Один з найбільших парадоксів сучасної фізики полягає в тому, що найефективніший спосіб проводити електрику вимагає температури, холоднішої за космічний вакуум. Щоб отримати надпровідність стан, в якому струм тече без жодних втрат інженери досі були змушені охолоджувати матеріали до мінус 200 градусів Цельсія.
Це дорого. Це громіздко. І це головна причина, чому ваш ноутбук досі гріється на колінах, а дата-центри витрачають мільярди кіловат-годин на боротьбу з перегрівом.
Але команда з Чалмерського університету технологій у Гетеборзі знайшла спосіб перехитрити природу. Вони не винайшли новий матеріал. Вони не змінили хімічну формулу. Замість цього взяли звичайну підкладку і перетворили її поверхню на наноскульптуру з пагорбів та долин, тонших за мільйонну частку людського волосся.
Результат: надпровідник, який працює при вищих температурах і не втрачає властивостей навіть у потужних магнітних полях. Дослідження, опубліковане у журналі Nature Communications, відкриває принципово новий шлях до електроніки, яка не витрачає енергію даремно.
Парадокс нульового опору
Сучасна цифрова інфраструктура дата-центри, мережі зв’язку, сервери, ваші гаджети поглинає від 6 до 12 відсотків світового виробництва електроенергії. Більшість цієї енергії перетворюється на тепло, яке розсіюється в повітря. Чим більше обчислень, тим більше градусів і тим більше рахунків.
Надпровідники могли б вирішити цю проблему кардинально. У цьому стані електрони рухаються крізь матеріал без опору, без нагрівання, без втрат. Теоретично це означає стократне підвищення ефективності електромереж, квантових комп’ютерів і телекомунікаційного обладнання.
Проблема в тому, що надпровідність стан крихкий.
Температура вище критичної і ефект зникає. Сильне магнітне поле і електрони починають чинити опір. Тому надпровідники досі замкнені в лабораторіях, оточені складними системами охолодження, які самі споживають більше енергії, ніж економлять.
Секрет підкладки
Дослідники десятиліттями намагалися винайти нові хімічні сполуки, які були б стійкішими. Прогрес ішов повільно. Команда з Гетеборга вирішила піти іншим шляхом.
Вони взяли надтонку плівку з родини купратів матеріалу YBa₂Cu₃O₇₋δ, відомого як YBCO. Цей матеріал уже демонструє надпровідність при відносно високих температурах, але його хімічну структуру важко модифікувати після синтезу.
Плівка була всього кілька нанометрів завтовшки менше мільйонної частки товщини людського волосся. Такі матеріали вирощують на спеціальній підкладці з оксиду магнію (MgO), яка слугує шаблоном для атомів.
І ось де криється геній цього рішення.
Замість того щоб чіплятися за хімію надпровідника, вчені піддали обробці саму підкладку. У вакуумі при високій температурі поверхня MgO перетворилася на впорядкований рельєф із мікроскопічних гребенів і западин. Кожен пагорб і кожна долина були розраховані з точністю до атома.
«Атоми в підкладці розташовані у певному візерунку, і вони можуть «направляти», як осаджуються атоми надпровідного шару. Змінивши дизайн поверхні, ми змогли вплинути на властивості надпровідності та забезпечити їх збереження навіть при вищих температурах і в сильних магнітних полях»
Ці слова належать Еріку Вальбергу, досліднику з RISE Research Institutes of Sweden, співавтору роботи. Його пояснення звучить майже як метафора: підкладка стає скульптором, а надпровідник глиною, яка запам’ятовує форму.
Гра на атомах
На межі між підкладкою та плівкою виникла особлива електронна структура. Мікроскопічні нерівності змінили поведінку електронів у приграничній зоні, змусивши їх рухатися упорядковано з пріоритетним напрямком, який стабілізував надпровідний стан.
Що це означає практично? Матеріал зберігав надпровідність там, де раніше втрачав її. При сильніших магнітних полях. При менш екстремальному холоді.
Керівник проєкту, професор квантової фізики пристроїв Флоріана Ломбарді з Чалмерського університету, описує це як зміну самої парадигми:
«Замість того щоб шукати абсолютно нові матеріали або маніпулювати хімічними властивостями наявних, ми показуємо, як надпровідність можна посилити, просто скульптурячи підкладку. Це демонструє, що дуже малі зміни на наномасштабі можуть мати вирішальні наслідки»
Ломбарді вірить, що така стратегія зрештою допоможе наблизити надпровідність до кімнатної температури мрії, яка залишалася недосяжною з моменту відкриття явища більше століття тому.
Економіка тепла
Чому це важливо за межами лабораторії? Тому що цифрова економіка має температурний ліміт.
Кожен відеодзвінок, кожен запит у пошукову систему, кожне завантаження фото все це перетворюється на тепло в серверних залах. За прогнозами, частка ІКТ у світовому енергоспоживанні буде лише зростати. Без революції в ефективності електроніки кліматичні цілі ставатимуть усе недосяжнішими.
Надпровідна електроніка могла б змінити правила гри:
- Нульові втрати електрика передається без нагрівання провідників
- Компактність пристрої можна робити меншими без ризику перегріву
- Квантові технології стабільна робота кубітів у магнітних полях відкриває шлях до практичних квантових комп’ютерів
- Енергомережі транспортування струму на великі відстані без падіння напруги
При цьому метод шведської команди сумісний із наявними технологіями вирощування тонких плівок. Не потрібно будувати заводи з нуля достатньо змінити процес підготовки підкладки.
Що далі
Робота опублікована під назвою «Boosting superconductivity in ultrathin YBa₂Cu₃O₇₋δ films via nanofaceted substrates». До неї долучилися колеги з Університету Ка’ Фоскарі у Венеції, Бірлінського технологічного інституту в Індії, Уппсальського університету та інших центрів. Частина експериментів пройшла в чистих кімнатах Myfab Chalmers лабораторіях, де навіть пилинка може зіпсувати результат.
Фінансування надалі Шведська рада з досліджень, фонд Кнута та Аліси Валленбергів, Європейський Союз через грант EIC Pathfinder та німецька дослідницька спільнота.
Наступний крок перевірити, чи працює цей принцип з іншими матеріалами. Якщо наноскульптурна підкладка здатна «підтягувати» властивості різних купратів, шлях до комерційної надпровідної електроніки скоротиться з десятиліть до років.
Іноді найглибші прориви народжуються не з нових елементів у таблиці Менделєєва, а з вміння подивитися на стару поверхню під новим кутом.
Навіть якщо цей кут мільйонна частка волосини.
Про автора
