Pirmo reizi ir sasniegta istabas temperatūras supravadītspēja

Aprīkojums, ko izmanto, lai izveidotu istabas temperatūras supravadītāju, tostarp dimanta laktas šūna (zilā kaste) un lāzera bloki, ir attēlota Ročesteras universitātes Ranga Dias laboratorijā. Ādama logs

Telpas temperatūras supravadītāji — materiāli, kas vada elektrību ar nulles pretestību bez īpašas dzesēšanas — ir tāds tehnoloģisks brīnums, kas izjauktu ikdienas dzīvi. Tie varētu revolucionizēt elektrisko tīklu un ļautu levitēt vilcienus, kā arī daudzus citus iespējamos lietojumus. Taču līdz šim supravadītāji bija jāatdzesē līdz ārkārtīgi zemai temperatūrai, kas ir ierobežojusi to izmantošanu kā nišas tehnoloģiju (kaut arī svarīgu). Gadu desmitiem šķita, ka supravadītspēja istabas temperatūrā var būt uz visiem laikiem neaizsniedzams , taču pēdējo piecu gadu laikā dažas pētniecības grupas visā pasaulē ir iesaistījušās sacīkstēs, lai to sasniegtu laboratorijā.

Viens no viņiem tikko uzvarēja.

Iekšā papīrs, kas šodien publicēts Nature , pētnieki ziņo, ka savienojumā, kas satur ūdeņradi, sēru un oglekli, ir sasniegta istabas temperatūras supravadītspēja pat 58 °F (13,3 °C jeb 287,7 K) temperatūrā. Iepriekšējā augstākā temperatūra bija 260 K jeb 8 °F, ko 2018. gadā sasniedza konkurējošā grupa Džordža Vašingtona universitātē un Kārnegi institūtā Vašingtonā, DC. (Cita grupa Maksa Planka Ķīmijas institūtā Maincā, Vācijā, sasniedza 250 K jeb -9,7 °F, aptuveni šajā pašā laikā.) Tāpat kā iepriekšējie rekordi, arī jaunais rekords tika sasniegts ārkārtīgi augstā spiedienā — aptuveni divarpus miljonus reižu vairāk nekā gaisa, ko elpojam.

Tas ir orientieris, saka Hosē Floress-Livass, Romas Sapienza universitātes skaitļošanas fiziķis, kurš rada modeļus, kas izskaidro augstas temperatūras supravadītspēju, un nebija tieši iesaistīts darbā. Viņš saka, ka pēc pāris gadiem mēs no 200 [K] paaugstinājāmies līdz 250 un tagad 290. Esmu diezgan pārliecināts, ka mēs sasniegsim 300.

Elektriskās strāvas ir plūstoši elektriskie lādiņi, kas visbiežāk sastāv no elektroniem. Vadītājiem, piemēram, vara vadiem, ir daudz brīvi saistītu elektronu. Kad tiek pielietots elektriskais lauks, šie elektroni plūst salīdzinoši brīvi. Bet pat labiem vadītājiem, piemēram, varš, ir pretestība: tie uzsilst, pārvadot elektrību.

Supravadītspēja, kurā elektroni plūst caur materiālu bez pretestības, pirmajā mirklī izklausās neiespējama. Tas ir tā, it kā varētu braukt lielā ātrumā pa pārslogotu pilsētas centru, nekad nesaskaroties ar luksoforu. Taču 1911. gadā nīderlandiešu fiziķis Heike Kamerlinghs Onnes atklāja, ka dzīvsudrabs kļūst par supravadītāju, ja to atdzesē līdz dažiem grādiem virs absolūtās nulles (apmēram -460 °F jeb -273 °C). Drīz viņš novēroja šo parādību citos metālos, piemēram, alvā un svinā.

