Миассит: минерал из Челябинска – белая ворона в мире сверхпроводников

Группе исследователей из Эймсской лаборатории удалось совершить прорыв в области физики сверхпроводников. Они идентифицировали минерал миассит как первый известный нетрадиционный сверхпроводник, встречающийся в природе. Результаты этого открытия были опубликованы в журнале Communications Materials .

Сверхпроводимость — это уникальное квантовое явление, при котором материал полностью теряет электрическое сопротивление при охлаждении ниже определённой критической температуры. Сверхпроводники имеют множество практических применений: от создания мощных электромагнитов для МРТ до разработки перспективных квантовых компьютеров. Однако большинство из них демонстрируют сверхпроводимость только при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю.

В 1980-х годах учёные открыли новый класс «нетрадиционных» сверхпроводников, способных проявлять сверхпроводящие свойства при значительно более высоких температурах. Долгое время считалось, что такие материалы могут быть получены только искусственным путём в лабораторных условиях. Открытие миассита опровергло это убеждение.

Миассит имеет сложную кристаллическую структуру и необычный химический состав: Rh17S15. По словам Руслана Прозорова из лаборатории, этот минерал интересен именно благодаря своей уникальной формуле. «Интуитивно кажется, что такое вещество могло быть получено только в результате целенаправленного лабораторного синтеза. Но, как выяснилось, миассит встречается и в природе», — отметил учёный.

Чтобы изучить свойства материала, команде потребовались высококачественные кристаллы миассита. Их синтезом занимался профессор Пол Кэнфилд. «Хотя миассит и был впервые обнаружен в окрестностях реки Миасс в Челябинской области России, в природе он встречается крайне редко и обычно не образует крупных кристаллов», — поясняет он.

Полученные образцы миассита были подвергнуты тщательному анализу с применением криогенных установок, способных создавать сверхнизкие температуры около -460°F (-273°C). С помощью трех разных экспериментальных методик команда Прозорова установила, что при охлаждении ниже критической температуры миассит демонстрирует отклонения от поведения, характерного для конвенциональных сверхпроводников.

Ключевым экспериментом стало измерение так называемой «Лондоновской глубины проникновения» — расстояния, на котором слабое магнитное поле проникает внутрь сверхпроводника. Для обычных сверхпроводников эта величина остаётся постоянной при низких температурах, а для нетрадиционных изменяется линейно при охлаждении.

Помимо этого, исследователи изучили влияние искусственно введённых дефектов в кристаллической структуре минерала. Как известно, нетрадиционные сверхпроводники очень чувствительны к такого рода нарушениям, хотя обычные практически не реагируют на них. В случае миассита создание дефектов серьёзно сказывалось на критической температуре и критическом магнитном поле, что полностью соответствует ожиданиям ученых.

По словам Прозорова, детальное изучение подобных материалов имеет большое значение для понимания фундаментальных механизмов высокотемпературной сверхпроводимости:

«Раскрытие секретов нетрадиционной сверхпроводимости — ключ к созданию более доступных и экономичных сверхпроводящих технологий будущего».

Открытие первого природного нетрадиционного сверхпроводника не только опровергло распространённое заблуждение, но и дало новый импульс исследованиям в области физики конденсированного состояния.