"Mēs uzskatām, ka tagad šis ir jauns supravadītspējas laikmets," Amerikas Savienoto Valstu fizikālās biedrības marta sanāksmē 4. martā pētnieku pūlim pastāstīja Džordža Vašingtonas universitātes materiālu zinātnieks Rasels Hemlijs Rasels Hemlijs.
Aiz viņa ekrāna izgaismojās attēli: ierīces, kas sīkas lietas sasmalcina starp pretstatīto dimantu superdaļīgajiem punktiem, shēma, temperatūras un elektriskās pretestības grafiki, kvēlojoša bumba ar rupju, melnu "X", kas izgriezta visā tās centrā.
Šis pēdējais attēls bija pašas jaunās ēras iemiesojums: niecīgs lantāna superhidrīda (vai LaH10) paraugs, kas saspiests līdz spiedienam, kāds ir līdzīgs spiedienam pa Zemes kodolu, un karsēts ar lāzeru līdz temperatūrai, kas tuvojas straujai vēlu ziemas dienai Jaunanglijā. . (Tas ir karstuma karstums pēc supravadītspējas pētījumu standartiem, ko parasti veic ārkārtējos laboratorijas aukstumos.) Šādos apstākļos Hemlijs un viņa komanda bija secinājuši, ka LaH10, iespējams, pārtrauc pretošanos elektronu kustībai starp tā atomiem. Acīmredzot tas kļūst par to, kā Hemlijs to nosauca savā APS sarunā un rakstā, kas publicēts 14. janvārī žurnālā Physical Review Letters, par "istabas temperatūras supravadītāju".
Saldēta zinātne
1911. gadā holandiešu fiziķis Heike Kamerlingh Onnes atklāja, ka ārkārtīgi zemā temperatūrā dažām vielām piemīt neparastas elektriskās īpašības.
Normālos apstākļos elektriskā strāva, kas iet caur vadošu materiālu (piemēram, vara stiepli), zaudēs zināmu intensitāti. Pat ļoti labie vadītāji, kurus mēs izmantojam mūsu elektriskajos tīklos, ir nepilnīgi un nespēj visu enerģiju transportēt no elektrostacijas uz jūsu sienas kontaktligzdu. Daži elektroni ceļā vienkārši pazūd.
Bet supravadītāji ir atšķirīgi. Elektrisko strāvu, kas ievada supravadītāja stieples cilpā, turpinās riņķot mūžīgi, bez zaudējumiem. Supravadītāji izkliedē magnētiskos laukus un tāpēc spēcīgi izstumj magnētus. Viņiem ir pielietojumi ātrgaitas skaitļošanā un citās tehnoloģijās. Problēma ir tā, ka ārkārtīgi zemās temperatūras, kurās parasti darbojas supravadītāji, padara tās par nepraktiskām vispārējai lietošanai.
Medības bez kartes
Vairāk nekā gadsimtu fiziķi medīja par siltumizolācijas materiālu vadītspēju. Bet supravadītspējas atrašana nedaudz līdzinās pārsteidzošajam zeltam: Pagātnes pieredze un teorijas varētu jums vispārīgi pateikt, kur to meklēt, bet jūs faktiski nezināt, kur tā atrodas, kamēr neveicat dārgo, laikietilpīgo pārbaudes darbu.
"Jums ir tik daudz materiālu. Jums ir milzīga telpa, kur izpētīt," sacīja Romas Sapienza universitātes fiziķe Lilia Boeri, kura prezentēja darbu pēc tam, kad Hemlijs izpētīja supervadītāju iespējas pat siltāks nekā LaH10, un paskaidroja, kāpēc tādi materiāli ir supravadītspējīgs pie ārkārtēja spiediena.
1986. gadā pētnieki atklāja keramiku, kas bija supravadīta temperatūrā līdz 30 grādiem virs absolūtās nulles vai mīnus 406 grādiem pēc Fārenheita (mīnus 243 grādi pēc Celsija). Vēlāk, deviņdesmitajos gados, pētnieki vispirms nopietni apskatīja ļoti augstu spiedienu, lai noskaidrotu, vai tie varētu atklāt jauna veida supravadītājus.
Bet tajā brīdī Boeri stāstīja Live Science, ka līdz testa pārbaudei vēl nebija laba paņēmiena, kā noteikt, vai materiāls izrādīsies supravadītspējīgs, vai kādā temperatūrā tas to darīs. Tā rezultātā kritiskās temperatūras rekordi - temperatūras, kurās parādās supravadītspēja - palika ļoti zemas.
"Teorētiskais ietvars tur bija, bet viņiem nebija iespējas to izmantot," sacīja Boeri.
Nākamais lielais izrāviens notika 2001. gadā, kad pētnieki parādīja, ka magnija diborīds (MgB2) bija supravadītspējīgs 39 grādos virs absolūtās nulles jeb mīnus 389 F (mīnus 234 C).
