Kambario temperatūros superlaidumas buvo pasiektas pirmą kartą

Įranga, naudojama sukurti kambario temperatūros superlaidininką, įskaitant deimantinį priekalo elementą (mėlyną dėžutę) ir lazerių matricas, pavaizduota Ročesterio universiteto Ranga Dias laboratorijoje. Adomo langas

Kambario temperatūros superlaidininkai – medžiagos, praleidžiančios elektrą su nuline varža ir nereikalaujančios specialaus aušinimo – yra toks technologinis stebuklas, kuris apverstų kasdienį gyvenimą. Be daugelio kitų galimų pritaikymų, jie galėtų pakeisti elektros tinklą ir sudaryti sąlygas levituoti traukiniams. Tačiau iki šiol superlaidininkus tekdavo atvėsinti iki itin žemos temperatūros, o tai apribojo jų naudojimą kaip nišinę technologiją (nors ir svarbią). Dešimtmečius atrodė, kad kambario temperatūros superlaidumas gali būti amžinai nepasiekiamas , tačiau per pastaruosius penkerius metus kelios mokslinių tyrimų grupės visame pasaulyje dalyvavo lenktynėse, kad tai pasiektų laboratorijoje.

Vienas iš jų ką tik laimėjo.

A šiandien paskelbtas straipsnis Nature , mokslininkai praneša, kad junginyje, kuriame yra vandenilio, sieros ir anglies, pasiekiamas kambario temperatūros superlaidumas net 58 °F (13,3 °C arba 287,7 K) temperatūroje. Ankstesnė aukščiausia temperatūra buvo 260 K arba 8 °F, kurią 2018 m. pasiekė konkuruojanti grupė Džordžo Vašingtono universitete ir Carnegie institute Vašingtone. (Kita grupė Maxo Plancko chemijos institute Maince, Vokietijoje, pasiekė 250 K arba -9,7 °F, maždaug tuo pačiu metu.) Kaip ir ankstesni rekordai, naujasis rekordas buvo pasiektas esant itin dideliam slėgiui – maždaug du su puse milijono kartų didesniu nei oro, kuriuo kvėpuojame.

Tai yra orientyras, sako José Flores-Livas, skaičiavimo fizikas iš Romos Sapienza universiteto, kuriantis modelius, paaiškinančius aukštos temperatūros superlaidumą ir tiesiogiai nedalyvavęs darbe. Jis sako, kad po poros metų nuo 200 [K] pakilome iki 250, o dabar – 290. Esu tikras, kad pasieksime 300.

Elektros srovės yra tekantys elektros krūviai, dažniausiai sudaryti iš elektronų. Laidininkai, tokie kaip variniai laidai, turi daug laisvai surištų elektronų. Kai veikia elektrinis laukas, tie elektronai teka gana laisvai. Tačiau net ir geri laidininkai, tokie kaip varis, turi varžą: nešdami elektrą jie įkaista.

Superlaidumas – kai elektronai teka per medžiagą be pasipriešinimo – iš pirmo žvilgsnio atrodo neįmanomas. Lyg būtų galima važiuoti dideliu greičiu per sausakimšą miesto centrą, niekada nepasitaikius į šviesoforą. Tačiau 1911 m. olandų fizikas Heike Kamerlingh Onnes nustatė, kad gyvsidabris tampa superlaidininku, kai atšaldomas keliais laipsniais virš absoliutaus nulio (apie -460 °F arba -273 °C). Netrukus jis pastebėjo šį reiškinį kituose metaluose, tokiuose kaip alavas ir švinas.

Daugelį dešimtmečių po to superlaidumas buvo sukurtas tik esant itin žemai temperatūrai. Tada, 1986 m. pabaigoje ir 1987 m. pradžioje, IBM Ciuricho laboratorijos tyrėjų grupė nustatė, kad kai kurie keraminiai oksidai gali būti superlaidininkai net 92 K temperatūroje – ypač aukštesnėje nei skysto azoto virimo temperatūra, kuri yra 77 K. Tai transformavosi. superlaidumo tyrimas ir jo taikymas, pavyzdžiui, ligoninių MRT, nes skystas azotas yra pigus ir lengvai valdomas. (Skystas helis, nors ir šaltesnis, yra daug sudėtingesnis ir brangesnis .) Didžiulis šuolis devintajame dešimtmetyje paskatino karštligiškas spėliones, kad kambario temperatūros superlaidumas gali būti įmanomas. Tačiau ši svajonė buvo sunkiai suprantama iki šiandien paskelbto tyrimo.

Esant spaudimui

Vienas iš būdų, kaip veikia superlaidininkai, yra tada, kai per juos tekantys elektronai yra susieti su fononais – vibracijomis atomų, iš kurių pagaminta medžiaga, gardelėje. Tai, kad jie du yra sinchronizuojami, teoretikų nuomone, leidžia elektronams tekėti be pasipriešinimo. Žema temperatūra gali sudaryti sąlygas tokioms poroms susidaryti iš įvairių medžiagų. 1968 m. Neilas Ashcroftas iš Kornelio universiteto teigė, kad esant dideliam spaudimui, vandenilis taip pat būtų superlaidininkas . Priverčiant atomus glaudžiai susijungti, didelis slėgis keičia elektronų elgesį ir tam tikromis aplinkybėmis sudaro sąlygas elektronų ir fononų poroms.

Mokslininkai dešimtmečius stengėsi suprasti, kokios yra tos aplinkybės, ir išsiaiškinti, kokie kiti elementai gali būti sumaišyti su vandeniliu, kad būtų pasiektas superlaidumas esant vis aukštesnei temperatūrai ir mažesniam slėgiui.

