По мнению нобелевского лауреата по физике Виталия Гинзбурга, открытие сверхпроводимости при обычных температурах и давлении — одна из главных научных задач XXI века. Периодически новости об этом будоражат СМИ. Последний раз это произошло совсем недавно — 22 июля на arXiv.org был выложен препринт статьи корейских физиков. В ней сообщалось о том, что в материале LK-99 (фосфат свинца с примесью меди, похожий на минерал апатит) сверхпроводимость наступает при +30 и атмосферном давлении. Что же такое сверхпроводимость и как можно применить это свойство в народном хозяйстве?
Как открывали сверхпроводимость
Эта история началась в начале ХХ века, когда ученые обнаружили, что некоторые материалы при очень низких температурах обладают уникальными свойствами. Они могут проводить электрический ток без какого-либо сопротивления, что отличается от обычных материалов, которые теряют энергию в виде тепла при проведении электрического тока. Например, при передаче электричества по высоковольтным линиям потери могут достигать 30 %!
Первое открытие сверхпроводимости было сделано в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлингхом Оннесом. Он работал с ртутью и обнаружил, что при охлаждении ее до очень низких температур, около 4.2 К (–268,95 °C), ее сопротивление исчезает полностью. Это было первое доказательство существования сверхпроводимости.
В последующие годы ученые исследовали другие материалы и обнаружили, что сверхпроводимость может проявляться при еще более низких температурах. Однако в 1986 году нобелевские лауреаты Алекс Мюллер и Йоханнес Беднорц открыли новый класс сверхпроводников, основанный на керамических материалах, называемых высокотемпературными сверхпроводниками. Эти материалы обладали сверхпроводимостью при температурах выше 30 К (-243.15 °C), что было значительно выше, чем предыдущие сверхпроводники.
Впоследствии ученые открывали сверхпроводимость и при более высоких температурах, но за это приходилось «расплачиваться» огромным давлением: от сотен тысяч до миллионов атмосфер.
Немного квантовой физики
Без нее не обойтись, чтобы понять, что такое сверхпроводимость, но многие подробности в объяснении мы опустим. Суть явления в том, что электроны в сверхпроводнике могут двигаться без потерь энергии. И мы не знаем точно, как это происходит. Общепринятую теорию в 1957 году предложили физики Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер. Она объясняет сверхпроводимость особенностью взаимодействия электронов в материале. Эта теория, известная как теория БКШ, стала основой для понимания явления, а физики получили за нее нобелевскую премию.
Что такое ток и почему возникает сопротивление? Любой проводник можно представить как расположенные решеткой атомы, которые окружены облаком свободных электронов. Эти электроны находятся на внешних энергетических уровнях, поэтому легко «отрываются» от своего атома.
Если подать на материал напряжение, то свободные электроны начинают двигаться от плюса к минусу. Печаль в том, что атомы не статичны, они вибрируют в решетке. Поэтому электроны сталкиваются с ними, отдавая часть своей энергии. Именно эту энергию мы ощущаем в виде тепла и света, которые излучаются материалами при прохождении через них тока.
При понижении температуры вибрация атомов уменьшается, столкновений становится меньше и сопротивление падает. Но почему оно становится равно нулю?
В атомах кристаллической решетки проводника протонов больше, чем электронов (электроны с внешних уровней легко отрываются и становятся свободными) — по сути, они положительно заряженные ионы. Поэтому электроны, двигаясь по очень охлажденному проводнику, даже не сталкиваясь с атомами решетки, все равно немного притягивают их. Пролетев, такой электрон оставляет после себя область положительных зарядов, которая притягивает другой электрон. Таким образом две частицы (такие связанные электроны называют куперовской парой) следуют друг за другом, и это явление становится самоподдерживающимся. Вместо облака электронов образуется совокупность куперовских пар, которые движутся вместе без взаимодействия с другими частицами.