Daudzus gadu desmitus pēc tam supravadītspēja tika izveidota tikai ārkārtīgi zemā temperatūrā. Pēc tam 1986. gada beigās un 1987. gada sākumā pētnieku grupa IBM Cīrihes laboratorijā atklāja, ka daži keramikas oksīdi var būt supravadītāji pat 92 K temperatūrā, kas ir būtiski augstāka par šķidrā slāpekļa viršanas temperatūru, kas ir 77 K. supravadītspējas izpēte un tās pielietojums tādās lietās kā slimnīcu MRI, jo šķidrais slāpeklis ir lēts un viegli apstrādājams. (Šķidrais hēlijs, lai arī aukstāks, ir daudz smalkāks un dārgāks .) Milzīgais lēciens 1980. gados izraisīja drudžainas spekulācijas, ka istabas temperatūras supravadītspēja varētu būt iespējama. Bet šis sapnis bija izrādījies nenotverams līdz šodienas pētījumam.

Zem spiediena

Viens no veidiem, kā darbojas supravadītāji, ir tad, kad caur tiem plūstošie elektroni tiek savienoti ar fononiem — vibrācijām atomu režģī, no kuriem materiāls ir izgatavots. Fakts, ka abi ir sinhroni, teorētiķi uzskata, ļauj elektroniem plūst bez pretestības. Zema temperatūra var radīt apstākļus, lai šādi pāri veidotos dažādos materiālos. 1968. gadā Nīls Eškrofts no Kornela universitātes apgalvoja, ka augsta spiediena apstākļos ūdeņradis arī būtu supravadītājs . Piespiežot atomus cieši saspiesties, augsts spiediens maina elektronu uzvedību un dažos gadījumos ļauj veidot elektronu-fononu pārus.

Zinātnieki gadu desmitiem ir centušies saprast, kādi ir šie apstākļi, un noskaidrot, kādus citus elementus varētu sajaukt ar ūdeņradi, lai panāktu supravadītspēju arvien augstākās temperatūrās un zemākā spiedienā.

Šodienas dokumentā aprakstītajā darbā pētnieki no Ročesteras universitātes un kolēģi vispirms sajauca oglekli un sēru proporcijā viens pret vienu, samaisa maisījumu līdz mazām bumbiņām un pēc tam izspieda šīs bumbiņas starp diviem dimantiem, injicējot ūdeņraža gāzi. . Savienojumu vairākas stundas spīdināja lāzers, lai nojauktu saites starp sēra atomiem, tādējādi mainot sistēmas ķīmiju un elektronu uzvedību paraugā. Iegūtais kristāls nav stabils zemā spiedienā, bet tas ir ir supravadošs. Tas ir arī ļoti mazs — zem augsta spiediena, pie kura tas vada supravadību, tā diametrs ir aptuveni 30 miljonās daļas.

Precīza informācija par kāpēc šī savienojuma darbība nav pilnībā izprotama - pētnieki pat nav pārliecināti, kādu savienojumu viņi ir izveidojuši. Bet viņi izstrādā jaunus rīkus, lai noskaidrotu, kas tas ir, un ir optimistiski, ka, tiklīdz viņi to varēs izdarīt, viņi varēs pielāgot sastāvu tā, lai savienojums varētu saglabāt supravadītāju pat pie zemāka spiediena.

Floresa-Livasa prātojuma samazināšana līdz 100 gigapaskāliem — apmēram puse no mūsdienu Nature dokumentā izmantotā spiediena – ļautu sākt industrializēt īpaši mazus sensorus ar ļoti augstu izšķirtspēju. Precīzi magnētiskie sensori tiek izmantoti derīgo izrakteņu meklēšanā, kā arī neironu aizdegšanās noteikšanai cilvēka smadzenēs, kā arī jaunu materiālu izgatavošanā datu glabāšanai. Lēts, precīzs magnētiskais sensors ir tehnoloģiju veids, kas pats par sevi neizklausās seksīgi, bet padara iespējamu daudzas citas.

