Так же, как медный провод проводит электричество лучше, чем резиновая трубка, некоторые виды материалов при определенных условиях проявляют явление сверхпроводимости.
Состояние сверхпроводника при этом явлении определяется двумя основными свойствами: материал предлагает нулевое сопротивление электрическому току и в него не могут проникать магнитные поля.
Потенциал и польза от этого свойства столь же обширна, сколь и увлекательна: электрические провода без потерь это чрезвычайно быстрые цифровые технологии или эффективные поезда магнитной левитации.
Суть сверхпроводимости
Сверхпроводимость — это явление, при котором заряд движется через материал без сопротивления.
Теоретически это позволяет передавать электрическую энергию между двумя точками с идеальной эффективностью, ничего не теряя при прохождении тока.
Как работает сверхпроводимость?
Явление сверхпроводимости позволяет электронам преодолевать их обычное отталкивание друг друга и теснее прижимаясь друг к другу, образовывать так называемые куперовские пары (квазачастица из двух электронов). В этом низкоэнергетическом состоянии идентичность каждого отдельного электрона становится менее определенной. Это позволяет им с легкостью проскальзывать сквозь атомы материала.
Открыл явление сверхпроводимости в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес когда исследовал зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Это открытие привело к огромному объему исследовательской деятельности. Сотрудничество между химиками и физиками, а также экспериментаторами и теоретиками дало начало значительному потенциалу применения, начиная от передачи электроэнергии и заканчивая квантовой информацией.
В обычных электрических проводниках ток передается электронами, действующими индивидуально. Но в сверхпроводниках электроны спариваются для передачи тока практически без потерь.
Считается, что около 40 элементов периодической системы могут обладать сверхпроводящими свойствами при определенных условиях.
Основные параметры сверхпроводящих материалов:
- температура;
- плотность тока;
- магнитная индукция.
Из всех чистых металлов лучшими свойствами обладает ниобий, но не полностью выталкивает магнитное поле, что ограничивает его применение.
Явление высокотемпературной сверхпроводимости
В течение 75 лет после открытия явления сверхпроводимости все известные сверхпроводники работали только при температурах близких к абсолютному нулю, ограничивая способ их использования.
Это изменилось в 1986 году, когда ученые обнаружили, что сверхпроводники на основе меди, или купраты переносят электричество без потерь при относительно высоких температурах, но все еще довольно низких температурах.
На самом деле, некоторые соединения меди являются сверхпроводящими при температурах выше 100 Кельвинов, или минус 173 градуса Цельсия, что позволяет развивать сверхпроводящие технологии, которые можно охлаждать жидким азотом.
Были разработаны инновационные теоретические инструменты для понимания поразительных свойств купратов, которые в течение трех десятилетий оставались «голубоглазым мальчиком» для исследователей в области физики сверхпроводников.
Поскольку такое охлаждение является дорогостоящим, оно ограничивает их применение в мире в целом.
Сверхпроводники комнатной температуры
В последние годы исследователи выдвигают температурные ограничения на то, насколько холодным должен быть сверхпроводящий материал, чтобы функционировать.
В настоящее время рекордсменом является соединение, состоящее из серы и водорода, которое может без потерь проводить электричество при относительно теплой температуре 203 Кельвина (-70 градусов Цельсия). Единственная загвоздка в том, что для его формирования требуется давление в 1,5 миллиона атмосфер.
По мере того как физики будут больше узнавать о сверхпроводящих материалах, они будут разрабатывать более точные модели этого явления, возможно, приближая нас к сверхпроводникам, которые могут удобно работать в кармане.
История сверхпроводящих материалов была особенно отмечена открытием других соединений, в частности органических сверхпроводников, которые, несмотря на их низкую критическую температуру, продолжают привлекать большой интерес к своим экзотическим свойствам.
И последнее, но не менее важное: недавние наблюдения сверхпроводимости в материалах на основе железа (пниктиды) возродили надежду на достижение сверхпроводимости при комнатной температуре.
Однако, несмотря на интенсивные исследования во всем мире, некоторые особенности, связанные с этим явлением, остаются закрытыми. Одним из фундаментальных ключевых вопросов является механизм, с помощью которого происходит явление сверхпроводимости. Этот механизм наука изучает.
Синтез образцов с явлением сверхпроводника
Последние теоретические предсказания показали, что появился новый класс сверхпроводящих материалов гидриды которые могли бы проложить путь к высокотемпературной сверхпроводимости. Исследователи создали один из этих материалов, называемый гидридом лантана, проверили его сверхпроводимость и определили его структуру и состав.
Ученые бомбардировали образец нового сверхпроводящего материала рентгеновскими лучами для изучения его свойств. Единственная загвоздка заключалась в том, что материал нужно было поместить под чрезвычайно высокое давление от 150 до 170 гигапаскалей, что более чем в полтора миллиона раз превышает стандартное воздушное давление на уровне моря.
Только в этих условиях высокого давления крошечный образец гидрид лантана всего несколько микрон проявляет сверхпроводимость при новой рекордной температуре.
Фактически, материал показал три из четырех характеристик, необходимых для доказательства сверхпроводимости: упало его электрическое сопротивление, уменьшилась его критическая температура под внешним магнитным полем, поле показало изменение температуры при замене элементов изотопами. Четвертая характеристика, называемая эффектом Мейснера, при которой материал вытесняет любые магнитное поле. В эксперименте исследователи сжали крошечный образец материала между двумя маленькими алмазами, чтобы оказать необходимое давление, затем использовали рентгеновские лучи для исследования его структуры и состава.
Температура используемая для проведения эксперимента, находилась в пределах нормы, что делает конечной целью нормальные условия—или хотя бы 0 градусов по Цельсию—кажется, в пределах досягаемости.
Ученые уже продолжают сотрудничать, чтобы найти новые материалы, которые могут создавать сверхпроводимость при более разумных условиях.
Ученые поставили следующую цель в том, чтобы уменьшить давление и синтезировать образцы, чтобы принести критическую температуру ближе к окружающей среде, и, возможно, даже создать образцы, которые могли бы синтезироваться при высоких давлениях, но все равно, чтобы сверхпроводник работал при нормальных давлениях. Исследователи продолжают искать новые и интересные соединения, которые принесут нам новые, и часто неожиданное открытие.
Почему так важны сверхпроводящие материалы?
В идеальном мире все мы имели бы сверхпроводящие материалы, подключенные к нашей электронике и электрическим сетям, экономя огромное количество энергии и позволяя нам втискивать схемы в ограниченные пространства.
К сожалению, тут есть одна загвоздка. Большинство сверхпроводящих материалов выполняют эту полезную функцию только при температурах чуть выше абсолютного нуля, когда атомы почти не движутся.
