Высокоэнтропийные сплавы для новых сверхпроводников 16.01.2021

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый сверхпроводник из высокоэнтропийного сплава, используя обширные данные о простых сверхпроводящих веществах с определенной кристаллической структурой. Известно, что высокоэнтропийные сплавы сохраняют сверхпроводящие характеристики до чрезвычайно высоких давлений. Новый сверхпроводник Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 имеет сверхпроводящий переход при 8K, что является относительно высокой температурой для сплавов. Подход команды может быть применен к открытию новых сверхпроводящих материалов с конкретными желательными свойствами.

Прошло более ста лет с момента открытия сверхпроводимости, когда было обнаружено, что некоторые материалы внезапно проявляют минимальное сопротивление электрическим токам ниже температуры перехода. По мере того, как мы изучаем способы устранения потерь энергии, способ значительного сокращения потерь при передаче электроэнергии представляет собой захватывающую перспективу. Но широкое использование сверхпроводимости сдерживается требованиями существующих сверхпроводников, особенно необходимыми низкими температурами. Ученым нужен способ открывать новые сверхпроводящие материалы без грубых проб и ошибок и настраивать ключевые свойства.

Команда, возглавляемая доцентом Йошиказу Мидзугути из Токийского столичного университета, создала "платформу для открытий", которая уже привела к созданию множества новых сверхпроводящих веществ. Их метод основан на высокоэнтропийных сплавах, где определенные позиции в простых кристаллических структурах могут быть заняты пятью или более элементами. После нанесения на термостойкие материалы и медицинские устройства было обнаружено, что некоторые высокоэнтропийные сплавы обладают сверхпроводящими свойствами с некоторыми исключительными характеристиками, в частности, сохранением нулевого удельного сопротивления при экстремальных давлениях. Команда изучает базы данных материалов и передовые исследования и находит ряд сверхпроводящих материалов с общей кристаллической структурой, но с разными элементами в определенных местах. Затем они смешивают и создают структуру, содержащую многие из этих элементов; по всему кристаллу эти "узлы высокоэнтропийных сплавов" заняты одним из смешанных элементов. Им уже удалось создать высокоэнтропийные варианты слоистых сверхпроводников сульфида висмута и теллуридных соединений с кристаллической структурой хлорида натрия.

Ученые сосредоточились на структуре алюминида меди (CuAl2). Соединения, объединяющие элемент переходного металла (Tr) и цирконий (Zr) в TrZr2 с этой структурой, как известно, являются сверхпроводящими, где Tr может быть Sc, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Rh, Pd, Ta или Ir. Команда объединила "коктейль" из этих элементов с помощью дуговой плавки, чтобы создать новое соединение типа высокоэнтропийного сплава, Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2, которое показало сверхпроводящие свойства. Они рассмотрели как удельное сопротивление, так и электронную теплоемкость, количество энергии, используемое электронами в материале для повышения температуры, и определили температуру перехода 8,0 К. Это не только относительно высокое значение для сверхпроводника типа высокоэнтропийного сплава, они подтвердили, что этот материал обладает признаками "объемной" сверхпроводимости.

Самым захватывающим аспектом этого является широкий спектр других переходных металлов и соотношений, которые можно попробовать и настроить для достижения более высоких температур перехода и других желаемых свойств, и все это без изменения основной кристаллической структуры. Команда надеется, что их успех приведет к большему количеству открытий новых сверхпроводников, основанных на высокоэнтропийных сплавах в ближайшем будущем.