При этом куперовские пары приходят в состояние с минимумом энергии. Чтобы возникало сопротивление, как мы помним, электроны, сталкиваясь, отдают часть своей энергии. Но куперовским парам нечего отдать — и сопротивление становится равным нулю.
Где применить?
Иследователи и инженеры стремятся найти материалы, которые проявляют сверхпроводимость при более высоких температурах, включая комнатную. Это позволило бы использовать сверхпроводники в широком спектре технологий и устройств без необходимости охлаждения до экстремально низких температур.
Если бы удалось достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, это привело бы к революционным изменениям в энергетике, электронике и магнитных технологиях. Например, сверхпроводящие электрические кабели могли бы передавать электроэнергию без потерь, что повысило бы эффективность и экономию энергии. Также сверхпроводники могли бы использоваться для создания более мощных и компактных электронных устройств, а также более сильных и эффективных магнитов для медицинских и научных приложений.
В энергетике сверхпроводящие материалы могут использоваться для создания эффективных источников энергии и передачи ее на расстояние без потерь. Это приведет к более эффективному использованию ресурсов и снижению потребления энергии.
Сверхпроводимость может применяться в магнитных подвесах для создания сверхскоростных поездов типа маглев, которые могут достигать огромных скоростей без трения.
В медицинае сверхпроводимые магниты используются в МРТ для создания сильных магнитных полей, необходимых для получения детальных изображений внутренних органов и тканей человека.
Сверхпроводимость может быть применена в разработке более эффективных и быстрых компьютеров и сверхскоростных сетей передачи данных. Это может привести к более быстрой и надежной связи, а также к развитию новых технологий, таких как квантовые компьютеры. В последних сверхпроводимые материалы можно использовать для создания кубитов — квантовых аналогов классических битов, что позволяет выполнять вычисления с большей скоростью и эффективностью.
Сверхпроводимость может открыть новые возможности для научных исследований, таких как создание более мощных магнитов для экспериментов в физике частиц или разработки новых материалов с уникальными свойствами. Ускорители частиц смогут разгонять их до больших скоростей, тратя меньше энергии. Это сулит новые открытия в квантовой физике.
Оправданный скептицизм
Сверхпроводимость имеет огромный потенциал для развития новых технологий и применений в будущем. сверхпроводимость все еще находится в стадии исследований, и ее широкое применение может потребовать значительных технологических и инфраструктурных изменений. Исследования в этой области продолжаются, и ученые надеются на разработку новых материалов и технологий, которые позволят использовать сверхпроводимость в широком спектре приложений.
Увы, сообщения о новых открытиях в этой области встречаются со все большим скептицизмом — слишком много надежд не оправдались. Так, в начале века разразился грандиозный скандал вокруг физика Яна Хендрика Шона. Он заявил о достижении сверхпроводимости при 117 кельвинах. Но результаты не подтвердились, и около 20 статье Шона были отозваны.
Похожее заявление в 2020 году сделала группа под руководством Ранги Диаса. Она утверждала, что достигла сверхпроводимости при +15 по Цельсию (но при давлении в 2,67 миллиона атмосфер). Но и эта статья была отозвана, так как подтвердить открытие независимо не удалось. В марте 2023-го та же группа снова заявила об открытии сверхпроводимости при +21 по Цельсию и 10 тысячах атмосфер. Однако подмоченная репутация сразу же заставила усомниться в результатах, а теперь уже вторая статья Диаса будет отозвана.
Упомянутое в начале статьи открытие группы под руководством Ен Ван Квона на фоне предыдущих провалов столкнулось с большим скептицизмом со стороны научного сообщества. Результаты исследований должны быть проверены независимыми группами, и это займет много времени.
Даже если удастся подтвердить открытие, это еще не означает, что мы мгновенно окажемся в новой эре. Материал может оказаться сложным или дорогим для массового производства или вовсе не пригодным для использования. Так что сверхпроводящих проводов к нашим чайникам и ноутбукам придется ждать еще долго.