Сверхпроводимость гранулированных нанопроволок Ta–Te, превышающая предел Паули

Проволоки, проводящие ток без сопротивления

Современные технологии — от МРТ-сканеров до квантовых компьютеров — полагаются на сверхпроводники: материалы, проводящие электрический ток без потерь энергии. Однако сильные магнитные поля обычно разрушают сверхпроводимость, ограничивая области применения этих материалов. В этом исследовании изучают волосиноподобные проволочки из ниобия и теллура (Ta–Te), которые становятся сверхпроводящими под давлением и сохраняют работу в магнитных полях, разрушающих большинство других сверхпроводников, что открывает возможности для более мощных магнитов и компактных устройств.

От клубков волокон к новому типу проволоки

Исследователи выращивали нанопроволоки Ta–Te методом паровой осадки, получая черные, волокноподобные пучки толщиной всего в десятки нанометров — в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Микроскопия показала, что каждая проволока не является гладким кристаллом, а представляет собой цепочку из множества мелких кристаллических зерен диаметром около 10 нм, соединенных как сегменты бамбука. Химическое картирование подтвердило равномерное распределение ниобия и теллура по проволокам, а рентгеновская дифракция выявила, что зерна имеют кристаллическую структуру, известную по родственным материалам, хотя их ориентировки расположены случайно.

Почти изолятор в обычных условиях

При измерении проводимости отдельной нанопроволоки Ta–Te при нормальном давлении обнаружили необычное поведение. По мере охлаждения сопротивление сначала немного падало, а затем резко возрастало ниже примерно 200 К, из-за чего проволока вела себя скорее как изолятор, чем как металл. Инфракрасные измерения указали на лишь небольшую энергетическую щель для электронов, а характер роста сопротивления при низких температурах соответствовал модели прыжковой проводимости, где электроны перескакивают между локализованными участками в одномерной неупорядоченной системе. Это свидетельствует о том, что электроны захвачены гранулированной, цепочечной структурой проволоки, что препятствует гладкому течению тока.

Сжатие проволок до состояния сверхпроводимости

Чтобы выяснить, как давление влияет на свойства, ученые сжимали пучки нанопроволок Ta–Te до более чем 50 гигапаскалей — сотни тысяч атмосфер — одновременно отслеживая их электрическое сопротивление от комнатной температуры до нескольких келвинов. С ростом давления материал постепенно переходил от изолятороподобного состояния к плохому металлу. При давлении около 10,6 ГПа сопротивление внезапно падало до нуля при низкой температуре, что указывало на появление сверхпроводимости. По мере дальнейшего повышения давления критическая температура, при которой возникает сверхпроводимость, образовала широкую «купол» с максимумом около 4–5 К, а затем постепенно снижалась при наивысших исследованных давлениях.

Превышение предполагаемого предела в сильных магнитных полях

Выдающаяся черта этих нанопроволок Ta–Te — их устойчивость к магнитным полям. При давлениях около 20–30 ГПа верхнее критическое поле — величина, при которой сверхпроводимость разрушается — достигало примерно 16 тесла. Для сравнения: во многих сверхпроводниках ограничением служит так называемый предел Паули, который связывает максимальное поле с температурой перехода. Для скромных критических температур этих проволок предел Паули предсказывал бы примерно 7–8 Тл, так что проволоки выдерживают примерно вдвое больше. Тщательные измерения при очень низких температурах подтвердили, что это не артефакт эксперимента, а внутренняя особенность материала.

Как структура и спин помогают нарушать правила

Авторы проанализировали, почему эти проволоки так сильно превосходят ожидаемый предел. Магнитные поля нарушают сверхпроводимость двумя основными способами: воздействием на спины электронов и изменением орбит их движения, что разрушает парное состояние. В стандартном сверхпроводнике обычно доминируют спиновые эффекты. В нанопроволоках Ta–Te, однако, отсутствие симметрии кристаллической структуры создаёт сильное спин–орбитальное взаимодействие, которое «связывает» спин электрона с его движением и снижает чувствительность спина даже в сверхпроводящем состоянии. Это повышает порог, при котором спиновые эффекты разрушили бы электронные пары. Одновременно длина когерентности — расстояние, на котором сверхпроводящее состояние остаётся однородным — необычно мала, что способствует очень высоким орбитальным пределам. В совокупности гранулированная одномерная структура и сильное спин–орбитальное взаимодействие позволяют орбитальному механизму доминировать и отодвинуть верхнее критическое поле далеко за предел Паули.

Что это значит для будущих устройств

В итоге исследование показывает, что специально спроектированные нанопроволоки могут выступать как надёжные сверхпроводники в чрезвычайно сильных магнитных полях, даже при умеренных рабочих температурах. Гранулированные нанопроволоки Ta–Te сочетают простоту синтеза, механическую гибкость и исключительную устойчивость к магнитным полям, что делает их перспективными кандидатами для приложений следующего поколения в области высоких полей — от компактных магнитов до специализированных квантовых устройств. Одновременно они предоставляют физикам удобную платформу для изучения того, как размерность, беспорядок и спин–орбитальные эффекты вместе переопределяют фундаментальные пределы сверхпроводимости.

Цитирование: Zhao, L., Zhao, Y., Qi, ZB. et al. Granular Ta-Te nanowire superconductivity exceeding the Pauli limit. Commun Phys 9, 82 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02519-5

Ключевые слова: сверхпроводящие нанопроволоки, высокие магнитные поля, взаимодействие спин–орбита, сверхпроводимость, вызванная давлением, теллурид ниобия