«Мы считаем, что сейчас наступила новая эра сверхпроводимости», - сказал 4 марта на собрании Американского физического общества Рассел Хемли, ученый из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия.
Снимки освещали экран позади него: схема устройства для дробления крошечных предметов между сверхтвердыми точками противоположных алмазов, графики температуры и электрического сопротивления, светящийся шар с шероховатой черной «Х», разрезанной по центру.
Это последнее изображение было воплощением самой новой эры: крошечный образец супергидрида лантана (или LaH10), сжатый до давлений, подобных тем, которые были найдены на полпути через ядро Земли, и нагретый лазером до температур, приближающихся к оживленному позднему зимнему дню в Новой Англии , (По стандартам исследований сверхпроводимости, которые обычно проводятся в условиях сильной лабораторной простуды, это вызывает ожог.) В этих условиях, как выяснил Хэмли и его команда, LaH10, по-видимому, перестает сопротивляться движению электронов между его атомами. По-видимому, он становится, как сказал Хэмли в своем выступлении APS и в статье, опубликованной 14 января в журнале Physical Review Letters, «сверхпроводником при комнатной температуре».
Замороженная наука
Еще в 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг Оннес обнаружил, что при очень низких температурах некоторые вещества проявляют необычные электрические свойства.
При нормальных обстоятельствах электрический ток, проходящий через проводящий материал (например, медный провод), будет терять некоторую интенсивность на этом пути. Даже очень хорошие проводники, которые мы используем в наших электрических сетях, несовершенны и не могут передавать всю энергию от электростанции к вашей розетке. Некоторые электроны просто теряются по пути.
Но сверхпроводники разные. Электрический ток, введенный в петлю сверхпроводящего провода, будет продолжать вращаться вечно без каких-либо потерь. Сверхпроводники изгоняют магнитные поля и поэтому сильно отталкивают магниты. Они имеют приложения в высокоскоростных вычислениях и других технологиях. Проблема заключается в том, что виды сверхнизких температур, при которых обычно работают сверхпроводники, делают их непрактичными для общего использования.
Охота без карты
Уже более века физики охотятся за сверхпроводимостью в более теплых материалах. Но обнаружение сверхпроводимости немного похоже на поразительное золото: прошлый опыт и теории могут широко рассказать вам, где его искать, но вы на самом деле не будете знать, где он, пока не проведете дорогостоящую, трудоемкую работу по проверке.
«У вас так много материалов. У вас есть огромное пространство для исследования», - сказала Лилия Боэри, физик из Римского университета Сапиенца, которая представила работу после того, как Хемли исследовала возможность сверхпроводников даже теплее, чем LaH10, и объяснила, почему такие материалы являются такими сверхпроводящий при экстремальных давлениях.
В 1986 году исследователи обнаружили керамику, которая была сверхпроводящей при температуре до 30 градусов выше абсолютного нуля или минус 406 градусов по Фаренгейту (минус 243 градуса по Цельсию). Позже, в 1990-х годах, исследователи впервые всерьез взялись за очень высокое давление, чтобы выяснить, могут ли они обнаружить новые виды сверхпроводников.
Но в тот момент, по словам Боэри, «Живой науке» до сих пор не было хорошего способа определить, окажется ли материал сверхпроводящим или при какой температуре он это сделает, пока он не будет испытан. В результате записи критических температур - температуры, при которых появляется сверхпроводимость - оставались очень низкими.
«Теоретические рамки были, но у них не было возможности их использовать», - сказал Боэри.
Следующий большой прорыв произошел в 2001 году, когда исследователи показали, что диборид магния (MgB2) был сверхпроводящим при 39 градусах выше абсолютного нуля, или минус 389 F (минус 234 C).
«было довольно низким, - сказала она, - но в то время это был большой прорыв, потому что это показало, что у вас может быть сверхпроводимость с критической температурой, которая в два раза выше, чем считалось ранее возможным».
Дробление водорода
С тех пор охота на теплые сверхпроводники изменилась двумя основными способами: Ученые-материалисты поняли, что более легкие элементы открывают дразнящие возможности сверхпроводимости. Тем временем компьютерные модели достигли уровня, когда теоретики могли заранее предсказать, как материалы могут вести себя в экстремальных условиях.
Физики начали с очевидного места.
«Итак, вы хотите использовать легкие элементы, а самый легкий элемент - водород», - сказал Боэри. «Но проблема в том, что сам водород - его нельзя сделать сверхпроводящим, потому что это изолятор. Итак, чтобы иметь сверхпроводник, сначала нужно сделать его металлическим. Вы должны что-то с ним сделать, и самое лучшее, что вы можете сделать». это выжать ".
В химии металл - это почти любая совокупность атомов, связанных вместе, потому что они находятся в свободном потоке электронов. Большинство материалов, которые мы называем металлами, например, медь или железо, являются металлическими при комнатной температуре и при комфортном атмосферном давлении. Но другие материалы могут стать металлами в более экстремальных условиях.
Теоретически, водород является одним из них. Но есть проблема.
«Это требует гораздо более высокого давления, чем это можно сделать с помощью существующих технологий», - сказал Хэмли в своем выступлении.
Это заставляет исследователей охотиться за материалами, содержащими много водорода, который образует металлы и, надеемся, станет сверхпроводящим при достижимом давлении.
Прямо сейчас, сказал Боэри, теоретики, работающие с компьютерными моделями, предлагают экспериментаторам материалы, которые могут быть сверхпроводниками. И экспериментаторы выбирают лучшие варианты, чтобы проверить.
Тем не менее, существуют ограничения на стоимость этих моделей, сказал Хэмли. Не каждый прогноз оправдывается в лаборатории.
«В этой работе можно очень эффективно использовать расчеты, но это необходимо делать критически и в конечном итоге проводить экспериментальные тесты», - сказал он собравшейся толпе.
«Сверхпроводник при комнатной температуре» Хемли и его команды, LaH10, представляется наиболее впечатляющим результатом этой новой эры исследований. Примерно в 1 миллион раз превышающее давление атмосферы Земли (200 гигапаскалей) между точками двух противоположных алмазов, образец LaH10, по-видимому, становится сверхпроводящим при 260 градусах выше абсолютного нуля или 8 F (минус 13 C).
Другой прогон эксперимента, описанного в той же статье, показал сверхпроводимость при 280 градусах выше абсолютного нуля, или 44 F (7 C). Это холодная комнатная температура, но не слишком сложная температура для достижения.
Хемли закончил свой разговор, предположив, что в будущем эта работа под высоким давлением может привести к материалам, которые являются сверхпроводниками как при высоких температурах, так и при нормальных давлениях. Возможно, материал, находящийся под давлением, может оставаться сверхпроводником после снятия давления, сказал он. Или, возможно, уроки о химической структуре, полученные при высоких температурах, могут указать путь к сверхпроводящим структурам низкого давления.
Это изменит правила игры, сказал Боэри.
«Эта вещь в основном фундаментальное исследование. Она не имеет никакого применения», сказала она. «Но давайте представим, что вы придумали что-то, что работает под давлением, скажем, в 10 раз ниже, чем сейчас. Это открывает двери для сверхпроводящих проводов и прочего».
На вопрос, ожидает ли она увидеть сверхпроводник комнатной температуры, комнатного давления в своей жизни, она с энтузиазмом кивнула.
"Конечно", сказала она.
