Открытие сверхпроводимости диселенида вольфрама может приблизить создание универсальных сверхпроводников, работающих при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении.
Представьте себе мир, в котором беспилотные электромобили заряжаются без проводов прямо на шоссе, компьютеры в сотни раз мощнее нынешних, а экологически чистая энергия доступна в неограниченном количестве. Сроки прихода «светлого будущего», по мнению ученых, зависят от разработки новых сверхпроводников — материалов, способных передавать электричество с почти идеальной эффективностью и минимальным сопротивлением.
В чем проблема? Все известные сверхпроводники — от простых веществ (свинец, олово и алюминий) до экзотических соединений, таких как титанид ниобия, — для эффективной работы должны находиться в режиме экстремально низких температур или сверхвысокого давления, что делает их непригодными для широкого применения. Более того, ученые не до конца понимают, как работают эти материалы, что затрудняет создание более совершенных версий.
Сверхпроводники уже используются в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и поездах на магнитной подушке, но они чрезвычайно дороги и капризны. По словам экспертов, настоящим прорывом станет разработка дешевых универсальных сверхпроводников, не требующих экстремальных режимов эксплуатации.
Междисциплинарная группа исследователей из Колумбийского университета под руководством физика Кори Дина приближает научное сообщество к заветной цели. В недавнем исследовании, опубликованном в Nature, ученые продемонстрировали, что соединение диселенид вольфрама (WSe2), может проявлять сверхпроводимость, если его нарезать на листы атомной толщины, а затем точно манипулировать ими.
Это открытие стало одним из первых случаев, когда ученые вызвали сверхпроводимость в материале, изменив его структуру на наноуровне, что дает возможное представление о сверхпроводниках следующего поколения.
Дин и его коллеги с 2020 года экспериментируют с диселенидом вольфрама. Их интерес был вызван предыдущим открытием физика из Массачусетского технологического института и бывшего научного сотрудника Колумбийского университета Пабло Харильо-Эрреры, который обнаружил, что графен — новый материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, — становится сверхпроводящим, если его сложить под определенными углами.
Вдохновившись открытием Харильо-Эрреры, Дин и его коллеги решили проверить, может ли аналогичный подход работать с другими ультратонкими, так называемыми «двумерными» материалами. Дин говорит, что для него важным вопросом было то, возникает ли сверхпроводимость из-за уникальных свойств графена или ее можно вызвать, скручивая любую комбинацию двумерных материалов.
Исследователи из Колумбийского университета, много лет работавшие с диселенидом вольфрама, недавно нашли выигрышную формулу: нужно расположить два листа рядом друг с другом, повернуть один из них на пять градусов и охладить до -272,7 °C (0,45K). Когда исследователи подали заряд, электроны пронеслись через материал с молниеносной скоростью — на несколько порядков быстрее, чем в обычных металлах.
Открытие сверхпроводимости в диселениде вольфрама, как и в графене до этого, — это лишь один шаг на пути к более масштабной цели: созданию универсальных сверхпроводников. Оба этих экзотических материала все еще необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур, прежде чем через них можно будет беспрепятственно пропускать электричество. Это означает, что они пока не являются жизнеспособной альтернативой сверхпроводникам, которые в настоящее время используются в оборудовании для медицинской визуализации и ряде других передовых технологий.
Тем не менее открытие Дина уже признано одним из самых значительных достижений в области материаловедения за последние годы. Оно позволило по-новому взглянуть на механизм сверхпроводимости и вселило оптимизм в ученых, которые надеются, что однажды смогут создать сверхпроводники, способные работать в более практических условиях.
Дин говорит, что создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, — это действительно его мечта, добавляя, что такой материал произведет революцию почти во всех отраслях, использующих электронику, — от вычислительной техники и медицины до производства электроэнергии и транспорта. А открытие сверхпроводящих свойств нанолистов диселенида вольфрама вполне может стать ключом, который сделает эту мечту реальностью.
Недавно мы рассказали о синтезе сверхпроводящего материала из железа, никеля и циркония.
Источник