Международная группа исследователей, в состав которой входят ученые из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) достигла методологического прорыва в изучении супергидридов — перспективного класса сверхпроводников. Впервые команде удалось проанализировать супергидриды лантана в условиях экстремального давления с помощью спектроскопии магнитного ядерного резонанса.
Сверхпроводящие материалы при комнатной температуре
Сверхпроводники характеризуются тем, что электрическое сопротивление исчезает при температуре ниже критической, которая зависит от конкретного материала, позволяющего им проводить электричество без потерь. Для большинства известных материалов эта температура перехода составляет менее 140 К (-133 °C), что требует применения сложных технологий охлаждения для практического использования. Соответственно, ученые активно ищут материалы, проявляющие сверхпроводимость при более высоких температурах.
Супергидриды — это соединения с высоким содержанием водорода, в которых металл, например, лантан, встроенный в плотно упакованную водородную решетку. Под действием экстремального давления, такого как наблюдаемое внутри планет, они приобретают чрезвычайные электронные свойства и могут проявлять сверхпроводимость почти при комнатной температуре. Как следствие, этот класс материалов сейчас является мировым рекордсменом при высокой критической температуре перехода, при которой были зафиксированы признаки сверхпроводимости.
Для создания таких условий команда сжимает образцы в алмазных наковальнях между двумя алмазами до давления, превышающего миллион атмосфер. Сложность заключается в миниатюрных размерах образцов, а это означает, что исследование требует наивысшего уровня экспериментальной точности.
Магнитные суперлинзы в микромасштабе
Именно здесь и находят свое применение результаты текущих исследований: с помощью так называемых линз Ленца — ведущих микроструктурных кольцевых элементов — ученые точно фокусируют высокочастотные поля, необходимые для спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в пределах объема образца, тем самым значительно усиливая их. Такая фокусировка делает возможным измерение ЯМР в экстремальных условиях внутри алмазной ячейки.
Ученым пришлось сфокусировать высокочастотные поля именно в том месте, где образец расположен между алмазными наковальнями, на площади всего в несколько десятков микрометров, что меньше диаметра человеческого волоса. С помощью линз Ленца им удалось усилить высокочастотный сигнал настолько, что впервые стали доступны значимые данные ЯМР для супергидридов.
Измерения дают прямое представление об атомных свойствах материалов и помогают лучше понять их.
Сочетание двух подходов для исследования сверхпроводимости
Ранее команда исследовала эти материалы с помощью импульсных магнитов с высоким полем в центре HLD, измеряя их электрическое сопротивление. Такие магнитные поля служат стресс-тестом для сверхпроводников: они позволяют определить максимальные значения напряженности поля, к которым сверхпроводящее состояние остается стабильным.
Только сочетание обоих подходов — исследований методом ЯМР под высоким давлением и измерений сопротивления в мощнейших магнитных полях — дает полное представление о физических свойствах этого класса материалов.
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве со специалистами высокого давления из Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления (HPSTAR) в Пекине.
«Сотрудничество с HLD имело решающее значение для нашего проекта, — отмечает доктор Дмитрий Семенок. — Имеющиеся там установки с высоким магнитным полем и опыт работы с высокочастотным оборудованием создают идеальные условия для проведения этих экспериментов».
В долгосрочной перспективе исследователи стремятся глубже понять физические механизмы сверхпроводимости в материалах, богатых водородом, и тем самым способствовать будущему развитию новых материалов для энергоэффективных технологий.
По материалам phys.org
