Po raz pierwszy osiągnięto nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej

Sprzęt używany do tworzenia nadprzewodnika w temperaturze pokojowej, w tym diamentowe ogniwo kowadła (niebieskie pudełko) i matryce laserowe, przedstawiono w laboratorium Ranga Dias na Uniwersytecie Rochester. Okno Adama

Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej — materiały, które przewodzą elektryczność z zerową rezystancją bez potrzeby specjalnego chłodzenia — są rodzajem cudu technologicznego, który może zmienić codzienne życie. Mogą zrewolucjonizować sieć elektryczną i umożliwić lewitację pociągów, a także wiele innych potencjalnych zastosowań. Ale do tej pory nadprzewodniki musiały być chłodzone do ekstremalnie niskich temperatur, co ograniczało ich stosowanie jako technologii niszowej (choć ważnej). Przez dziesięciolecia wydawało się, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej może być na zawsze poza zasięgiem , ale w ciągu ostatnich pięciu lat kilka grup badawczych na całym świecie zaangażowało się w wyścig, aby osiągnąć to w laboratorium.

Jeden z nich właśnie wygrał.

W artykuł opublikowany dzisiaj w Nature , naukowcy donoszą, że osiągnięcie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej w związku zawierającym wodór, siarkę i węgiel w temperaturach do 58 °F (13,3 °C lub 287,7 K). Poprzednia najwyższa temperatura wynosiła 260 K lub 8 ° F, osiągnięta przez konkurencyjną grupę z George Washington University i Carnegie Institution w Waszyngtonie w 2018 r. (inna grupa w Instytucie Chemii Maxa Plancka w Moguncji w Niemczech, osiągnął 250 K, czyli -9,7°F, mniej więcej w tym samym czasie.) Podobnie jak poprzednie rekordy, nowy rekord został osiągnięty przy ekstremalnie wysokim ciśnieniu — około dwa i pół miliona razy wyższym niż w powietrzu, którym oddychamy.

To punkt orientacyjny, mówi José Flores-Livas, fizyk obliczeniowy z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie, który tworzy modele wyjaśniające nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i nie był bezpośrednio zaangażowany w prace. Za kilka lat, mówi, przeszliśmy z 200 [K] do 250, a teraz 290. Jestem prawie pewien, że osiągniemy 300.

Prądy elektryczne to płynące ładunki elektryczne, najczęściej składające się z elektronów. Przewodniki, takie jak przewody miedziane, mają dużo luźno związanych elektronów. Po przyłożeniu pola elektrycznego elektrony te przepływają stosunkowo swobodnie. Ale nawet dobre przewodniki, takie jak miedź, mają opór: nagrzewają się podczas przewodzenia prądu.

Nadprzewodnictwo – w którym elektrony przepływają przez materiał bez oporu – na pierwszy rzut oka wydaje się niemożliwe. To tak, jakby można było jechać z dużą prędkością przez zatłoczone centrum miasta, nigdy nie wjeżdżając na światła drogowe. Jednak w 1911 r. holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes odkrył, że rtęć staje się nadprzewodnikiem po schłodzeniu do kilku stopni powyżej zera absolutnego (około -460 °F, czyli -273 °C). Wkrótce zaobserwował to zjawisko w innych metalach, takich jak cyna i ołów.

Przez wiele dziesięcioleci później nadprzewodnictwo powstawało tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Następnie, na przełomie 1986 i 1987 roku, grupa badaczy z laboratorium IBM w Zurychu odkryła, że ​​pewne tlenki ceramiczne mogą być nadprzewodnikami w temperaturach dochodzących do 92 K — przede wszystkim powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu, która wynosi 77 K. badanie nadprzewodnictwa i jego zastosowania w takich rzeczach jak szpitalne rezonanse magnetyczne, ponieważ ciekły azot jest tani i łatwy w obsłudze. (Płynny hel, choć zimniejszy, jest o wiele bardziej wybredny i droższy .) Ogromny skok w latach 80. doprowadził do gorączkowych spekulacji, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej może być możliwe. Ale ten sen okazał się nieuchwytny, dopóki nie ogłoszono dzisiaj badań.

Pod presją

Jednym ze sposobów działania nadprzewodników jest sprzężenie przepływających przez nie elektronów z fononami — drganiami w sieci atomów, z których wykonany jest materiał. Teoretycy uważają, że oba są zsynchronizowane, dzięki czemu elektrony mogą płynąć bez oporu. Niskie temperatury mogą stwarzać warunki, w których takie pary tworzą się z szerokiej gamy materiałów. W 1968 Neil Ashcroft z Cornell University stwierdził, że pod wysokim ciśnieniem wodór byłby również nadprzewodnikiem . Zmuszając atomy do ścisłego upakowania, wysokie ciśnienia zmieniają zachowanie elektronów i, w pewnych okolicznościach, umożliwiają tworzenie się par elektron-fonon.

Naukowcy przez dziesięciolecia starali się zrozumieć, jakie są te okoliczności, i dowiedzieć się, jakie inne pierwiastki mogą być zmieszane z wodorem, aby osiągnąć nadprzewodnictwo w coraz wyższych temperaturach i niższych ciśnieniach.

