Ученые Калифорнийского Института Технологии – КалТех (California Institute of Technology – CalTech) впервые в истории создали матрицу нанопроводов, которые имеют сверхпроводимость при относительно высоких температурах. Эти результаты могут привести к разработке новых систем со сверхпроводящим монтажом электронных контуров, в частности, к созданию нового поколения сверхчувствительных измерителей магнитных полей.

Исследователи во всем мире давно, но безуспешно работают над созданием сверхпроводящих проводов. Некоторое количество работ посвящено исследованиям в области материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью. Но до настоящей работы никто не смог изготовить нанопровода из подобных материалов. Эта работа, опубликованная в журнале Nano Letters (Ke Xu and James R. Heath. Long, Highly-Ordered High-Temperature Superconductor Nanowire Arrays,–Nano Lett., 2008, 8 (11), pp 3845–3849. DOI: 10.1021/nl802264×).

По словам химика Джеймса Хита (James Heath) – ведущего автора опубликованных материалов, до начала эксперимента, они даже не представляли себе, что могут обнаружить, может ли высокотемпературная сверхпроводимость быть получена в длинных очень тонких проводах, может ли она поддерживаться достаточно долго. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы очень трудно получить как наноструктуры, поскольку требуется управлять их кристаллической структурой и другими свойствами, чего очень трудно добиться.

Высокотемпературные сверхпроводящие материалы часто более предпочтительны, чем традиционные сверхпроводники, поскольку они работают при температурах выше точки кипения азота (77 К). Хотя это все еще ультра-низкие температуры, если судить по повседневным стандартам, эти температуры гораздо легче получать в лабораторных условиях, поскольку жидкий азот, который используют для охлаждения сверхпроводящих материалов, достаточно широко коммерчески распространен, относительно недорог, и приемы работы с ним хорошо известны. Указанные обстоятельства делают высокотемпературные сверхпроводящие материалы подходящими для целого ряда приложений.

Несмотря на множество трудностей группа Дж. Хита изготовила нанопровода из широко известного высокотемпературного сверхпроводника – оксида меди, известного как YBCO (Yttrium barium copper oxide). Химическая формула YBCO – YBa2Cu3O7-x.; соединение это хорошо известно как высокотемпературный сверхпроводник, исторически первый материал со сверхпроводимостью при температурах выше точки кипения азота. Для YBCO критическая температура составляет 93 К.

Нанопровода, изготовленные из полосок YBCO, были объединены в матрицы- до 400 проводов в каждой и параллельно выровнены. Металлические контакты подводились перпендикулярно к проводам, что позволяло легко измерять их электрические свойства.

Матрица нанопроводов, изготовленных из YBCO

Испытывали нанопровода диаметром 10 нм (много меньше глубины проникновения магнитного поля) при зазорах между ними порядка 20 нм, а длина проводов доходила до 200 мкм. Критическая температура (температура, ниже которой наблюдается сверхпроводимость материала) зависит от размеров проводов. Хотя во всех случаях критическая температура YBCO находилась выше точки кипения азота, тем не менее, ширина температурного диапазона, в котором происходит переход к сверхпроводимости, меняется в зависимости от диаметра проводов. С уменьшением диаметра ширина температурного диапазона расширяется. Например, провода диаметром 10 нм – имеют температуратурный диапазон перехода 20 К, а провода размером 20 нм- всего 10 К.

Благодаря наблюдавшемуся увеличенному переходному диапазону температур, нанопровода, полученные группой Дж. Хита проявляют оба вида свойств- и сверхпроводимость и обычное электрическое сопротивление в широком диапазоне температур – порядка 50 К. Это может оказаться весьма полезным в очень чувствительных нанопроволочных сверхпроводящих квантово-интерференционных магнитометрах, в которых осцилляции сопротивления, вызванные квантово-интерференционными эффектами между двумя проводниками, используются для измерения исключительно малых магнитных полей (сверхпроводящими магнитометрами измеряют компоненты геомагнитного поля, они нашли применение в биофизике, магнетохимии и т.д. Чувствительность сверхпроводящих Магнитометров достигает ~ 10 – 5 нтл).

В настоящее время группа ученых из КалТех работает на задачу будущего- разработку наноматериалов для потенциального увеличения «критического тока» в системах высокотемпературной проводимости – точки, в которой электрический ток становится слишком большим для того, чтобы пройти через проводник без сопротивления.

Евгений Биргер