Сверхпроводимость позволяет электрическому току протекать без потерь, обеспечивая нулевое сопротивление. В обычных материалах электроны сталкиваются с атомами, рассеивая энергию. Однако в сверхпроводниках электроны формируют так называемые куперовские пары и движутся согласованно. Это уникальное свойство открывает перспективы для создания мощных магнитов, медицинского оборудования, ускорителей частиц и передовых вычислительных систем.
Высокие требования как преграда
Главной сложностью остается необходимость экстремально низких температур для появления сверхпроводимости, которая легко разрушается дефектами. Примеси дробят сверхпроводящее состояние на изолированные области. Парадоксально, но именно внутри этих дефектных участков куперовские пары способны возникать при более высоких температурах. Создается проблема: беспорядок усиливает сверхпроводимость локально, но препятствует ее распространению по всему объему материала.
Прорывное решение: объединение чистоты и беспорядка
Международная команда исследователей, включающая специалистов из НИУ ВШЭ, Московского центра перспективных исследований и Университета Пернамбуку, предложила эффективный подход. Ученые изучили двухзонную модель, объединяющую неупорядоченную подсистему, где сверхпроводимость возникает локально при повышенных температурах, и чистую, менее сильную, но обеспечивающую связность материала. Их взаимодействие генерирует особый "квантовый клей", соединяющий изолированные сверхпроводящие островки в единое целое, что позволяет току течь без потерь при более высоких температурах.
Трансформация недостатков в преимущества
«Расчеты демонстрируют: при грамотной интеграции областей с разной степенью дефектности материал обретает одновременно высокую температуру перехода и нулевое сопротивление. Традиционно беспорядок подавляет сверхпроводимость, но мы наблюдаем обратный эффект: дефекты становятся ресурсом для создания стабильных высокотемпературных сверхпроводников», — поясняет один из ведущих авторов, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Алексей Вагов.
Широкие перспективы применения метода
Предложенная стратегия доказала эффективность для различных типов неупорядоченности, включая случайные примеси и искусственные сверхрешетки. Особенно перспективны многослойные структуры с чередованием слоев, соединения магния и бора (MgB₂) с их специфическими электронными зонами, а также материалы с плоскими электронными зонами. Прорывная методология также открывает новые возможности для систем на основе графена и графита, где формируемые регулярные сверхструктуры способны кардинально усилить сверхпроводящие характеристики.
Основа для инновационных материалов будущего
Эта работа кардинально меняет подход к проектированию сверхпроводников, показывая, что контролируемое введение дефектов может стать ключом к достижению сверхпроводимости при практических температурах. Исследование открывает путь к созданию материалов нового поколения, в которых структурные несовершенства не ослабляют, а существенно усиливают сверхпроводящие свойства.
Научный проект выполнен при поддержке гранта Российского научного фонда и Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. Для проведения сложных вычислений использовались ресурсы суперкомпьютеров университета.
