1993 рік. Рекорд мінус 140 градусів. Тридцять років ніхто не зміг подолати цю позначку. Тридцять років спроб, розчарувань і тисяч наукових статей, які завершувалися словом «але». Аж минулого тижня.
Дослідники з Університету Х’юстона досягли температури переходу в надпровідний стан 151 Кельвін (мінус 122 градуси Цельсія) за нормального атмосферного тиску. Це на 18 градусів вище за рекорд, який тримався понад три десятиліття.
Вісімнадцять градусів. Звучить скромно. Але у світі надпровідності це пропасть.
Чому це важливо
Електрика, яка тече звичайними проводами, втрачає приблизно 8% енергії на шляху від електростанції до вашої розетки. Вона просто перетворюється на тепло. Світові електромережі щороку гублять мільярди доларів у вигляді розсіяного тепла. Надпровідники ж проводять струм без жодного опору нуль втрат, нуль відходів, нуль зайвого нагрівання.
Проблема в одному: надпровідники працюють лише за екстремально низьких температур. Їх треба охолоджувати дорогими системами, які з’їдають усю економію. Чим вища температура переходу тим менше охолодження потрібно. Тим дешевша і практичніша технологія.
«Передача електрики мережами втрачає близько 8% енергії. Якщо ми збережемо її, це мільярди доларів економії плюс менше зусиль і менший вплив на довкілля», зазначив Чін-Ву Чу, професор фізики та засновник Техаського центру надпровідності.
Надпровідники вже сьогодні працюють у апаратах МРТ, прискорювачах частинок і експериментальних реакторах синтезу. Але їхнє масове впровадження стримується саме температурою. Кожен градус наближає нас до моменту, коли надпровідність стане дешевшою за звичайну мідь.
Історія рекорду
1911 рік. Голландський фізик Гейке Камерлінг-Оннес відкриває надпровідність ртуті за температури 4.2 Кельвіна. Це мінус 269 градусів. Абсолютний нуль практично. Наступні сім десятиліть повзуче, болюче просування вгору на десяті градуси.
Потім 1986 рік. Прорив. Керамічні надпровідники на основі міді стрибають від 23 К до 35 К за один рік. Світова спільнота завмирає. А вже 1987-й Чін-Ву Чу та його колеги відкривають матеріал YBCO, який стає надпровідним при 93 Кельвінах (мінус 180 градусів). Це вже вище температури рідкого азоту відносно дешевого і доступного холодильного агента. Гонка починається.
1993 рік. Ртутна кераміка Hg1223 досягає 133 Кельвіни за нормального тиску. Рекорд. І тиша. Тридцять років жоден матеріал за атмосферного тиску не міг перестрибнути цю позначку. Деякі вчені почали сумніватися, чи можливе подальше просування взагалі.
Тихий скептицизм перетворювався на гучні сумніви. Декілька гучних заяв про «кімнатну температуру» згодом не підтвердилися. Репутацію галузі підточували ретракції та скандали. Але Чу продовжував працювати.
Трюк із тиском
Секрет нового рекорду метод, який називається гартування тиском (pressure quenching). Ідея проста, як і всі геніальне. Але її реалізація вимагала ювелірної точності.
Ось як це працює:
- Стиснення матеріал піддають надвисокому тиску, який суттєво покращує його надпровідні властивості та підвищує температуру переходу
- Охолодження під тиском матеріал охолоджують до обчисленої температури, при якій надпровідний стан «застигає»
- Зняття тиску тиск різко скидують, але структура матеріалу зберігає свої покращені властивості
Уявіть, що ви стискаєте пружину в кулаку, заморожуєте її в цьому стані, а потім відпускаєте а вона не розгортається назад. Щось подібне сталося з кристалічною ґраткою матеріалу.
«Інші дослідники показали, що надпровідність за кімнатної температури під тиском досяжна. Наш метод показує, що цей стан можна зберегти й без підтримки тиску», пояснив Лянцзи Ден, асистент-професор фізики та провідний автор статті.
Саме це «без підтримки тиску» ключове. Тискні експерименти це складні установки, алмазні ковадла, мікроскопічні зразки. Нормальний тиск означає, що матеріал можна вивчати звичайними приладами. Відкриває двері для тисяч лабораторій по всьому світу.
Що далі
151 Кельвін це мінус 122 градуси. Кімнатна температура приблизно 300 Кельвін. Залишається розрив у 140 градусів. З одного боку це пропасть. З іншого ще 30 років тому 133 Кельвіни здавалися неперевершеною стіною. Її щойно знесли.
Чу та Ден опублікували супровідну статтю, де окреслили шість різних підходів до подальшого підвищення температури переходу. Серед них варіації гартування тиском, легування, створення штучних надґраток і пошук нових хімічних сполук. Це не мрії це конкретні дорожні карти з розрахунками.
Результати опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences одному з найпрестижніших наукових журналів світу. Фінансування надали Intellectual Ventures, штат Техас через TcSUH та низка фондів.
Кімнатна надпровідність за нормального тиску залишається святим граалем фізики. Але вперше за три десятиліття цей грааль став ближчим не на папері, не в теорії, а в виміряному, підтвердженому експерименті.
Тридцять років рекорд тримався. Тепер він побитий. Наступні тридцять можуть виявитися набагато цікавішими.
Про автора
