Міжнародна група дослідників, до складу якої входять науковці з Центру ім. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), досягла методологічного прориву у вивченні супергідридів — перспективного класу надпровідників. Вперше команді вдалося проаналізувати супергідриди лантану в умовах екстремального тиску за допомогою спектроскопії ядерного магнітного резонансу.
Надпровідні матеріали за кімнатної температури
Надпровідники характеризуються тим, що їхній електричний опір зникає за температури нижче критичної, яка залежить від конкретного матеріалу, що дозволяє їм проводити електрику без втрат. Для більшості відомих матеріалів ця температура переходу становить менше ніж приблизно 140 К (-133 °C), що вимагає застосування складних технологій охолодження для практичного використання. Відповідно науковці активно шукають матеріали, які проявляють надпровідність за значно вищих температур.
Супергідриди — це сполуки з високим вмістом водню, в яких метал, наприклад, лантан, вбудований у щільно упаковану водневу решітку. Під дією екстремального тиску, такого як той, що спостерігається всередині планет, вони набувають надзвичайних електронних властивостей і можуть проявляти надпровідність майже за кімнатної температури. Як наслідок, цей клас матеріалів наразі є світовим рекордсменом за найвищою критичною температурою переходу, за якої зафіксували ознаки надпровідності.
Щоб створити такі умови, команда стискає зразки в алмазних ковадлах між двома алмазами до тиску, що перевищує мільйон атмосфер. Складність полягає в мініатюрних розмірах зразків, а це означає, що дослідження вимагає найвищого рівня експериментальної точності.
Магнітні суперлінзи у мікромасштабі
Саме тут і знаходять своє застосування результати поточних досліджень: за допомогою так званих лінз Ленца — мікроструктурних провідних кільцевих елементів — науковці точно фокусують високочастотні поля, необхідні для спектроскопії ядерного магнітного резонансу (ЯМР), у межах об’єму зразка, тим самим значно підсилюючи їх. Таке фокусування робить можливими вимірювання ЯМР в екстремальних умовах всередині алмазної комірки.
Науковцям довелося сфокусувати високочастотні поля саме в тому місці, де зразок розташований між алмазними ковадлами, на площі всього в кілька десятків мікрометрів, що менше за діаметр людської волосини. За допомогою лінз Ленца їм вдалося підсилити високочастотний сигнал настільки, що вперше стали доступними значущі дані ЯМР для супергідридів.
Вимірювання дають пряме уявлення про атомні властивості матеріалів і допомагають краще їх зрозуміти.
Поєднання двох підходів для дослідження надпровідності
Раніше команда досліджувала ці матеріали за допомогою імпульсних магнітів з високим полем у центрі HLD, вимірюючи їхній електричний опір. Такі магнітні поля слугують стрес-тестом для надпровідників: вони дозволяють визначити максимальні значення напруженості поля, до яких надпровідний стан залишається стабільним.
Лише поєднання обох підходів — досліджень методом ЯМР під високим тиском та вимірювань опору в найпотужніших магнітних полях — дає повне уявлення про фізичні властивості цього класу матеріалів.
Дослідження проводилося у тісній співпраці з фахівцями з високого тиску з Центру провідних досліджень у галузі науки та технологій високого тиску (HPSTAR) у Пекіні.
«Співпраця з HLD мала вирішальне значення для нашого проєкту, — зазначає доктор Дмитро Семенок. — Наявні там установки з високим магнітним полем та досвід роботи з високочастотним обладнанням створюють ідеальні умови для проведення цих експериментів».
У довгостроковій перспективі дослідники прагнуть глибше зрозуміти фізичні механізми надпровідності в матеріалах, багатих на водень, і тим самим сприяти майбутньому розвитку нових матеріалів для енергоефективних технологій.
За матеріалами phys.org
