Предыдущий рекорд сверхпроводимости в легированном бором алмазе составлял 11 Кельвинов, или минус 439.60 градусов по Фаренгейту. Было обнаружено, что Q-углерод, легированный бором, обладает сверхпроводимостью от 37K до 57K, что составляет минус 356 ° C.80 градусов по Фаренгейту.
«Переход от 11K до 57K – это большой скачок для обычной сверхпроводимости BCS», – говорит Джей Нараян, специалист John C. Фанат, заслуженный профессор кафедры материаловедения и инженерии в штате Северная Каролина и старший автор двух статей с описанием работы. BCS относится к теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера.
Обычные проводящие материалы проводят электричество, но большая часть этой энергии теряется во время передачи. Сверхпроводники могут выдерживать гораздо более высокие токи на квадратный сантиметр и практически не теряют энергию при передаче. Однако сверхпроводники обладают этими желательными свойствами только при низких температурах. Определение способов достижения сверхпроводимости при более высоких температурах – без приложения высокого давления – является активной областью исследования материалов.
Чтобы сделать легированный бором Q-углерод, исследователи покрывают подложку смесью аморфного углерода и бора. Затем смесь поражается одним лазерным импульсом, который длится всего несколько наносекунд. Во время этого импульса температура угля повышается до 4000 Кельвинов, а затем быстро гасится.
«Включая бор в Q-углерод, мы устраняем ферромагнитные свойства материала и придаем ему сверхпроводящие свойства», – говорит Нараян. «До сих пор каждый раз, когда мы увеличивали количество бора, температура, при которой материал сохраняет свои сверхпроводящие свойства, повышалась.
«Этот процесс увеличивает плотность состояний носителей вблизи уровня Ферми», по сравнению с алмазом, легированным бором, – говорит Нараян.
«Преимущество материалов заключается в том, что этот процесс позволяет достичь концентрации бора в углеродном материале, которая намного выше, чем это было бы возможно при использовании существующих методов равновесия, таких как химическое осаждение из паровой фазы», - говорит Нараян. «Используя методы равновесия, вы можете включить бор в Q-углерод только до 2 атомных процентов – два из каждых 100 атомов.
Используя наш неравновесный процесс, основанный на лазере, мы достигли уровня 27 атомных процентов."
Эта более высокая концентрация бора – это то, что придает материалу характеристики сверхпроводимости при более высоких температурах.
«Национальная лаборатория Окриджа подтвердила наши выводы о более высокой плотности состояний с помощью спектроскопии потерь энергии электронов», – говорит Нараян.
«Мы планируем оптимизировать материал, чтобы повысить температуру, при которой он становится сверхпроводящим», – говорит Нараян. «Этот прорыв в области высокотемпературной сверхпроводимости Q-углерода является захватывающим с научной точки зрения, поскольку открывает путь к сверхпроводимости при комнатной температуре в новых прочно связанных, легких материалах.
Сверхпроводимость Q-углерода имеет особое значение для практического применения, поскольку он прозрачный, сверхтвердый и прочный, биосовместимый, устойчивый к эрозии и коррозии. Ничего подобного сегодня не существует.
«Уже существуют гелиевые холодильные системы с замкнутым циклом, предназначенные для использования со сверхпроводниками, которые могут легко достигать температуры до 10К», – говорит Нараян. «Q-углерод, легированный B, может выдерживать до 43 миллионов ампер на квадратный сантиметр при 21 К в присутствии магнитного поля в два Тесла. Поскольку мы продемонстрировали сверхпроводимость при 57 К, это означает, что легированный Q-углерод уже пригоден для применения."