Какой сорт вина лучше индуцирует сверхпроводимость?

Рис. 1. Вина, участвовавшие в эксперименте. Слева направо: «Божоле», «Мерло», «Каберне Совиньон», «Пино Нуар», «Санджовезе», «Бон Марше»

На сегодняшний день известно два способа из несверхпроводящего вещества создать сверхпроводник: первый — заменить часть атомов вещества атомами другого элемента, второй — сжать вещество до определённого давления. Японские исследователи обнаружили, что получить сверхпроводимость можно, если предварительно продержать образец в течение суток в красном вине. При этом, как показали исследования, лучше всего с этой задачей справляется вино «Божоле» (сорт «Гамэ»). Результаты экспериментов могут быть использованы для поиска материала, сверхпроводящего при комнатной температуре.

Феномен сверхпроводимости известен уже чуть более ста лет (см. Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей, «Элементы», 08.04.2011). Фактически вся история изучения этого явления так или иначе вращалась и продолжает вращаться вокруг стремления учёных получить сверхпроводник, который работал бы при комнатной температуре. Преимущества такого сверхпроводника очевидны. Но сначала напомним, что такое сверхпроводимость.

Сверхпроводимость возникает в металлах, когда их температура опускается ниже характерного только для данного вещества порога, известного как критическая температура T_c. Металл приобретает нулевое электрическое сопротивление и становится абсолютно непроницаемым для внешнего магнитного поля, или, как говорят физики, обладает идеальным диамагнетизмом. Одновременное сосуществование этих двух свойств и называют сверхпроводимостью.

Разумеется, сразу после открытия сверхпроводимости стали рождаться заманчивые идеи создания линий электропередач, способных передавать электроэнергию без потерь, и невероятно мощных магнитов. Однако, как показали дальнейшие исследования, сверхпроводящими материалы становятся только при очень низких температурах, получение и поддержание которых довольно хлопотно и затратно. Даже после того, как в 1957 году была создана теория БКШ (названная так по первым буквам в фамилиях её создателей, нобелевских лауреатов Бардина, Купера и Шриффера), объяснившая природу сверхпроводимости, наибольшая критическая температура, которой могли похвастаться физики, составляла всего лишь 23 кельвина (или –250°С).

Больше всего не давал покоя физикам тот факт, что теория БКШ не запрещала существование значительно более «горячих» сверхпроводящих материалов, критическая температура которых могла бы быть на уровне комнатной и даже выше. Поэтому, когда после многих лет поисков в 1986 году физики совершенно случайно обнаружили сверхпроводник, T_c которого сразу подпрыгнула на 7 кельвинов, учёные настолько обрадовались этому, что назвали его высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП).

Дальше — больше. Спустя каких-то полгода был синтезирован материал, который становился сверхпроводящим уже при 90 К. Были получены и другие ВТСП с ещё более высокой T_c. Специалистам стало казаться, что ещё немного усилий — и вот она, долгожданная комнатнотемпературная сверхпроводимость. Но радоваться было рано. Практически одновременно с открытием высокотемпературной сверхпроводимости обнаружилось, что механизм её возникновения не укладывается в рамки привычной теории БКШ. Из-за этого несоответствия становилась туманной дальнейшая стратегия поисков ВТСП. Проще говоря, не было понятно, какие же вещества и с какими параметрами необходимо задействовать, чтобы добиться ещё более высокой T_c, тем самым приблизившись к желанной комнатной температуре?

На тот момент хорошо известно было лишь то, что для получения ВТСП необходимо, чтобы в его химическом составе обязательно присутствовала медь. Ещё одним неотъемлемым условием возникновения сверхпроводимости с высокой критической температурой было допирование вещества сторонними элементами. Допирование — это частичное замещение одного из элементов сверхпроводника другим элементом. Например, один из первых обнаруженных высокотемпературных сверхпроводников La₂CuO₄ становится сверхпроводящим при T_c = 40 K, если часть атомов лантана (La) заменить атомами стронция (Sr): La_1,85Sr_0,15CuO₄. Значение 0,15 называется оптимальным уровнем допирования (отклонение в большую или меньшую сторону приводит к понижению температуры, а затем и к исчезновению сверхпроводимости.

Помимо этого обнаружилось, что ВТСП можно получить, если наряду с допированием (или вообще без допирования) сжать вещество. Причём рост T_c не происходит по принципу «сильнее сжали — более высокую T_c получили». Для каждого ВТСП существует своё значение давления, при котором критическая температура максимальна.

Собственно, так и возникла проблема высокотемпературной сверхпроводимости — создание теории, объясняющей, за счёт каких внутренних процессов, происходящих в веществе, оно является или не является ВТСП.

Надежда на решение этой задачи замаячила перед учёными, когда в 2008 году было обнаружено ещё одно семейство ВТСП — сверхпроводников на основе железа (см. Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников, «Элементы», 12.05.2008). Теперь у учёных появилась возможность сравнить характеристики медных и железных ВТСП, выяснить роль этих двух элементов в появлении высокотемпературной сверхпроводимости и наконец приблизиться к решению данной проблемы. В настоящее время учёные располагают точными сведениями, что, как и в случае с медными сверхпроводниками, получить высокотемпературную сверхпроводимость на основе железа можно двумя способами — допированием и сжатием; иногда целесообразно их комбинированное использование.

