Ученые выяснили, как организованный беспорядок усиливает сверхпроводимость

Сверхпроводимость — особое состояние материала, при котором электрический ток проходит через него без потерь энергии. Обычно в материалах с дефектами она возникает при очень низких температурах и в несколько этапов. Международная команда ученых, включая физиков МИЭМ ВШЭ, показала: если дефекты распределены внутри материала не случайно, а по определенной схеме, сверхпроводимость возникает при более высокой температуре и охватывает весь материал. Данные могут помочь в создании сверхпроводников, работающих без экстремального охлаждения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Сверхпроводимость — это состояние, при котором электрический ток течет через материал без потерь энергии. В обычных проводниках часть энергии уходит в тепло, а в сверхпроводниках этого не происходит: ток движется свободно и не ослабевает. Их уже применяют, например, в аппаратах МРТ, где сверхпроводящие катушки используют для создания магнитных полей. В будущем их также могут внедрять в системы, где важна передача энергии без потерь и быстрая обработка сигналов. Сложность в том, что почти все сверхпроводники работают только при температурах ниже −140 °C, что ограничивает их применение на практике. И чтобы сделать сверхпроводники стабильнее, физики ищут способы повысить их рабочую температуру.
Исследователи из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из МИФИ, МФТИ и Федерального университета штата Пернамбуку (Бразилия) показали, что сверхпроводимость можно сделать устойчивее, если управлять расположением дефектов. Дефекты — это отклонения от идеальной кристаллической решетки материала: лишние или пропущенные атомы, примеси, искажения. Обычно они мешают движению электронов и ослабляют сверхпроводимость, но избавиться от них полностью невозможно, особенно в многокомпонентных материалах. Ученые предложили не устранять их, а выстраивать по закономерности. Такое распределение дефектов называется коррелированным беспорядком.
Алексей Вагов
«Представьте толпу людей, хаотично движущихся в разные стороны, — это классический беспорядок. А теперь вообразите, что те же люди двигаются по сложной, но скоординированной схеме, как в массовом танце, — так выглядит коррелированный хаос, — рассказывает профессор Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова Алексей Вагов. — Оказалось, что в сверхпроводниках такой беспорядок приводит к тому, что дефекты начинают способствовать сверхпроводимости».

Обычно в материалах с дефектами сверхпроводимость возникает в два этапа. Сначала появляются локальные участки, где сверхпроводимость только зарождается, а затем, при понижении температуры, эти участки соединяются, и ток может течь через весь образец. Ученые смоделировали двумерный сверхпроводник с разным распределением дефектов — от случайного до коррелированного, где примеси связаны друг с другом. Результаты показали, что, если беспорядок в материале не хаотичный, а упорядоченный, переход происходит сразу: сверхпроводимость возникает по всей системе одновременно.
Ученые считают, что данные будут полезны при разработке тонких сверхпроводящих пленок, структура которых во многом похожа на ту, что использовалась в модели. При синтезе таких пленок можно заранее задать, где именно будут находиться дефекты, — это удобно и для проверки теории, и для того, чтобы создавать материалы с заданными свойствами.
«Управление расположением дефектов на микроскопическом уровне может помочь создавать сверхпроводники, работающие при гораздо более высоких температурах — возможно, даже при комнатной. Тогда сверхпроводимость перестанет быть редкостью из лабораторий и сможет применяться в обычных устройствах», — комментирует Алексей Вагов.
Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки 075-15-2025-010 и Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в рамках проекта «Центры превосходства».
Вам также может быть интересно:
От спинов и двумерных материалов до цунами и торнадо: что изучают физики Вышки
Международная лаборатория физики конденсированного состояния изучает сложнейшие процессы взаимодействия молекул и атомов твердых и жидких веществ, квантовую механику этих процессов и тончайшие двумерные материалы. Физики Вышки совместно с коллегами из ведущих академических институтов исследуют свойства сверхпроводников и топологических материалов, явления при сверхнизких температурах, проблемы турбулентности и гидродинамики.
