В поисках комнатных сверхпроводников

Представьте себе мир, в котором поезда с магнитной левитацией (маглев) Это обычное явление, компьютеры работают молниеносно, силовые кабели имеют незначительные потери, и существуют новые детекторы частиц. Это мир, в котором сверхпроводники комнатной температуры являются реальностью. Пока что это мечта о будущем, но ученые как никогда близки к достижению сверхпроводимости при комнатной температуре.

Комнатный сверхпроводник (RTS) является типом высокотемпературного сверхпроводника (высокотемпературный_с или HTS), который работает ближе к комнатная температура чем полный ноль. Тем не менее, рабочая температура выше 0 ° C (273,15 К) все еще значительно ниже того, что большинство из нас считает «нормальной» комнатной температурой (от 20 до 25 ° C). Ниже критической температуры сверхпроводник имеет ноль электрическое сопротивление и изгнание полей магнитного потока. В то время как это упрощение, сверхпроводимость может рассматриваться как состояние совершенного электрическая проводимость.

Высокотемпературные сверхпроводники обладают сверхпроводимостью выше 30 К (-243,2 ° С). В то время как традиционный сверхпроводник должен быть охлажден жидким гелием, чтобы стать сверхпроводящим, высокотемпературный сверхпроводник может быть охлаждение с использованием жидкого азота. Сверхпроводник комнатной температуры, напротив, может быть охлажденный обычным водяным льдом.

Доведение критической температуры сверхпроводимости до практической температуры - это святой Грааль для физиков и инженеров-электриков. Некоторые исследователи считают, что сверхпроводимость при комнатной температуре невозможна, в то время как другие указывают на достижения, которые уже превзошли ранее существовавшие убеждения.

Сверхпроводимость была открыта в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннесом в твердой ртути, охлажденной жидким гелием (Нобелевская премия по физике 1913 года). Только в 1930-х годах ученые предложили объяснение того, как работает сверхпроводимость. В 1933 году Фриц и Хайнц Лондон объяснили Эффект Мейснера, в котором сверхпроводник вытесняет внутренние магнитные поля. Из лондонской теории объяснения выросли до теории Гинзбурга-Ландау (1950) и микроскопической теории БКШ (1957, названной в честь Бардина, Купера и Шриффера). Согласно теории BCS, казалось, что сверхпроводимость была запрещена при температуре выше 30 К. Тем не менее, в 1986 году Беднорц и Мюллер обнаружили первый высокотемпературный сверхпроводник - купрат на основе лантана - перовскитный материал с температурой перехода 35 К. Это открытие принесло им Нобелевскую премию по физике 1987 года и открыло двери для новых открытий.

Самым высокотемпературным сверхпроводником на сегодняшний день, обнаруженным в 2015 году Михаилом Еремецом и его командой, является гидрид серы (H₃S). Гидрид серы имеет температуру перехода около 203 К (-70 ° С), но только при очень высоком давлении (около 150 гигапаскалей). Исследователи предсказать, что критическая температура может быть повышена выше 0 ° C, если атомы серы заменены на фосфор, платину, селен, калий или теллур, и применяется еще более высокое давление. Однако, хотя ученые предложили объяснения поведения сероводородной системы, они не смогли воспроизвести электрическое или магнитное поведение.

Сверхпроводящее поведение при комнатной температуре было заявлено для других материалов, кроме гидрида серы. Высокотемпературный сверхпроводник оксида иттрия, бария, меди (YBCO) может стать сверхпроводящим при 300 К с использованием инфракрасных лазерных импульсов. Физик твердого тела Нил Эшкрофт предсказывает, что твердый металлический водород должен быть сверхпроводящим вблизи комнатной температуры. Гарвардская команда, которая утверждала, что производит металлический водород, сообщила, что эффект Мейснера, возможно, наблюдался при 250 К. На основе экситон-опосредованного электронного спаривания (не фонон-опосредованного спаривания теории BCS), это возможная высокотемпературная сверхпроводимость может наблюдаться в органических полимерах под правой условия.

Многочисленные сообщения о сверхпроводимости при комнатной температуре появляются в научной литературе, поэтому к 2018 году достижение представляется возможным. Однако эффект редко длится долго и его чертовски сложно воспроизвести. Другая проблема заключается в том, что для достижения эффекта Мейснера может потребоваться экстремальное давление. После производства стабильного материала наиболее очевидными областями применения являются разработка эффективной электропроводки и мощных электромагнитов. Оттуда небо является пределом для электроники. Комнатный сверхпроводник обеспечивает возможность потери энергии при практической температуре. Большинство приложений RTS еще предстоит представить.

• Комнатный сверхпроводник (RTS) представляет собой материал, способный к сверхпроводимости выше температуры 0 ° C. Это не обязательно сверхпроводящий при нормальной комнатной температуре.
• Хотя многие исследователи утверждают, что наблюдали сверхпроводимость при комнатной температуре, ученые не смогли достоверно воспроизвести результаты. Тем не менее, существуют высокотемпературные сверхпроводники с температурами перехода от -243,2 ° C до -135 ° C.
• Потенциальные области применения сверхпроводников при комнатной температуре включают более быстрые компьютеры, новые методы хранения данных и улучшенную передачу энергии.

• Беднорз, Дж. ГРАММ.; Мюллер, К. A. (1986). «Возможна высокая TC сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O». Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189–193.
• Дроздов А. П.; Еремец, М. Я.; Троян И. A.; Ксенофонтов, В.; Шилин С. Я. (2015). «Обычная сверхпроводимость при 203 Кельвина при высоких давлениях в сероводородной системе». Природа. 525: 73–6.
• Ge, Y. F.; Чжан Ф.; Яо, Ю. ГРАММ. (2016). «Первопринципная демонстрация сверхпроводимости при 280 К в сероводороде с низким содержанием фосфора». Phys. Rev. В. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Справочник по высокотемпературной сверхпроводниковой электронике. CRC Press.
• Mankowsky, R.; Субеди, А.; Först, M.; Mariager, S. О.; Chollet, M.; Лемке Х. Т.; Робинсон, Дж. S.; Гловния, Дж. М.; Минитти, М. П.; Франо А.; Фехнер, М.; Спалдин Н..; Loew, T.; Keimer, B.; Жорж А.; Каваллери, А. (2014). «Нелинейная динамика решетки как основа повышенной сверхпроводимости в YBa»₂Cu₃О_6.5". Природа. 516 (7529): 71–73.
• Мурачкин А. (2004). Комнатная сверхпроводимость. Cambridge International Science Publishing.