"Вярваме, че това е нова ера на свръхпроводимост", каза Ръсел Хемли, учен по материали в Университета Джордж Вашингтон във Вашингтон, D.C., пред тълпа от изследователи на 4 март по време на мартната среща на Американското физическо общество.
Изображения осветиха екрана зад него: схема на устройство за раздробяване на миниатюрни неща между свръхтвърдите точки на противоположни диаманти, графики на температурата и електрическото съпротивление, светеща топка с груб, черен „Х“, прорязан през центъра му.
Последното изображение беше олицетворение на самата нова ера: мъничка проба от суперхидрид на лантан (или LaH10), притиснат до налягания, подобни на тези, открити в ядрото на земното ядро и загрята с лазер до температури, приближаващи се към оживен ден от зимата в Нова Англия , (Това е изгаряне на топлината по стандартите на изследванията за свръхпроводимост, обикновено провеждано в екстремни лабораторни студове.) При тези условия, установили Хемли и неговият екип, LaH10 изглежда спира да се съпротивлява на движението на електрони между своите атоми. Това очевидно става, както Хемли го нарече в разговора си за APS и в документ, публикуван на 14 януари в списанието Physical Review Letters, „свръхпроводник на стайна температура“.
Замразена наука
Още през 1911 г. холандският физик Хайке Камерлинг Онес открил, че при изключително ниски температури определени вещества проявяват необичайни електрически свойства.
При нормални обстоятелства електрически ток, преминаващ през проводим материал (като медна жица), ще загуби известна интензивност по пътя. Дори много добрите проводници, които използваме в нашите електрически мрежи, са несъвършени и не успяват да транспортират цялата енергия от електроцентрала до вашия стенен контакт. Някои електрони просто се губят по пътя.
Но свръхпроводниците са различни. Електрически ток, въведен в контур от свръхпроводящ проводник, ще продължи да кръжи завинаги, без загуба. Свръхпроводниците изхвърлят магнитните полета и затова мощно изтласкват магнитите. Те имат приложения във високоскоростни изчислителни и други технологии. Проблемът е, че видовете изключително ниски температури, при които обикновено работят свръхпроводници, ги правят непрактични за обща употреба.
Лов без карта
Вече повече от век физиците ловуват за свръхпроводимост в по-топли материали. Но намирането на свръхпроводимост е малко като поразително злато: Миналият опит и теориите може да ви кажат къде да го търсите, но всъщност няма да знаете къде е, докато не извършите скъпата и отнемаща време проверка.
"Имате толкова много материали. Имате огромно пространство за проучване", каза Лилия Боери, физик от Римския университет в Сапиенца, която представи работа, след като Хемли проучва възможността за свръхпроводници дори по-топли от LaH10 и обясни защо материали като този са свръхпроводящи при екстремни налягания.
През 1986 г. изследователите откриват керамика, която е била свръхпроводима при температури до 30 градуса над абсолютната нула или минус 406 градуса по Фаренхайт (минус 243 градуса по Целзий). По-късно, през 90-те години на миналия век, изследователите първо се вгледаха сериозно при много високо налягане, за да видят дали могат да разкрият нови видове свръхпроводници.
Но в този момент, заяви Боери пред Live Science, все още няма добър начин да се определи дали даден материал ще се окаже свръхпроводим или при каква температура ще го направи, докато не бъде тестван. В резултат на това критичните температурни записи - температурите, при които се появява свръхпроводност, останаха много ниски.
"Теоретичната рамка беше там, но те нямаха възможността да я използват", каза Боери.
Следващият голям пробив дойде през 2001 г., когато изследователите показаха, че магнезиевият диборид (MgB2) е свръхпроводим при 39 градуса над абсолютната нула или минус 389 F (минус 234 C).
"беше доста ниска", каза тя, "но по онова време беше голям пробив, защото показа, че можете да имате свръхпроводимост с критична температура, която е два пъти по-висока от това, което по-рано се смяташе за възможно."
Раздробяване на водород
Оттогава ловът на топли свръхпроводници се измести по два основни начина: Учените за материали разбраха, че по-леките елементи предлагат мъчителни възможности за свръхпроводимост. Междувременно компютърните модели напреднаха до момента, в който теоретиците можеха да предвидят предварително точно как материалите могат да се държат при екстремни обстоятелства.
Физиците тръгнаха на очевидното място.
„Значи, искате да използвате леки елементи, а най-лекият елемент е водородът“, каза Боери. "Но проблемът е самият водород - това не може да бъде свръхпроводим, защото е изолатор. Така че, за да имаш свръхпроводник, първо трябва да го направиш метал. Трябва да направиш нещо с него и най-доброто нещо, което можеш да направиш. е да го стиснете “.
В химията, метал е почти всяка колекция от атоми, свързани заедно, защото те седят в свободно течаща супа от електрони. Повечето материали, които наричаме метали, като мед или желязо, са метални при стайна температура и при комфортно атмосферно налягане. Но други материали могат да станат метали в по-екстремни среди.
На теория водородът е един от тях. Но има проблем.
„Това изисква много по-висок натиск, отколкото може да се направи с помощта на съществуваща технология“, каза Хемли в беседата си.
Това оставя изследователите да търсят материали, съдържащи много водород, които ще образуват метали - и, да се надяваме, да станат свръхпроводими при постижими налягания.
В момента, каза Боери, теоретиците, работещи с компютърни модели, предлагат на експерименталисти материали, които може да са свръхпроводници. И експерименталистите избират най-добрите варианти за тестване.
Въпреки това има ограничения за стойността на тези модели, каза Хемли. Не всяка прогноза излиза в лабораторията.
"Човек може да използва изчисления много ефективно в тази работа, но човек трябва да го направи критично и да предостави в крайна сметка експериментални тестове", каза той пред събралата се тълпа.
Хемли и „свръхпроводникът на стайна температура“, LaH10, изглежда е най-вълнуващият резултат от тази нова ера на изследванията. Смачкана до около 1 милион пъти повече от налягането на земната атмосфера (200 гигапаскали) между точките на два противоположни диаманта, проба от LaH10 изглежда става свръхпроводима при 260 градуса над абсолютната нула или 8 F (минус 13 C).
Друг цикъл от експеримента, описан в същата книга, изглежда показва свръхпроводимост при 280 градуса над абсолютната нула или 44 F (7 C). Това е мразовита стайна температура, но не твърде трудна за постигане температура.
Хемли завърши беседата си с предположението, че по-нататък тази работа с високо налягане може да доведе до материали, които са свръхпроводници както при топли температури, така и при нормално налягане. Вероятно материал, след като е под налягане, може да остане свръхпроводник след освобождаването на налягането, каза той. Или може би уроците за химичната структура, научени при високи температури, могат да насочат пътя към свръхпроводими структури с ниско налягане.
Това ще бъде смяна на играта, каза Boeri.
"Това нещо е основно фундаментално изследване. Тя няма приложение", каза тя. "Но нека да кажем, че измислите нещо, което работи при налягане, да речем, 10 пъти по-ниско от сега. Това отваря вратата за свръхпроводящи проводници, други неща."
На въпрос дали очаква през живота си да види свръхпроводник на стайна температура и налягане в стаята, тя кимна възторжено.
- Със сигурност - каза тя.
