Надпровідні матеріали можуть революціонізувати електроніку, якщо б вони не були такими примхливими.

Щоб перевести матеріали в цей стан, де електричні струми течуть без опору, потрібні або екстремально низькі температури, або екстремально високі тиски, або обидва фактори.

Це означає, що будь-які переваги, які ви могли б отримати в реальному світі, такі як електромобілі, які перезаряджаються миттєво, будуть компенсовані необхідністю мати в багажнику кріогенний холодильник або алмазну пресу.

Але тепер вчені на один крок ближче до створення надпровідних матеріалів, які працюють при звичайних температурах і тисках.

Команда, очолювана фізиками з Університету Х'юстона, щойно встановила новий світовий рекорд для надпровідності, досягнувши найвищої температури при нормальному тиску.

Ця температура може не здаватися дуже високою – близько -122,15 градусів Цельсія (приблизно -187,87 градусів Фаренгейта) – але це значно тепліше, ніж звичайна вимога, яка трохи перевищує абсолютний нуль (-273,15 градусів Цельсія).

Новий рекорд також допомагає розірвати десятирічну затримку в дослідженнях надпровідників.

"Це великий крок до практичних надпровідників, які працюють при кімнатній температурі і тиску", – говорить Хуа Чжоу, фізик з Лабораторії Аргонн у США.

"З цим матеріалом, який все ще залишається надпровідним при нормальному тиску, вчені можуть вивчати його за допомогою широко доступних інструментів і почати розробляти технології, які працюють в звичайних умовах".

Матеріал, про який йдеться, називається купритним надпровідником, який складається з шарів оксиду міді, чергуючи з іншими металевими оксидами. У цьому випадку це ртуть, барій і кальцій.

Ця конкретна формула відома як Hg1223, і з 1993 року вона утримує рекорд для надпровідника з найвищою температурою при нормальному тиску. Цей рекорд становив -140,15 градусів Цельсія.

Схема зразка, що проходить через тиск у алмазній пресі, і як це впливає на надпровідність матеріалу. (Університет Х'юстона)

Щоб покращити цей показник, дослідники в новому дослідженні виконали протокол, відомий як тиск-охолодження на матеріалі. Спочатку Hg1223 був стиснутий в алмазній пресі під тиском до 30 гігапаскалів. Це майже в 300 000 разів більше, ніж тиск, якому ми піддаємося на рівні моря.

Але тиск був лише тимчасовим. Цей тиск потім швидко звільнили, що призводить до того, що матеріал стає метастабільним – стан, який зберігає деякі з його квантових особливостей без необхідності підтримувати екстремальний тиск.

Один з найвідоміших прикладів метастабільного матеріалу може бути у вас на руці прямо зараз.

Діаманти – це всього лише вуглець, який піддавався екстремальному тиску глибоко в Землі, але вони зберігають свою нову структуру навіть після того, як їх підняли на поверхню.

Коли матеріали піддаються високим тискам, це буквально стискає атоми ближче один до одного, щоб утворити нові структури. Повільне звільнення тиску дозволяє атомам розслабитися назад у їх нормальну структуру – але швидке звільнення викликає утворення невеликих дефектів у матеріалі.

І саме ці дефекти, здається, зберігають Hg1223 надпровідним при вищих температурах, навіть коли тиск повертається до нормальних рівнів.

Суперсили матеріалу були підтверджені аналізом за допомогою Advanced Photon Source (APS), потужного рентгенівського лазера в Аргонн, який може точно контролювати мікроскопічні зміни в матеріалі.

Hg1223 не є найтеплішим надпровідником, коли-небудь створеним: Цю честь отримує зразок децагідрату лантану, який залишався надпровідним до -13,15 градусів Цельсія, температури, яку ви могли б досягти у своєму морозильнику вдома.

Однак те, що ви не можете досягти вдома, – це розчавлюючі тиски 190 гігапаскалів, порівнянні з зовнішнім ядром Землі. Це компроміс, який робить 30 гігапаскалів Hg1223 виглядати спокійно.

Звичайно, ці застосування ще далеко, але кожен новий крок наближає нас до мети.

Дослідження було опубліковане в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.