„Mes manome, kad dabar yra nauja superlaidumo era“, - kovo 4 dieną Amerikos fizikų draugijos kovo susitikime tyrinėtojų miniai pasakojo D.C. George'o universiteto Vašingtone medžiagų mokslininkas Russellas Hemley.
Už jo ekraną apšvietė vaizdai: mažų daiktų smulkinimo tarp labai priešingų deimantų taškų schema, temperatūros ir elektrinio pasipriešinimo grafikai, žvilgantis rutulys su grubiu, juodu „X“, pasvirusiu per jo centrą.
Tas paskutinis vaizdas buvo pačios naujos eros įsikūnijimas: mažas lantano superhidrido (arba LaH10) pavyzdys, išspaustas iki slėgio, panašaus į slėgį, esantį per Žemės šerdį, ir šildomas lazeriu iki temperatūros, artėjančios prie žvarios žiemos dienos pabaigos Naujojoje Anglijoje. . (Tai kaitina šilumą pagal superlaidumo tyrimų standartus, kurie paprastai atliekami esant ypatingam šalčiui laboratorijoje.) Tokiomis sąlygomis Hemley ir jo komanda nustatė, kad LaH10 nebeatlaiko elektronų judėjimo tarp savo atomų. Akivaizdu, kad Hemley tai pavadino savo APS pokalbyje ir sausio 14 d. Žurnale „Physical Review Letters“ paskelbtame dokumente „kambario temperatūros superlaidininkas“.
Šaldytas mokslas
Dar 1911 m. Olandų fizikas Heike Kamerlinghas Onnesas atrado, kad esant ypač žemai temperatūrai kai kurios medžiagos pasižymi neįprastomis elektrinėmis savybėmis.
Esant normalioms sąlygoms, elektros srovė, einanti per laidžią medžiagą (pvz., Varinę vielą), praranda tam tikrą intensyvumą. Netgi labai geri laidininkai, kuriuos naudojame savo elektros tinkluose, yra netobuli ir nesugeba pernešti visos energijos iš elektrinės į jūsų sieninį lizdą. Kai kurie elektronai tiesiog pasimeta pakeliui.
Bet superlaidininkai yra skirtingi. Į superlaidžio laido kilpą įvesta elektros srovė visą laiką suksis ratu, be jokių nuostolių. Superlaidininkai išskiria magnetinius laukus, todėl galingai atstumia magnetus. Jie turi greitojo skaičiavimo ir kitų technologijų programas. Problema ta, kad ypač žemos temperatūros, kuriomis paprastai veikia superlaidininkai, daro jas nepraktiškas bendro naudojimo.
Medžioklė be žemėlapio
Daugiau nei šimtmetį fizikai medžiojo dėl šiltesnių medžiagų superlaidumo. Tačiau superlaidumo nustatymas yra panašus į stulbinantį auksą: Ankstesnė patirtis ir teorijos gali jums plačiai papasakoti, kur to ieškoti, bet iš tikrųjų nežinote, kur jis yra, kol atliksite brangų ir daug laiko reikalaujantį patikrinimą.
"Jūs turite tiek daug medžiagų. Turite didžiulę erdvę tyrinėti", - sakė Romos Sapienza universiteto fizikė Lilia Boeri, pristačiusi darbą po to, kai Hemley tyrinėjo superlaidininkų galimybę, dar šiltesnį nei LaH10, ir paaiškino, kodėl tokios medžiagos yra superlaidus esant dideliam slėgiui.
1986 m. Tyrėjai aptiko keramikos, kuri buvo superlaidi esant 30 laipsnių temperatūrai virš absoliutaus nulio arba minus 406 laipsnių Farenheito (minus 243 laipsnių Celsijaus). Vėliau, 1990 m., Tyrėjai pirmiausia nuoširdžiai žiūrėjo į labai didelį spaudimą, norėdami sužinoti, ar jie gali atskleisti naujų rūšių superlaidininkus.
Tuo metu, pasak Boeri, „Live Science“ sakė, kad vis dar nebuvo tinkamo būdo nustatyti, ar medžiaga bus superlaidi, ar kokia temperatūra ji bus, kol ji nebus patikrinta. Dėl to kritinės temperatūros rekordai - temperatūra, kuriai esant pasireiškia superlaidumas - išliko labai žemi.
„Teorinė sistema buvo, bet jie neturėjo galimybės ja naudotis“, - teigė Boeri.
Kitas didelis lūžis įvyko 2001 m., Kai tyrėjai parodė, kad magnio diboridas (MgB2) yra superlaidus esant 39 laipsniams virš absoliutaus nulio arba minus 389 F (minus 234 C).