Šiandien paskelbtame darbe Ročesterio universiteto mokslininkai ir kolegos iš pradžių sumaišė anglį ir sierą santykiu vienas su vienu, mišinį susmulkino iki mažyčių rutuliukų, o tada įpurškdami vandenilio dujas išspaudė tuos rutuliukus tarp dviejų deimantų. . Kelias valandas į junginį buvo šviečiamas lazeris, kad suardytų sieros atomų ryšius, taip pakeistų sistemos chemiją ir elektronų elgseną mėginyje. Gautas kristalas nėra stabilus esant žemam slėgiui, bet jis yra superlaidus. Jis taip pat labai mažas – esant dideliam slėgiui, kuriam esant jis superlaidus, jo skersmuo yra apie 30 milijonųjų dalių.

Tiksli informacija apie kodėl šio junginio veikimas nėra visiškai suprantamas – tyrėjai net nėra tikri, kokį junginį jie pagamino. Tačiau jie kuria naujus įrankius, kad išsiaiškintų, kas tai yra, ir tikisi, kad kai tik galės tai padaryti, jie galės pakoreguoti sudėtį taip, kad junginys išliktų superlaidus net esant mažesniam slėgiui.

Floresas-Livasas spėlioja, kad sumažinus iki 100 gigapaskalių – maždaug pusę šiandieniniame „Nature“ dokumente naudojamo slėgio – būtų galima pradėti pramonizuoti itin mažus, labai didelės skiriamosios gebos jutiklius. Tikslūs magnetiniai jutikliai naudojami mineralų žvalgymui, taip pat neuronų užsidegimui žmogaus smegenyse aptikti, taip pat kuriant naujas medžiagas duomenims saugoti. Nebrangus, tikslus magnetinis jutiklis yra tokia technologija, kuri pati savaime neskamba seksualiai, bet leidžia įmanyti daugybę kitų.

Ir jei šias medžiagas iš mažyčių slėginių kristalų būtų galima paversti didesniais dydžiais, kurie veiktų ne tik kambario temperatūroje, bet ir aplinkos slėgyje, tai būtų dar gilesnio technologinio poslinkio pradžia. Ralphas Scheicheris, skaičiavimo modeliuotojas iš Upsalos universiteto Švedijoje, sako, kad jis nenustebtų, jei tai įvyktų per artimiausią dešimtmetį.

Pasipriešinimas yra bergždžias

Elektros gamybos, perdavimo ir paskirstymo būdus iš esmės pakeistų pigūs ir efektyvūs kambario temperatūros superlaidininkai, didesni nei kelios milijoninės metro dalies. Apie 5% JAV pagaminamos elektros energijos netenkama perdavimo ir paskirstymo metu Energetikos informacijos administracijos teigimu. Pašalinus šį nuostolį, pirmiausia būtų sutaupyta milijardai dolerių ir būtų padarytas didelis poveikis klimatui. Tačiau kambario temperatūros superlaidininkai ne tik pakeistų mūsų turimą sistemą – jie įgalintų visiškai naują sistemą. Transformatoriai, kurie yra labai svarbūs elektros tinklui, galėtų būti mažesni, pigesni ir efektyvesni. Taip pat gali būti elektros varikliai ir generatoriai. Superlaidus energijos kaupimas šiuo metu naudojamas trumpalaikiams elektros tinklo svyravimams išlyginti, tačiau jis vis tiek išlieka santykinai nišinis, nes reikia daug energijos, kad superlaidininkai būtų šalti. Kambario temperatūros superlaidininkai, ypač jei jie gali būti sukurti taip, kad atlaikytų stiprius magnetinius laukus, gali būti labai efektyvus būdas kaupti didesnį energijos kiekį ilgesniam laikui , todėl atsinaujinantys, bet su pertrūkiais energijos šaltiniai, pvz., vėjo turbinos ar saulės elementai, tampa veiksmingesni.

Kadangi tekanti elektra sukuria magnetinius laukus, superlaidininkai taip pat gali būti naudojami kuriant galingus magnetus tokioms įvairioms reikmėms kaip MRT aparatai ir levituojantys traukiniai. Superlaidininkai taip pat turi didelę potencialią reikšmę besiformuojančioje kvantinio skaičiavimo srityje. Superlaidieji kubitai jau yra kai kurių galingiausių pasaulyje kvantinių kompiuterių pagrindas. Sugebėjus sukurti tokius kubitus jų neatvėsinant, kvantiniai kompiuteriai taptų ne tik paprastesni, mažesni ir pigesni, bet ir būtų spartesnė pažanga kuriant daugelio kubitų sistemas, priklausomai nuo tikslių sukuriamų superlaidininkų savybių. .

Visi šie pritaikymai iš esmės pasiekiami naudojant superlaidininkus, kuriuos reikia atšaldyti iki žemos temperatūros, kad jie veiktų. Tačiau jei turėsite juos taip radikaliai atvėsinti, prarasite daug – kai kuriais atvejais – visos naudos, kurią gaunate dėl elektros varžos trūkumo. Dėl to jie taip pat tampa sudėtingesni, brangesni ir linkę į nesėkmę.

Dar reikia išsiaiškinti, ar mokslininkai gali sukurti stabilius junginius, kurie būtų superlaidūs ne tik aplinkos temperatūroje, bet ir aplinkos slėgyje. Tačiau mokslininkai nusiteikę optimistiškai. Jie baigia savo darbą šiuo gąsdinančiu teiginiu: gali būti pasiekiama tvirta kambario temperatūros superlaidi medžiaga, kuri pakeis energijos ekonomiją, kvantinės informacijos apdorojimą ir jutimą.

paslėpti