Сверхпроводимость при 100K в никелате лантана-неодима: прорыв в физике

Учёные достигли сверхпроводимости при температуре 100 К (−173 °C) в соединении La₃₋ₓNdₓNi₂O₇. Это открытие приближает создание сверхпроводников, работающих при температурах, доступных для практического использования.

Сверхпроводимость при 100 К (−173 °C) впервые достигнута в никелате лантана-неодима La₃₋ₓNdₓNi₂O₇. Это результат, который физики ждали десятилетиями: температура перехода почти вдвое выше, чем у предшествующих никелатных сверхпроводников, и приближается к показателям знаменитых купратов. Работа опубликована в журнале Nature и уже признана одним из самых значимых событий в физике конденсированного состояния за последние годы.

Почему это важно? Сверхпроводники — материалы, проводящие электричество без сопротивления, — обещают революцию в энергетике, транспорте и медицине. Однако до сих пор все известные сверхпроводники требовали экстремально низких температур (обычно ниже −200 °C), что делало их применение дорогим и ограниченным. Новый материал работает при температуре, достижимой с помощью жидкого азота (кипит при −196 °C), что открывает путь к практическим технологиям.

Прорыв в никелатах: как достигли 100 К

Группа исследователей из Китайской академии наук и Стэнфордского университета синтезировала тонкие плёнки La₃₋ₓNdₓNi₂O₇ с частичным замещением лантана неодимом (x ≈ 0,1). Ключевым фактором стало точное контролирование стехиометрии и кристаллической структуры: плёнки выращивались методом импульсной лазерной абляции на подложках из титаната стронция (SrTiO₃) с ориентацией (001).

Измерения электросопротивления и магнитной восприимчивости показали резкий переход в сверхпроводящее состояние при 100 К. Для сравнения: предыдущий рекорд для никелатов составлял около 80 К (в соединении Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), а для купратов — 138 К (HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ при высоком давлении). Новый результат ставит никелаты в один ряд с купратами, но с важным отличием: никелаты содержат ионы никеля, а не меди, что указывает на возможные новые механизмы сверхпроводимости.

Предыстория и контекст

Интерес к никелатам возник после 2019 года, когда впервые была обнаружена сверхпроводимость в Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂ (температура перехода около 15 К). С тех пор учёные активно искали способы повысить критическую температуру, экспериментируя с составом, давлением и структурой. Теоретические модели предсказывали, что в никелатах с определённой электронной конфигурацией может реализоваться механизм, аналогичный купратному, но с более высокой температурой перехода.

La₃Ni₂O₇ — соединение с двойными слоями NiO₂ — давно рассматривалось как перспективный кандидат. Добавление неодима позволило оптимизировать расстояние между слоями и электронную плотность, что, по-видимому, и привело к резкому росту критической температуры. Это открытие также подтверждает теоретические расчёты, предсказывающие возможность сверхпроводимости в никелатах при температурах выше 90 К.

Как это работает?

Сверхпроводимость в никелатах, как и в купратах, объясняется спариванием электронов в так называемые куперовские пары. Однако механизм спаривания остаётся предметом дискуссий: предполагается, что ключевую роль играют магнитные флуктуации, а не фононы, как в обычных сверхпроводниках. В La₃₋ₓNdₓNi₂O₇ важную роль играет гибридизация орбиталей никеля и кислорода, а также сильные электронные корреляции.

Эксперименты показали, что сверхпроводимость возникает в узком диапазоне допирования (x от 0,05 до 0,15) и исчезает при отклонении от оптимального состава. Это указывает на чувствительность к электронной структуре и подтверждает, что механизм нетривиален. Дальнейшие исследования с помощью фотоэмиссионной спектроскопии и нейтронного рассеяния должны пролить свет на точную природу спаривания.

Технические подробности: как измеряли сверхпроводимость

Для подтверждения сверхпроводимости исследователи использовали несколько методов. Во-первых, измерение электросопротивления четырёхзондовым методом показало падение сопротивления до нуля при 100 К. Во-вторых, измерения магнитной восприимчивости выявили диамагнитный отклик (эффект Мейсснера), что является однозначным признаком сверхпроводимости. В-третьих, удельная теплоёмкость показала аномалию при температуре перехода, что также подтверждает фазовый переход.

Образцы были охарактеризованы с помощью рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Это позволило убедиться, что плёнки имеют правильную кристаллическую структуру (тетрагональная фаза с параметрами a = 3,86 Å, c = 20,4 Å) и отсутствуют примесные фазы. Точность контроля состава составила ±0,01, что критически важно для воспроизводимости.

Кого затронет и как

Открытие имеет прямое значение для физиков, изучающих сверхпроводимость, и для инженеров, разрабатывающих сверхпроводящие устройства. Если никелаты удастся синтезировать в виде объёмных образцов (сейчас — только тонкие плёнки), это может привести к созданию кабелей, магнитов и квантовых вычислительных элементов, работающих на жидком азоте. Это значительно дешевле, чем гелиевое охлаждение, используемое для традиционных сверхпроводников.

Для России и СНГ, где активно развиваются программы по квантовым технологиям (например, в МГУ и Курчатовском институте), это открытие открывает новые направления для исследований. Однако важно отметить, что пока материал существует только в виде микронных плёнок, и до практического применения далеко. Тем не менее, это стимулирует развитие методов синтеза и характеризации.

Что будет дальше

Ожидается, что в ближайшие годы учёные сосредоточатся на воспроизведении результата в других лабораториях, а также на попытках повысить критическую температуру до 120–150 К. Возможные пути — изменение состава (например, замена неодима на празеодим или самарий), оптимизация давления (известно, что в купратах давление повышает Tc) и создание многослойных структур.

Также предстоит выяснить, можно ли синтезировать объёмные образцы La₃₋ₓNdₓNi₂O₇, что потребует высокого давления (порядка 10–20 ГПа) для стабилизации фазы. Если это удастся, никелаты могут стать основой для новых промышленных сверхпроводников. Параллельно будут проводиться теоретические исследования для точного описания механизма спаривания.

Итог

Сверхпроводимость при 100 К в никелате лантана-неодима — это значительный шаг к созданию материалов, работающих при доступных температурах. Хотя до практического применения ещё далеко, это открытие подтверждает, что никелаты — перспективный класс сверхпроводников, способный конкурировать с купратами. Следите за развитием событий: в ближайшие годы нас ждут новые эксперименты и, возможно, новые рекорды.