Изследователи успешно са създали нови видове свръхпроводници чрез подреждане на атоми един по един, което може да доведе до разработването на иновативни материали и до напредък в областта на квантовите изчисления.

Изследването показва обещаващ подход за преодоляване на ограниченията на естествено срещащите се материали, проправяйки пътя за нови състояния на материята в бъдещите електронни и компютърни технологии.

Електрониката на бъдещето зависи от откриването на уникални материали. Понякога обаче естествената топология на атомите затруднява създаването на нови физически ефекти. За да се справят с този проблем, учени от Университета в Цюрих вече успешно проектират свръхпроводници атом по атом, създавайки нови състояния на материята.

Как ще изглежда компютърът на бъдещето? Как ще работи? Търсенето на отговори на тези въпроси е основен двигател на фундаменталните физически изследвания. Съществуват няколко възможни сценария, вариращи от по-нататъшното развитие на класическата електроника до изграждането на невроморфни и квантови компютри.

Общият елемент във всички тези подходи е, че те се основават на нови физични ефекти, някои от които досега са били предсказани само на теория. Изследователите полагат големи усилия и използват най-модерно оборудване в търсенето на нови квантови материали, които ще им позволят да създадат такива ефекти. Но какво става, ако няма подходящи материали, които да се срещат в природата?

НОВ ПОДХОД КЪМ СВРЪХПРОВОДИМОСТТА

В неотдавнашно проучване, публикувано в Nature Physics, изследователската група на професора от Университета в Цюрих Титус Нойперт (Titus Neupert), работеща в тясно сътрудничество с физици от Института по физика на микроструктурите "Макс Планк" в Хале, Германия, представя възможно решение. Изследователите сами изработват необходимите материали - атом по атом.

Те се фокусират върху нови видове свръхпроводници, които са особено интересни, тъй като предлагат нулево електрическо съпротивление при ниски температури. Понякога наричани "идеални диамагнити", свръхпроводниците се използват в много квантови компютри поради необикновеното им взаимодействие с магнитните полета. Теоретичните физици са прекарали години в изследване и прогнозиране на различни състояния на свръхпроводимост.

"Досега обаче само малък брой от тях са били убедително демонстрирани в материали", подчертава професор Нойперт.

Свръхпроводимост и ефект на Майснер

Свръхпроводимостта, открита за пръв път през 1911 г., когато физикът Хайке Камерлинг Онес забелязва нещо любопитно - че живачен проводник, охладен до около -269°C, не оказва съпротивление на електрическия поток.

Обикновено потокът от електрически ток се сблъсква с известна степен на съпротивление - както, ако поставим камъни в река, се забавя скоростта ѝ или както въздушното съпротивление забавя скоростта на движещ се обект, например.

Колкото по-висока е проводимостта на материала, толкова по-малко е електрическото му съпротивление, а токът може да протича по-свободно.

Но при ниски температури в някои материали се случва нещо странно. Съпротивлението намалява до нула, а токът преминава безпрепятствено. Възниква ефектът на Майснер - магнитните полета на материала изчезват от вътрешността на проводника, след като премине под определена критична температура. Това състояние се нарича свръхпроводимост.

В рамките на няколко години е установено, че материали като оловото и сплавите на ниобий и калай също са свръхпроводими при изключително ниски температури, а Камерлинг Онес получава Нобелова награда за физика.

^{Ефектът на Майснер. Wikimedia Common}

Изследователите започват да разбират по-добре как работят свръхпроводниците през 50-те години на ХХ век, когато американските физици Джон Бардън, Леон Купър и Джон Робърт Шрайфър разработват теория за това какво се случва във вътрешността на тези материали, когато се охлаждат драстично. Тяхната така наречена BCS теория - съкращение от Bardeen, Cooper и Schrieffer - гласи, че в свръхпроводниците електроните образуват двойки по такъв начин, че могат да пренасят електричество, без да срещат съпротивление. Това решаващо сдвояване на електрони се случва поради вибрациите в решетката на атомите, които изграждат материала, но те престават да го стимулират над около -233°C.

Теорията BCS донесе на авторите си и Нобелова награда за физика, но свръхпроводниците изглеждаха възможни само при изключително мощни хладилници, които изискват скъп течен хелий. Това се променя през 1987 г., когато изследователите откриват свръхпроводник, който съдържа мед и работи при -196°C. Последвалите експерименти в крайна сметка повишават температурата на свръхпроводимост до -140°C.

Така наречената свръхпроводимост при стайна температура, над 0 градуса по Целзий, е нещо като "Свещеният Граал" за учените. Ако може да се постигне, това ще направи революция в електрическата ефективност, значително ще подобри функционирането на енергийните мрежи, високоскоростния трансфер на данни и електрическите мотори.

Така че това е нещо, върху което работят много лаборатории по света, с нови твърдения, че са постигнали високотемпературна свръхпроводимост, от време на време, които след това не успяват да преминат тестовете за възпроизводимост.

ДВА НОВИ ТИПА СВРЪХПРОВОДИМОСТ

В рамките на своето сътрудничество изследователите от UZH прогнозират теоретично как трябва да се подредят атомите, за да се създаде нова свръхпроводима фаза, а екипът в Германия след това провежда експерименти за реализиране на съответната топология. С помощта на сканиращ тунелен микроскоп те преместват и поставят атомите на правилното място с точност до атом.

Същият метод е използван и за измерване на магнитните и свръхпроводящите свойства на системата. Чрез нанасяне на хромови атоми върху повърхността на свръхпроводимия ниобий изследователите са успели да създадат два нови вида свръхпроводимост. Подобни методи са били използвани и преди за манипулиране на метални атоми и молекули, но досега никога не е било възможно да се направят двуизмерни свръхпроводници с този метод.

Резултатите не само потвърждават теоретичните прогнози на физиците, но и им дават основание да разсъждават за това какви други нови състояния на материята могат да бъдат създадени по този начин и как те биха могли да се използват в квантовите компютри на бъдещето.

“Two-dimensional Shiba lattices as a possible platform for crystalline topological superconductivity” by Martina O. Soldini, Felix Küster, Glenn Wagner, Souvik Das, Amal Aldarawsheh, Ronny Thomale, Samir Lounis, Stuart S. P. Parkin, Paolo Sessi and Titus Neupert, 10 July 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02104-5

Creating New States of Matter – Researchers Invent Two New Types of Superconductivity, University Of Zurich