Un, ja šos materiālus var palielināt no maziem spiediena kristāliem līdz lielākos izmēros, kas darbojas ne tikai istabas temperatūrā, bet arī apkārtējā spiedienā, tas būtu sākums vēl dziļākām tehnoloģiskām pārmaiņām. Ralfs Šeihers, skaitļošanas modelētājs no Upsalas universitātes Zviedrijā, saka, ka viņš nebūtu pārsteigts, ja tas notiktu tuvākās desmitgades laikā.

Pretošanās ir veltīga

Elektroenerģijas ražošanas, pārvades un sadales veidus būtiski pārveidotu lēti un efektīvi istabas temperatūras supravadītāji, kas lielāki par dažām miljonajām daļām. Aptuveni 5% no Amerikas Savienotajās Valstīs saražotās elektroenerģijas pārvadē un sadalē Saskaņā ar Enerģētikas informācijas administrācijas datiem. Novēršot šos zaudējumus, vispirms tiktu ietaupīti miljardiem dolāru un būtu ievērojama ietekme uz klimatu. Bet istabas temperatūras supravadītāji ne tikai mainītu mūsu sistēmu, bet arī nodrošinātu pilnīgi jaunu sistēmu. Transformatorus, kas ir ļoti svarīgi elektriskajam tīklam, varētu padarīt mazākus, lētākus un efektīvākus. Tā varētu arī elektromotori un ģeneratori. Supravadītāja enerģijas uzkrāšana pašlaik tiek izmantota, lai izlīdzinātu īslaicīgas elektrotīkla svārstības, taču tā joprojām ir salīdzinoši niša, jo supravadītāju aukstuma uzturēšanai ir nepieciešams daudz enerģijas. Istabas temperatūras supravadītāji, īpaši, ja tos varētu konstruēt tā, lai tie izturētu spēcīgus magnētiskos laukus, varētu kalpot kā ļoti efektīvs veids, kā uzglabāt lielāku enerģijas daudzumu. uz ilgāku laiku , padarot efektīvākus atjaunojamos, bet neregulāros enerģijas avotus, piemēram, vēja turbīnas vai saules baterijas.

Un tā kā plūstoša elektrība rada magnētiskos laukus, supravadītājus var izmantot arī, lai radītu jaudīgus magnētus tik daudzveidīgiem lietojumiem kā MRI iekārtas un levitējošie vilcieni. Supravadītājiem ir liela potenciāla nozīme arī topošajā kvantu skaitļošanas jomā. Supravadoši kubiti jau ir dažu pasaulē jaudīgāko kvantu datoru pamatā. Ja varētu izveidot šādus kubitus bez nepieciešamības tos atdzesēt, kvantu datori kļūtu ne tikai vienkāršāki, mazāki un lētāki, bet arī varētu novest pie straujāka progresa daudzu kubitu sistēmu izveidē atkarībā no radīto supravadītāju precīzajām īpašībām. .

Visi šie pielietojumi principā ir sasniedzami ar supravadītājiem, kas ir jāatdzesē līdz zemai temperatūrai, lai tie darbotos. Bet, ja jums tie ir tik radikāli jāatdzesē, jūs zaudējat daudzas — dažos gadījumos visas — priekšrocības, ko iegūstat no elektriskās pretestības trūkuma. Tas arī padara tos sarežģītākus, dārgākus un pakļautus neveiksmēm.

Atliek noskaidrot, vai zinātnieki var izstrādāt stabilus savienojumus, kas ir supravadītāji ne tikai apkārtējās vides temperatūrā, bet arī apkārtējā spiedienā. Bet pētnieki ir optimistiski. Viņi noslēdz savu rakstu ar šo vilinošo apgalvojumu: var būt pieejams izturīgs istabas temperatūras supravadošs materiāls, kas pārveidos enerģijas ekonomiju, kvantu informācijas apstrādi un uztveršanu.

paslēpties