В мире науки давно ищут решение, как добиться передачи электричества без потерь, особенно при температурах, близких к обычным условиям. Сегодня сверхпроводимость — уникальное свойство некоторых материалов проводить ток без сопротивления — все ещё остаётся малодоступной «привилегией» лабораторий из-за необходимости сильного охлаждения. Однако последние открытия российских и зарубежных исследователей внушают оптимизм: возможно, эра сверхэффективных и доступных для всех технологий уже не за горами.
Глобальная задача: сделать сверхпроводимость доступной и надёжной
Традиционные сверхпроводники требуют экстремально низких температур (ниже минус 140 °C), чтобы ток циркулировал без сопротивления. В этих условиях электроны движутся по кристаллической решётке материала совершенно свободно, а энергия не рассеивается в виде тепла. Именно по этой причине сверхпроводящие катушки широко используются для создания мощных и стабильных магнитных полей в медицинских приборах — например, в аппаратах МРТ. Кроме того, такие материалы перспективны для энергосетей будущего и сверхбыстрой электроники. Главный барьер: как поднять рабочую температуру сверхпроводников, чтобы их можно было внедрить в повседневную жизнь?
Роль дефектов: от помехи к инструменту совершенства
Группа учёных из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из МИФИ, МФТИ и Федерального университета штата Пернамбуку в Бразилии подошли к проблеме с неожиданной стороны. Вместо того чтобы стараться создать идеально чистые материалы, исследователи предложили управлять самим «беспорядком» — структурными дефектами внутри кристаллической решётки.
Дефекты обычно воспринимаются как источник проблем: примеси, пропуски или лишние атомы и искажения приводят к затруднениям в движении электронов, снижая эффективность сверхпроводимости. Но полностью избавиться от них, особенно в сложных материалах, практически невозможно. Ключевая идея новой работы в том, чтобы не устранять дефекты, а строго контролировать их расположение и структуру. Такой подход называется коррелированным беспорядком.
Гармония внутри хаоса: коррелированный беспорядок
Чтобы понять суть этого явления, профессор Алексей Вагов из МИЭМ ВШЭ приводит яркую аналогию: «Если представить большую группу людей, движущихся в разные стороны без всякой системы, — это хаотичный беспорядок. Но если все они начинают двигаться по сложной и согласованной схеме танца, то это уже коррелированный хаос». В сверхпроводнике коррелированный беспорядок означает, что дефекты распределены по определённому закону, их расположение не случайно, и, как ни удивительно, это способствует единовременному включению сверхпроводимости во всём материале!
Компьютерное моделирование: неожиданные открытия
Команда учёных провела моделирование двумерной сверхпроводящей системы, где дефекты распределялись от случайных до строго взаимосвязанных. В материале с некоррелированным, случайным беспорядком сверхпроводимость всегда проявляется поэтапно: сначала в отдельных «островках», которые соединяются только при дальнейшем снижении температуры. Но если хаос становится управляемым — то есть дефекты размещаются не случайно, а структурно — сверхпроводящее состояние охватывает систему целиком разом.
Это открытие радикально меняет подход к созданию новых материалов. Учёные впервые показали, что определённое распределение примесей и отклонений не только не вредит, а даже способствует наступлению единого сверхпроводящего состояния при более высоких температурах. В будущем такие материалы могут пригодиться для создания сверхпроводящих плёнок, в которых заранее заданная структура дефектов позволит точно прогнозировать их поведение и свойства.
Оптимистичный взгляд в будущее сверхпроводящих технологий
Алексей Вагов отмечает: «Если мы научимся точно управлять расположением дефектов на уровне материала, то сможем создавать сверхпроводники, устойчивые к гораздо более высоким температурам. Теоретически, это сулит появление сверхпроводимости даже при комнатных условиях — а значит, технологии станут гораздо доступнее и смогут войти в обыденную жизнь».
Фантастические перспективы открываются не только в науке, но и в промышленности, энергетике, медицине и транспорте: от магистральных линий и умных городов до новых, более быстрых компьютеров и медицинских сканеров следующего поколения. Перспектива экономии энергии и минимизации потерь может радикально снизить нагрузку на окружающую среду.
Поддержка научного прогресса и вклад международной кооперации
Этот значительный прорыв стал возможен благодаря поддержке исследовательских грантов государственных и университетских фондов, а также благодаря тесному сотрудничеству между ведущими научными коллективами России и Бразилии. В работе принимали участие не только специалисты из МИЭМ ВШЭ, но и учёные МИФИ, МФТИ, а также Федерального университета штата Пернамбуку — одного из ключевых центров физики в Южной Америке.
Таким образом, исследования подтверждают: оптимистичные идеи, творческий подход и командная работа способны приближать технологическое будущее уже сегодня. Совместные проекты раздвигают границы возможного, а опыт международных коллективов — залог новых революционных решений в науке и инженерии.
Возможно, уже через несколько лет мы увидим первые сверхпроводники, стабильно работающие при обычных температурах, а энергетика без потерь и сверхбыстрые вычислительные устройства станут частью реального мира. Прогресс, достигнутый командой Алексея Вагова и их коллег, открывает дорогу к этой удивительной реальности.