В 2010 году «Элементы» сообщали о том, что в «инструментарий» получения высокотемпературной сверхпроводимости в железных сверхпроводниках добавился ещё один способ (см. Получено независимое подтверждение индуцирования сверхпроводимости водой, «Элементы», 16.09.2010). Группа японских исследователей обнаружила, что нагревание изначально несверхпроводящего поликристалла на основе железа FeTe_0,8S_0,2 (здесь соединение FeTe допировано серой) в различных алкогольных напитках (таких как пиво, саке, виски, сётю и красное вино) приводит к возникновению в нём сверхпроводимости. Если судить по объёму вещества, ставшего сверхпроводящим, то лучше всего индуцирует сверхпроводимость красное вино.

Вдохновившись этими результатами, японские ученые продолжили свои изыскания, вдвое расширив число участников исследовательской группы. Теперь они задались вопросом: почему именно красное вино является самым сильным «стимулятором» сверхпроводимости в поликристаллическом образце FeTe_0,8S_0,2? Свои результаты они представили в статье Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe0.8S0.2, которая недавно появилась в Архиве электронных препринтов.

Для ответа на поставленный вопрос авторы публикации вооружились шестью сортами красного вина: «Гаме» (из него делают вино «Божоле») урожая 2009 года (Beaujolais, 2009, Paul Beaudet), «Мерло» 2010 года (Les Tannes Tradition Merlot, 2010, Jean-Claude Mas), «Каберне Совиньон» 2010 года (Les Tannes Tradition Cabernet Sauvignon, 2010, Jean-Claude Mas), «Пино Нуар» 2009 года (Bourgogne Pinot Noir, 2009, Maison Jean-Philippe Marchand), «Санджовезе» 2009 года (Larinum Sangiovese Daunia, 2009, Caldora s.r.l.) и в качестве стандартного красного вина взяли вино «Бон Марше» (смесь из нескольких сортов винограда) 2010 года японской корпорации Mercian (Bon Marche, 2010, Mercian Corporation).

Условия эксперимента остались прежними. Поликристаллы FeTe_0,8S_0,2 выдерживались в течение 24 часов в красном вине, нагретом до температуры 70°С. Наступление сверхпроводимости фиксировалось как момент резкого падения магнитной восприимчивости материала (напомним, что это один из признаков сверхпроводимости), находящегося в слабом магнитном поле с индукцией 0,001 Тл.

Основываясь на данных магнитных измерений, учёные рассчитали, какая часть вещества трансформировалась в сверхпроводящую фазу при использовании данных сортов красного вина. Оказалось, что наибольший объём сверхпроводящего материала создаёт «Божоле»: в процентном соотношении эта величина достигает 93,6%. Второе место досталось «Мерло» с 82,8%, после него расположились «Каберне Совиньон», «Пино Нуар», «Санджовезе» и «Бон Марше», с помощью которых удалось индуцировать сверхпроводимость в 80,4, 75,2, 71,5 и 61.7% объёма FeTe_0,8S_0,2 соответственно. Суммарные результаты экспериментов представлены на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма, показывающая, какой процент поликристалла FeTe_0,8S_0,2 перешёл в сверхпроводящее состояние (ось ординат) после выдерживания в различных сортах красного вина. На нижней части диаграммы приведены данные из предыдущих экспериментов, в которых использовались коммерческие алкогольные напитки и обычные смеси этанола с водой. По оси абсцисс отложены концентрации алкоголя в напитках. Изображение из обсуждаемой статьи arXiv:1203.4503

Данная диаграмма демонстрирует также результаты вышеупомянутых предыдущих исследований, когда стимуляция сверхпроводимости осуществлялась другими коммерческими алкогольными напитками, а также смесью воды с этанолом в различных концентрациях.

Проанализировав полученные данные и проведя некоторые дополнительные измерения, учёные пришли к выводу, что причина, по которой красное вино индуцирует сверхпроводимость в FeTe_0,8S_0,2, скорее всего, заключается в винной кислоте. Как отмечают авторы публикации, их вывод не является окончательным, а потому несомненно предстоят дальнейшие исследования.

В заключение хотелось бы заметить, что хотя эта работа и не прояснила природу высокотемпературной сверхпроводимости, однако есть вероятность, что она указала путь для решения этой проблемы. Более того, не исключено, что для создания сверхпроводника с комнатной критической температурой нужно всего лишь использовать хорошее вино. Может быть, действительно — in vino veritas?

Источник: Keita Deguchi, Tohru Okuda, Yasuna Kawasaki, Hiroshi Hara, Satoshi Demura, Tohru Watanabe, Hiroyuki Okazaki, Toshinori Ozaki, Takahide Yamaguchi, Hiroyuki Takeya, Fumie Saito, Masashi Hisamoto, Yoshihiko Takano. Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe0.8S0.2 // препринт arXiv:1203.4503 (20 марта 2012).

Юрий Ерин