"bija diezgan zems," viņa sacīja, "bet tajā laikā tas bija būtisks izrāviens, jo tas parādīja, ka jums varētu būt supravadītspēja ar kritisko temperatūru, kas ir divreiz augstāka nekā tā, kas iepriekš tika uzskatīta par iespējamu."
Drupināšanas ūdeņradis
Kopš tā laika siltu supravadītāju medības ir mainījušās divos galvenajos veidos: Materiālu zinātnieki saprata, ka vieglāki elementi piedāvā vilinošas supervadīšanas iespējas. Tikmēr datormodeļi attīstījās līdz vietai, kurā teorētiķi varēja jau iepriekš precīzi paredzēt, kā materiāli var izturēties ārkārtējos apstākļos.
Fiziķi sāka acīmredzamā vietā.
"Tātad, jūs vēlaties izmantot gaismas elementus, un vieglākais elements ir ūdeņradis," sacīja Boeri. "Bet problēma ir pats ūdeņradis - to nevar padarīt par supravadošu, jo tas ir izolators. Tātad, lai būtu supravadītājs, tas vispirms ir jāpadara metālam. Jums kaut kas ar to jādara, un labākais, ko varat darīt. ir to izspiest. "
Ķīmijā metāls ir gandrīz jebkura atomu kolekcija, kas savienota kopā, jo tie atrodas elektronu brīvi plūstošā zupā. Lielākā daļa materiālu, ko mēs saucam par metāliem, piemēram, varš vai dzelzs, istabas temperatūrā un pie atmosfēras spiediena ir metāliski. Bet citi materiāli var kļūt par metāliem ekstrēmākās vidēs.
Teorētiski ūdeņradis ir viens no tiem. Bet tur ir problēma.
"Tas prasa daudz lielāku spiedienu, nekā to var izdarīt, izmantojot esošās tehnoloģijas," savā runā sacīja Hemlijs.
Tas ļauj pētniekiem meklēt materiālus, kas satur daudz ūdeņraža un kas veidos metālus un, cerams, kļūs supravadoši pie sasniedzamiem spiedieniem.
Šobrīd, sacīja Boeri, teorētiķi, kas strādā ar datoru modeļiem, piedāvā eksperimentētājiem materiālus, kas var būt supravadītāji. Un eksperimentālisti izvēlas labākās iespējas izmēģināšanai.
Tomēr šo modeļu vērtībai ir robežas, sacīja Hemlijs. Ne visas prognozes tiek izmantotas laboratorijā.
"Šajā darbā ļoti efektīvi var izmantot aprēķinus, bet tas ir jādara kritiski un jānodrošina galu galā eksperimentāli testi," viņš stāstīja sapulcinātajam pūlim.
Hemlijs un viņa komandas "istabas temperatūras supravadītājs" LaH10, šķiet, ir aizraujošākais rezultāts no šī jaunā pētījumu laikmeta. Sasmalcināts līdz aptuveni miljonam reižu virs Zemes atmosfēras spiediena (200 gigapaskāli) starp divu pretēji ievietotu dimantu punktiem, šķiet, ka LaH10 paraugs kļūst supravadītspējīgs 260 grādos virs absolūtās nulles jeb 8 F (mīnus 13 C).
Cita eksperimenta gaita, kas aprakstīta tajā pašā rakstā, parādīja supravadītspēju pie 280 grādiem virs absolūtās nulles jeb 44 F (7 C). Tā ir vēsa istabas temperatūra, bet ne pārāk grūta, lai to sasniegtu.
Hemlijs savu sarunu noslēdza, liekot domāt, ka pa ceļam šis augstspiediena darbs varētu radīt materiālus, kas ir supravadītāji gan siltā temperatūrā, gan normālā spiedienā. Varbūt kāds materiāls pēc spiediena samazināšanas varētu palikt supravadītājs pēc spiediena izlaišanas, viņš sacīja. Vai varbūt mācības par ķīmisko struktūru, kas apgūtas augstās temperatūrās, varētu norādīt ceļu uz supravadošām zema spiediena struktūrām.
Tas būtu spēles mainītājs, sacīja Boeri.
"Šī lieta būtībā ir fundamentāls pētījums. Tam nav pielietojuma," viņa sacīja. "Bet pieņemsim, ka jūs nākt klajā ar kaut ko, kas, piemēram, darbojas ar spiedienu, 10 reizes zemāks nekā tagad. Tas paver durvis supravadošiem vadiem un citām lietām."
Vaicāta, vai viņa dzīves laikā cer redzēt istabas temperatūras, istabas spiediena supravadītāju, viņa aizrautīgi pamāja.
"Protams," viņa teica.