Как правильно монетизировать научные разработки
Грамотная коммерциализация научных исследований, предполагающая их трансформацию в реальные разработки и новые продукты и получение дохода от интеллектуальной собственности, способствует трансферу передовых технологий в экономику и государственное управление, стимулирует творческую энергию ученых и укрепляет материальную базу научных лабораторий и университетов. Коммерциализация не ограничивается инженерными и ИТ-направлениями, она может быть результативной для исследований в разных науках, в том числе социальных и гуманитарных. Важно, чтобы университет сохранил роль одного из лидеров в коммерческом использовании научных результатов.
Четвертый фестиваль робототехники состоится в НИУ ВШЭ
С 1 по 3 апреля в кампусе НИУ ВШЭ на Покровке пройдет IV Фестиваль робототехники — одно из ключевых событий факультета компьютерных наук Вышки для всех, кто увлечен робототехникой, программированием и инженерным творчеством. Фестиваль объединит соревнования по робототехнике, дискуссии, образовательные форматы и демонстрацию разработок.
Новая разработка ученых ВШЭ поможет быстрее и дешевле спроектировать надежную электронику
Российские ученые из МИЭМ ВШЭ разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.
Эпоха перемен: как исследования ЦСКИ помогают понять Россию
Сотрудники Центра социокультурных исследований НИУ ВШЭ сочетают фундаментальную и прикладную науку. О деятельности центра новостная служба «Вышка.Главное» побеседовала с его директором, доктором психологических наук Александром Татарко, научным руководителем, доктором психологических наук, профессором Надеждой Лебедевой, и главным научным сотрудником Викторией Галяпиной.
Ученые ВШЭ узнали, какой стиль обучения выбирают отличники онлайн-образования
Эксперты НИУ ВШЭ проанализировали цифровые следы студентов и впервые показали, что итоговые оценки зависят от личного стиля прохождения онлайн-курса. Сбалансированный тип учеников оказался успешнее традиционного и практико-ориентированного. Результаты работы помогут в создании адаптивных индивидуальных образовательных систем. Работа опубликована в журнале The Internet and Higher Education.
Кардиология нового поколения: ИИ, генетика и персонализированная медицина
Более 400 специалистов из России и зарубежных стран приняли участие в конгрессе «Генетика и сердце», который прошел в НИУ ВШЭ. Эксперты обсудили последние достижения клинической и молекулярной кардиологии, новые подходы к ведению редких заболеваний, проблемы редактирования генома и роль искусственного интеллекта в интерпретации медицинских и генетических данных. Ключевой темой стало практическое внедрение генетических знаний в рутинную клиническую практику.
Ученые НИУ ВШЭ примут участие в работе Российско-китайского института фундаментальных исследований
В Китае дан старт работе Российско-китайского института фундаментальных исследований. В его состав вошли исследовательские центры по математике, физике, химии, науках о жизни и науках о Земле, в их работе будут участвовать ученые НИУ ВШЭ. Также в рамках конференции был представлен проект «Россия и Китай: математика» по изданию 100 учебников и монографий в течение десяти лет. Членами редколлегии стали представители НИУ ВШЭ Иван Аржанцев и Сергей Ландо.
Ученые ВШЭ выявили механизм нарушения липидного обмена в плаценте при преэклампсии
Ученые НИУ ВШЭ обнаружили, что при преэклампсии — одном из самых опасных осложнений беременности — плацента перестраивает липидный обмен, снижая собственный синтез холестерина и усиливая его передачу плоду. Этот компенсаторный механизм помогает сохранить питание ребенка, но ускоряет изнашивание плаценты и может приводить к преждевременным родам. Результаты работы опубликованы в международном журнале Frontiers in Molecular Biosciences.
«Наша задача — в создании лазеров как носителей информации»
Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге занимается разработкой полупроводниковых микролазеров. Создаваемые лабораторией компоненты и системы также обеспечивают высокую скорость передачи и обработки данных. «Вышка.Главное» обсудила перспективы и направления исследований лаборатории с ее руководителем — доктором физико-математических наук Натальей Крыжановской.


