Два российских физика недавно предложили новый путь изучения высокотемпературной сверхпроводимости. Речь идет об объединении обычных сверхпроводников с метаматериалами — это позволит добиться как минимум не худших результатов, чем в случае с нетрадиционными сверхпроводниками вроде купратов. Ученые даже надеются, что их исследования в будущем могут лечь в основу производства мифических сверхпроводников, которые будут работать при комнатной температуре.
В 1986 году научные сотрудники IBM Георг Беднорц и Алекс Мюллер открыли материалы, которые становятся сверхпроводниками при высоких температурах. Эта находка открыла путь для мечты о технологической революции огромных масштабов, опирающейся на возможное существование материалов, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. С тех пор прошло 30 лет, но физики до сих пор преследуют эту мечту: реализовать ее на практике оказалось сложнее, чем ожидалось. Лучшие из полученных на настоящий момент материалов сохраняют сверхпроводимость лишь при температуре ниже 140 К, что делает невозможным их массовое применение. Кроме того, мешает их распространению и высокая стоимость.
Кроме того, последние годы ходят разговоры о «волшебных» метаматериалах, которые могут сделать возможным такой эффект, как невидимость. Российская школа теоретической физики, одним из основателей которой стал великий Ландау, дала науке немало значимых работ как в области сверхпроводимости, так и по метаматериалам. Поэтому вряд ли стоит удивляться, что именно двум ее представителям пришла в голову мысль объединить две этих области исследований для получения сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры. А в перспективе, быть может, даже сверхпроводников, которые бы сохраняли свои свойства при комнатной температуре. Выложившие на arxiv статью Вера и Игорь Смоляниновы черпают вдохновение в работах другого их соотечественника Давида Абрамовича Киржница.
Как и лауреат Нобелевской премии по физике Франсуа Энглер, Киржниц рассматривал нарушения симметрии в квантовой теории поля. Он прославился в 1970-х годах изучением изменений в квантовых полях при высоких температурах, которые могли бы вызвать фазовый переход. Стандартная модель с механизмом Хиггса в точности предсказывает существование нарушений симметрии, как и Теория Великого объединения. Киржниц и его коллега Андрей Линде рассматривали эти вопросы в рамках ранней Вселенной, когда той не исполнилось еще и миллиардной доли секунды. Полученные результаты легли в основу первых теорий Инфляционной модели Вселенной, которые сегодня связывают с именами Браута, Энглера, Гута, Старобинского и, разумеется, Линде.
Сверхпроводимость, диэлектрическая проницаемость и куперовские пары
Кроме того, Давид Киржниц рассматривал и другие связанные с температурой фазовые переходы, в частности те, которые действуют в области сверхпроводимости. Ученым известно, что в основе явления лежит образование пар электронов под названием куперовские пары. Русский физик установил, что формирование куперовских пар в том или ином материале зависит от его диэлектрической проницаемости. Если конкретнее, отрицательная диэлектрическая проницаемость упрощает этот процесс. Именно это происходит в некоторых метаматериалах.
Пока все это еще только теория, но, как считают Вера и Игорь Смоляниновы, образование высокотемпературных куперовских пар станет возможным при включении метаматериалов в обычные сверхпроводники. Речь может идти о чередовании слоев двух материалов или введении в сверхпроводник наночастиц метаматериалов вроде титаната стронция. Во втором варианте потребовалось бы, чтобы среднее расстояние между наночастицами было ниже так называемого масштаба корреляции пар электронов в сверхпроводнике, который составляет порядка 100 нанометров.
По словам ученых, в настоящий момент проводятся опыты, которые позволят проверить их теорию. Они надеются, что в результате можно будет, по меньшей мере, получить новые сверхпроводники, чья критическая температура была бы выше точки кипения азота (77 К).
