюдать конденсат.

Лишь в 2010 году физикам удалось получить такой конденсат для фотонов.

В частности, выступавшая на конференции преподаватель Сколковского института науки и технологий Наталья Берлофф описывала поведение поляритонов - квазичастиц, которые возникают при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды.

По словам Берлофф, она пыталась представить применение квантовой теории премьер-министру Дмитрию Медведеву и вице-премьеру Аркадию Дворковичу прошлым летом как национальную инициативу.

Некоторые из студентов Сколковского института науки и технологий уже активно принимают участие в международных исследованиях - в частности, ученики Берлофф входят в команду физиков, описывающих поведение упомянутых поляритонов.