W pracy opisanej w dzisiejszym artykule naukowcy z University of Rochester i współpracownicy najpierw zmieszali węgiel i siarkę w stosunku jeden do jednego, zmielili mieszaninę na małe kulki, a następnie ścisnęli kulki między dwoma diamentami podczas wstrzykiwania gazowego wodoru . Na związek przez kilka godzin świecił laser, aby rozbić wiązania między atomami siarki, zmieniając w ten sposób chemię układu i zachowanie elektronów w próbce. Otrzymany kryształ nie jest stabilny przy niskim ciśnieniu — ale jest nadprzewodnictwo. Jest także bardzo mały — pod wysokim ciśnieniem, pod jakim jest nadprzewodnikiem, ma średnicę około 30 milionowych części metra.

Dokładne szczegóły czemu ten związek działa nie jest w pełni zrozumiały - naukowcy nie są nawet pewni dokładnie, jaki związek stworzyli. Ale opracowują nowe narzędzia, aby dowiedzieć się, co to jest, i są optymistami, że gdy będą w stanie to zrobić, będą w stanie dostosować skład, aby związek mógł pozostać nadprzewodnikiem nawet przy niższych ciśnieniach.

Flores-Livas spekuluje, że zredukowanie do 100 gigapaskali — około połowy wartości ciśnienia stosowanego w dzisiejszym artykule w Nature — umożliwiłoby rozpoczęcie industrializacji bardzo małych czujników o bardzo wysokiej rozdzielczości. Precyzyjne czujniki magnetyczne są wykorzystywane w poszukiwaniach minerałów, a także do wykrywania odpalania neuronów w ludzkim mózgu, a także do wytwarzania nowych materiałów do przechowywania danych. Niedrogi, precyzyjny czujnik magnetyczny to technologia, która sama w sobie nie brzmi seksownie, ale umożliwia wiele innych.

A gdyby te materiały można było powiększyć z maleńkich kryształów pod ciśnieniem do większych rozmiarów, które działają nie tylko w temperaturze pokojowej, ale także pod ciśnieniem otoczenia, byłby to początek jeszcze głębszej zmiany technologicznej. Ralph Scheicher, modelarz obliczeniowy na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji, mówi, że nie byłby zaskoczony, gdyby stało się to w ciągu następnej dekady.

Opór jest bezcelowy

Sposoby wytwarzania, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej zostałyby fundamentalnie zmienione przez tanie i efektywne nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej, większe niż kilka milionowych części metra. Około 5% energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych gubi się w transmisji i dystrybucji , według Energy Information Administration. Wyeliminowanie tej straty pozwoliłoby na początek zaoszczędzić miliardy dolarów i miałoby znaczący wpływ na klimat. Ale nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej nie tylko zmienią nasz system, ale umożliwią zupełnie nowy system. Transformatory, które są kluczowe dla sieci elektrycznej, mogłyby być mniejsze, tańsze i wydajniejsze. Podobnie jak silniki elektryczne i generatory. Nadprzewodnikowe magazynowanie energii jest obecnie używane do wygładzania krótkoterminowych wahań w sieci elektrycznej, ale nadal pozostaje stosunkowo niszowe, ponieważ utrzymanie nadprzewodników wymaga dużej ilości energii. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej, zwłaszcza jeśli można je zaprojektować tak, aby wytrzymały silne pola magnetyczne, mogą służyć jako bardzo wydajny sposób przechowywania większych ilości energii na dłuższe okresy , zwiększając efektywność odnawialnych, ale nieciągłych źródeł energii, takich jak turbiny wiatrowe czy ogniwa słoneczne.

A ponieważ przepływająca energia elektryczna wytwarza pola magnetyczne, nadprzewodniki mogą być również wykorzystywane do tworzenia potężnych magnesów do zastosowań tak różnorodnych, jak urządzenia do rezonansu magnetycznego i lewitujące pociągi. Nadprzewodniki mają również ogromne potencjalne znaczenie w powstającej dziedzinie informatyki kwantowej. Nadprzewodzące kubity są już podstawą niektórych najpotężniejszych komputerów kwantowych na świecie. Możliwość tworzenia takich kubitów bez konieczności ich schładzania nie tylko sprawiłaby, że komputery kwantowe byłyby prostsze, mniejsze i tańsze, ale także mogłaby prowadzić do szybszego postępu w tworzeniu systemów wielu kubitów, w zależności od dokładnych właściwości tworzonych nadprzewodników .

Wszystkie te zastosowania są w zasadzie osiągalne w przypadku nadprzewodników, które, aby mogły działać, muszą być schładzane do niskich temperatur. Ale jeśli musisz tak radykalnie je schłodzić, tracisz wiele – w niektórych przypadkach wszystkie – korzyści płynące z braku oporności elektrycznej. Sprawia również, że są bardziej skomplikowane, droższe i podatne na awarie.

Czas pokaże, czy naukowcy potrafią opracować stabilne związki, które będą nadprzewodnikami nie tylko w temperaturze otoczenia, ale także pod ciśnieniem otoczenia. Ale naukowcy są optymistyczni. Swój artykuł kończą tym kuszącym stwierdzeniem: Solidny nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej, który zmieni gospodarkę energetyczną, kwantowe przetwarzanie informacji i wykrywanie, może być osiągalny.

ukryć