"Ми вважаємо, що це зараз нова ера надпровідності", - сказав Рассел Хемлі, науковець з матеріалів з університету Джорджа Вашингтона у Вашингтоні, округ Колумбія, натовп дослідників 4 березня на Маршовій зустрічі Американського фізичного товариства.
Зображення засвітили екран позаду нього: схема пристрою для подрібнення крихітних речей між надтвердими точками протилежних алмазів, графіки температури та електричного опору, світиться куля з шорстким, чорним «Х», прорізаним по його центру.
Останнє зображення було втіленням самої нової ери: крихітний зразок супергідриду лантану (або LaH10), стиснутого до тиску, схожого на ті, що виявилися впоперек ядра Землі, і нагрітий лазером до температур, що наближаються до бурхливого пізно-зимового дня в Новій Англії . (Це ошпарювання тепла за стандартами дослідження надпровідності, як правило, проводиться в умовах надзвичайних лабораторних холодів.) За таких умов, як виявили Хемлі та його команда, LaH10, схоже, перестає протистояти руху електронів між його атомами. Це, мабуть, стає, як Хемлі назвав це у своїй розмові про APS та у роботі, опублікованому 14 січня в журналі Physical Review Letters, «надпровідником кімнатної температури».
Заморожена наука
Ще в 1911 році голландський фізик Хайке Камерлінгх Оннес виявив, що при надзвичайно низькій температурі деякі речовини виявляють незвичні електричні властивості.
За звичайних обставин електричний струм, що проходить через струмопровідний матеріал (як мідний дріт), втратить деяку інтенсивність по дорозі. Навіть дуже хороші провідники, які ми використовуємо в наших електричних мережах, є недосконалими і не переносять всю енергію від електростанції до вашої розетки. Деякі електрони просто губляться на шляху.
Але надпровідники бувають різні. Електричний струм, введений у петлю надпровідного проводу, буде продовжувати кружляти назавжди, без втрат. Надпровідники виганяють магнітні поля, а тому потужно відштовхують магніти. Вони мають застосування у високошвидкісних обчисленнях та інших технологіях. Проблема полягає в тому, що різновиди надзвичайно низьких температур, при яких зазвичай працюють надпровідники, роблять їх непрактичними для загального використання.
Полювання без карти
Більше століття фізики полювали на надпровідність у тепліших матеріалах. Але пошук надпровідності трохи схожий на вражаюче золото: минулий досвід і теорії можуть сказати вам широко, де його шукати, але ви насправді не знаєте, де це, поки ви не зробите дорогу, трудомістку роботу перевірки.
"У вас так багато матеріалів. У вас є величезна площа для дослідження", - сказала Лілія Боері, фізик з Римського університету Сапіенца, яка представила роботу після того, як Хемлі вивчила можливість надпровідників навіть тепліші, ніж LaH10, і пояснила, чому такі матеріали є надпровідна при екстремальних тисках.
У 1986 році дослідники виявили кераміку, яка була надпровідною при температурі до 30 градусів вище абсолютного нуля або мінус 406 градусів Фаренгейта (мінус 243 градуси Цельсія). Пізніше, у 90-х роках, дослідники спочатку серйозно придивились до дуже високого тиску, щоб побачити, чи можуть вони виявити нові види надпровідників.
Але в той момент, сказав Бері, Live Science, все ще не було жодного гарного способу визначити, чи виявиться матеріал надпровідним, або при якій температурі це буде робити, поки його не випробують. Як результат, критичні температурні записи - температури, при яких з’являється надпровідність - залишаються дуже низькими.
"Теоретична база була там, але вони не мали можливості її використовувати", - сказав Боері.
Наступний великий прорив відбувся в 2001 році, коли дослідники показали, що диборид магнію (MgB2) був надпровідним при 39 градусах вище абсолютного нуля або мінус 389 F (мінус 234 C).
"була досить низькою, - сказала вона, - але на той час це був великий прорив, тому що це показало, що ти можеш мати надпровідність із критичною температурою, яка була вдвічі більшою, ніж те, що раніше вважалося можливим".
Дроблення водню
З тих пір полювання на теплі надпровідники змінилася двома ключовими способами: вчені з матеріалів зрозуміли, що більш легкі елементи пропонують відчутні можливості для надпровідності. Тим часом комп'ютерні моделі розвинулися до того, що теоретики могли заздалегідь точно передбачити, як матеріали можуть поводитися в екстремальних обставинах.
Фізики стартували в очевидному місці.
"Отже, ви хочете використовувати легкі елементи, а найлегший елемент - водень", - сказав Боері. "Але проблема полягає в самому водневі - цього не можна зробити надпровідним, тому що це ізолятор. Отже, щоб мати надпровідник, спочатку потрібно зробити його металом. Ви повинні щось зробити з цим, і найкраще, що ви можете зробити. це видавити ».
В хімії метал - це майже будь-яка колекція атомів, зв'язаних між собою, оскільки вони сидять у суцільному потоці електронів. Більшість матеріалів, які ми називаємо металами, як мідь або залізо, є металевими при кімнатній температурі та при комфортному атмосферному тиску. Але інші матеріали можуть стати металами в більш екстремальних умовах.
Теоретично водень є одним із них. Але є проблема.
"Для цього потрібен значно більший тиск, ніж це можна зробити за допомогою існуючої технології", - сказав Хемлі у своїй розмові.
Це дозволяє дослідникам полювати на матеріали, що містять багато водню, які утворюватимуть метали - і, сподіваємось, стануть надпровідними при досяжному тиску.
Зараз, за словами Боері, теоретики, що працюють з комп'ютерними моделями, пропонують експерименталістам матеріали, які можуть бути надпровідниками. І експерименталісти вибирають найкращі варіанти для тестування.
Однак цінність цих моделей є обмеженими, сказала Хемлі. Не кожен прогноз проходить у лабораторії.
"Можна дуже ефективно використовувати обчислення в цій роботі, але потрібно робити це критично і надавати в кінцевому підсумку експериментальні тести", - сказав він зібраному натовпу.
Хемлі та його надпровідник "кімнатної температури" LaH10, здається, є найбільш захоплюючим результатом цієї нової епохи досліджень. Роздавлений приблизно в 1 мільйон разів більший тиск атмосфери Землі (200 гігапаскалів) між точками двох протилежних алмазів, зразок LaH10 виявляється надпровідним при 260 градусах вище абсолютного нуля, або 8 F (мінус 13 C).
Інший експеримент, описаний у цій же статті, показав надпровідність при 280 градусах вище абсолютного нуля або 44 F (7 C). Це холодна температура в кімнаті, але досягти не надто складної температури.
Хемлі закінчив свою розмову, припустивши, що ця робота під високим тиском може призвести до отримання матеріалів, які є надпровідниками і при теплій температурі, і при нормальному тиску. Можливо, матеріал, що знаходиться під тиском, може залишатися надпровідником після випуску тиску, сказав він. Або, можливо, уроки про хімічну структуру, засвоєні при високих температурах, можуть вказувати шлях до надпровідних структур низького тиску.
Це був би зміна гри, сказав Бері.
"Ця річ є в основному фундаментальним дослідженням. Вона не має застосування", - сказала вона. "Але скажімо, ви придумали щось, що працює під тиском, скажімо, в 10 разів нижче, ніж зараз. Це відкриває двері для надпровідних проводів, інших речей".
На запитання, чи очікує вона побачити кімнатну температуру, надпровідник в кімнатному тиску протягом свого життя, вона захоплено кивнула.
- Напевно, - сказала вона.