„buvo gana žemas, - sakė ji, - tačiau tuo metu tai buvo esminis lūžis, nes tai parodė, kad jūs galėjote turėti superlaidumą, kai kritinė temperatūra buvo dvigubai aukštesnė nei buvo manyta anksčiau.
Trupinantis vandenilis
Nuo to laiko šiltų superlaidininkų medžioklė pasislinko dviem pagrindiniais būdais: Medžiagų mokslininkai suprato, kad lengvesni elementai siūlo gąsdinančias superlaidumo galimybes. Tuo tarpu kompiuteriniai modeliai pažengė taip toli, kad teoretikai galėjo iš anksto nuspėti, kaip medžiagos gali elgtis ekstremaliomis aplinkybėmis.
Fizikai startavo matomoje vietoje.
„Taigi, jūs norite naudoti lengvus elementus, o lengviausias elementas yra vandenilis“, - sakė Boeri. "Tačiau problema yra pats vandenilis - to negalima padaryti superlaidžiu, nes jis yra izoliatorius. Taigi, jei norite turėti superlaidininką, pirmiausia turite padaryti jį metalu. Jūs turite ką nors padaryti ir tai, kas geriausia, ką galite padaryti. yra išspausti “.
Chemijoje metalas yra beveik bet kokia atomų kolekcija, sujungta, nes jie yra laisvai tekančioje elektronų sriuboje. Dauguma medžiagų, kurias mes vadiname metalais, kaip varis ar geležis, yra metalinės kambario temperatūroje ir esant patogiam atmosferos slėgiui. Tačiau ekstremaliose aplinkose kitos medžiagos gali tapti metalais.
Teoriškai vandenilis yra vienas iš jų. Bet yra problema.
„Tam reikia daug didesnio spaudimo, nei galima padaryti naudojant esamas technologijas“, - savo pokalbyje sakė Hemley.
Tai leidžia tyrėjams medžioti medžiagas, kuriose yra daug vandenilio, kurios suformuos metalus ir, tikiuosi, taps superlaidžios esant pasiekiamam slėgiui.
Šiuo metu, pasak Boeri, su kompiuteriniais modeliais dirbantys teoretikai siūlo eksperimentatoriams medžiagą, kuri gali būti superlaidininkė. O eksperimentatoriai pasirenka geriausias galimybes išbandyti.
Vis dėlto šių modelių vertė yra ribota, sakė Hemley. Ne kiekviena prognozė neįvyksta laboratorijoje.
„Šiame darbe galima labai efektyviai naudoti skaičiavimus, tačiau reikia tai padaryti kritiškai ir pateikti galiausiai eksperimentinius bandymus“, - pasakojo jis susirinkusiai miniai.
Atrodo, kad Hemley ir jo komandos „kambario temperatūros superlaidininkas“ LaH10 yra įdomiausias šios naujos tyrimų eros rezultatas. Suskaidytas maždaug iki milijono kartų didesniame nei Žemės atmosferos slėgis (200 gigapaskalų) tarp dviejų priešingų deimantų taškų, atrodo, kad LaH10 pavyzdys tampa superlaidus esant 260 laipsnių aukščiui virš absoliutaus nulio arba 8 F (minus 13 C).
Kitas eksperimento aprašymas, aprašytas tame pačiame dokumente, parodė superlaidumą esant 280 laipsnių aukščiui virš absoliutaus nulio arba 44 F (7 C). Tai yra šalta kambario temperatūra, tačiau ją pasiekti nėra per sunku.
Hemley baigė savo kalbą siūlydamas, kad pakeliui į šį aukšto slėgio darbą gali atsirasti medžiagų, kurios yra superlaidžios tiek šiltoje temperatūroje, tiek esant normaliam slėgiui. Galbūt spaudžiant medžiagą, ji gali išlikti superlaidininkė, - sakė jis. Arba galbūt pamokos apie cheminę struktūrą, išmoktas aukštoje temperatūroje, gali parodyti kelią į superlaidžias žemo slėgio struktūras.
Tai būtų žaidimų keitiklis, sakė Boeri.
"Šis dalykas iš esmės yra fundamentinis tyrimas. Jis neturi jokio taikymo", - sakė ji. "Bet tarkime, kad jūs sugalvojate tai, kas veikia esant slėgiui, tarkime, 10 kartų mažesnį nei dabar. Tai atveria duris superlaidžiams laidams, kitiems dalykams".
Paklausta, ar tikisi per savo gyvenimą pamatyti kambario temperatūros, kambario slėgio superlaidininką, ji entuziastingai linktelėjo.
- Tikrai, - tarė ji.
