Что такое сверхпроводник и как он работает
Сверхпроводник — это материал, который может проводить электрический ток без сопротивления и потерь электроэнергии. Такой материал передает электрический ток гораздо эффективнее, чем обычные медные кабели. Если стандартный медный провод сечением 1 мм² несет токи зарядом порядка 10 А (ампер), то тонкая проволока сверхпроводника — несколько тысяч ампер.
Сверхпроводящие материалы создают сильные магнитные поля и передают большие мощности. Одна из сфер применения сверхпроводников — транспорт. Например, в Китае курсирует маглев — поезд на магнитной подвеске. Шанхайский маглев может развивать скорость до 431 км/ч. Расстояние в 30 км он преодолевает за 8 мин. Для сравнения, электропоезд «Сапсан» может разгоняться до 250 км/ч.
Производство сверхпроводников состоит из нескольких этапов. Сначала получают металлическую ленту толщиной около 40 микрон (для сравнения; толщина обычной фольги — 6 микрон) из специального жаропрочного сплава. Это основа сверхпроводящего провода. Затем ленту обрабатывают ультразвуковой очисткой и электрохимической полировкой. Так лента становится идеально гладкой. После этого на нее наносят промежуточные слои химических веществ, чтобы улучшить качество сверхпроводника. Например, в России на предприятиях компании по разработке и коммерциализации экологичных и энергоэффективных технологий «СуперОкс» это оксид алюминия, оксид иттрия, оксид магния и манганит лантана — он создает условия для роста сверхпроводящей пленки. Наконец, на ленту наносят сверхпроводник. Так, в «СуперОксе» это сложный оксид, состоящий из иттрия, бария, меди и кислорода.
Температурный режим сверхпроводников
Однако материал становится сверхпроводящим только при определенной температуре. Все известные на сегодняшний день сверхпроводящие материалы обретают свои свойства, только если их охладить. Обычно используют жидкий гелий при температуре минус 268 градусов Цельсия или жидкий азот при минус 196 градусов Цельсия.
Это происходит потому, что только низкие температуры создают в твердом материале специальные энергетические «щели», которые заполняются не отдельными электронами, а куперовской парой электронов. Это такое состояние взаимодействия двух электронов через фонон — квантово-механическое элементарное колебательное движение, при котором решетка атомов или молекул равномерно колеблется с одной частотой. Благодаря этому материал становится сверхпроводимым. Чем выше температура материала, тем больше в нем частиц, у которых будет достаточно энергии, чтобы нарушить условия сверхпроводимости.
Сверхпроводники, которые работают в температуре, приближенной к комнатной, есть, но функционируют они при экстремально высоком давлении. Стоит отметить, что у ученых еще нет однозначной и общепринятой теории на уровне атомов, за счет каких процессов возникает сверхпроводимость. Такое открытие могло бы помочь не только понять природу явления, но и, возможно, создать сверхпроводник комнатной температуры.
Условия, при которых функционируют все современные сверхпроводники, ограничивают использование этих материалов. Поэтому ученые из разных стран мира стараются найти материал, который бы был сверхпроводящим при комнатной температуре и нормальном давлении. Такой материал позволил бы:
- сократить энергетические потери в системах устройств для передачи управления и защиты участков электрической сети;
- создавать более дешевые технологии медицинской визуализации, такие как магнитно-резонансная томография;
- делать усовершенствованные устройства компьютерной памяти и микросхемы;
- строить и запускать левитирующие поезда, которые смогут перевозить людей из одной точки страны в другую, почти не затрачивая электричество;
- реализовывать другие технологические достижения, которые могут повлиять как на жизнь людей, так и на мировую экономику в целом.
Сверхпроводимость при комнатной температуре
Ученые уже несколько раз заявляли о том, что создали сверхпроводник, нормально функционирующий при комнатной температуре и давлении. Но на момент написания статьи (сентябрь 2023 года) ни один материал так и не был подтвержден.
Сплав золота и серебра
В 2018 году индийские ученые опубликовали научную статью, где утверждали, что сплав золота и серебра стал сверхпроводящим при минус 37 градусах Цельсия и нормальном давлении. Однако другие ученые не смогли воспроизвести эксперимент, в том числе из-за того, что в работе не было прописано, как именно был получен сплав. Кроме того, физик-теоретик Брайан Скиннер из Массачусетского технологического института нашел странную закономерность шумов на графиках перехода сплава в сверхпроводящее состояние, которой быть не должно.
В 2019 году ученые обновили статью, предоставив новые доказательства сверхпроводимости найденного ими материала и описав детали создания образцов. Но и в этот раз сообщество ученых не подтвердило результатов.
Гидрид лютеция с добавлением азота
В марте 2023 года ученые Университета Рочестера (США) заявили о создании материала со сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре и нормальном давлении. Но скоро работу уличили в плагиате. Причем в 2020-м руководителя исследования Ранга Диаса и его научную работу, якобы посвященную сверхпроводнику, функционирующему при комнатной температуре, уже обвиняли в плагиате и фальсификации данных.
LK-99
В июле 2023 года южнокорейские физики опубликовали научную работу, где сообщали, что создали материал LK-99, который становится сверхпроводником при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Ученые получили LK-99 в результате обжига минерала ланаркита Pb2SO5 и фосфида меди Cu3P. Но сверхпроводимость этого материала также не была подтверждена другими учеными. Исследователи пытались воспроизвести опыт, но сверхпроводящих свойств у сплава не обнаружили.