Как сделать сверхпроводник
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
Учёные Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики совместно с коллегами из других научных центров разработали теоретическую модель сверхпроводимости при комнатной температуре. Компоненты успеха просты: полупроводник особой структуры, металл-сверхпроводник (например, алюминий) и луч лазера. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Сверхпроводимость – это состояние, когда электрическое сопротивление материала строго равно нулю. Передача энергии без потерь не только экономит человечеству ресурсы, но и позволяет создавать сверхмощные магнитные поля, благодаря которым работает Большой адронный коллайдер и транспорт на магнитной подушке.
Увы, чтобы материал достиг сверхпроводящего состояния, его требуется сильно охладить. А идея залить линии электропередач жидким гелием никак не тянет на предложение по экономии средств. Поэтому физики много лет ведут борьбу за повышение температуры сверхпроводимости. При этом важно ещё, чтобы материал не был хрупким, токсичным, слишком дорогим и так далее.
До сих пор рекордно высокой температурой сверхпроводимости остаётся отметка в минус 70 градусов Цельсия. Однако в 2010 году Алексей Кавокин (СПбГУ), Иван Шелых (Университет ИТМО) и Фабрис Лосси (Fabrice Laussy, Российский квантовый центр) выдвинули идею, которая поможет преодолеть эту планку.
Спустя несколько лет такая сверхпроводимость была продемонстрирована в лаборатории командой Андреа Каваллери (Andrea Cavalleri) из Института структуры и динамики вещества Макса Планка.
Новая работа группы Кавокина добавляет к теории важный элемент. Как поясняется в пресс-релизе, речь идёт о том, что эффективность процесса можно резко повысить. Для этого нужно добавить в облучаемый материал слой самого обычного металла, такого как алюминий.
Сам по себе этот металл будет сверхпроводником (как говорят специалисты, сверхпроводником Бардина-Купера-Шриффера) лишь при очень низких температурах, когда колебания кристаллической решётки "склеивают" электроны в куперовские пары. Однако в присутствии специально подобранного полупроводника, в котором излучением лазера создаются те самые поляритоны, металл превращается в сверхпроводник при гораздо более высокой температуре – возможно, близкой к комнатной.
В своей работе авторы обсуждают также дизайн строения структуры, пригодной для экспериментальной проверки построенной теории.
Сверхпроводники можно назвать одними из самых интересных и удивительных материалов в природе. Не поддающиеся логическому обсуждению квантово-механические эффекты приводят к тому, что у сверхпроводников ниже критической температуры совершенно исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя никакой энергии, означает передачу энергии практически без потери в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.
Сверхпроводники могут многое
Более того, сверхпроводящий провод, переносящий ток без потерь, станет отличным хранилищем электроэнергии. В отличие от батарей, которые со временем ухудшаются, если сопротивление будет действительно нулевым, можно будет найти сверхпроводник через миллиард лет и обнаружить, что в нем течет все тот же старый ток. Энергию можно было бы хранить неограниченно долго!
В отсутствие сопротивления через сверхпроводящий провод можно было бы пропускать мощный ток и получать магнитные поля невероятной мощности.
Их можно было бы использовать для левитирующих поездов и невероятного разгона, преобразовав всю транспортную систему. Можно было бы использовать на электростанциях, заменяя обычные методы, которые вращают турбину в магнитных поля для генерации электричества, и в квантовых компьютерах, в которых нули и единицы (обычные биты) заменяются текущим по часовой или против часовой стрелки током в сверхпроводнике.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Артур Кларк однажды сказал, что достаточно развитая технология будет неотличима от магии; сверхпроводники определенно похожи на волшебные устройства. Почему же они до сих пор не изменили наш мир? Проблема в критической температуре.
Для большинства известных таких материалов критическая температура — это сотни градусов ниже точки замерзания. У сверхпроводников также есть критическое магнитное поле; за пределами магнитного поля определенной силы они перестают работать. Так вышло, что материалы с внутренней высокой критической температурой зачастую предлагают и самые мощные магнитные поля при охлаждении значительно ниже этой температуры.
Это значит, что применение сверхпроводников до сих пор было ограничено ситуациями, когда вы могли позволить себе охлаждение компонентов почти до температуры абсолютного нуля: в ускорителях частиц и на экспериментальных реакторах ядерного синтеза, например.
Но даже если некоторые аспекты сверхпроводниковых технологий ограничивают их в применении, поиск высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Многие физики все еще верят, что сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут существовать. И такое открытие проложило бы дорогу невероятным новым технологиям.
Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре
После того, как Хейке Камерлинг-Оннес случайно открыл сверхпроводимость, пытаясь доказать теорию лорда Кельвина о том, что сопротивление будет расти при понижении температуры, теоретики пытаются объяснить новое свойство в надежде, что его понимание позволит создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.
Так появилась теория БКШ (Бардина, Купера, Шриффера), которая объясняет некоторые свойства сверхпроводников. Также было предсказано, что мечта технологов, сверхпроводники при комнатной температуре, может быть неосуществима; максимальная температура сверхпроводимости согласно теории БКШ составляла всего 30 градусов выше абсолютного нуля.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Учитывая ограничения высокотемпературных сверхпроводников, ученые продолжают полагать, что есть лучший вариант, ожидающий открытия — невероятный новый материал, который сделает сверхпроводимость доступной, практичной, а главное — работающей при комнатной температуре.
Сверхпроводники
Без подробного теоретического понимания возникновения этого явления — хотя существенный прогресс делается постоянно — ученые иногда чувствуют, что занимаются гаданием на кофейной гуще, пытаясь подобрать подходящие материалы. Это похоже на попытку угадать номер телефона, который составлен из таблицы периодических элементов вместо цифр. Но перспектива остается и очень волнует. Нобелевская премия и дивный, новый мир энергии и электричества — неплохая награда за успешный результат.
Это может быть будущим.
В некоторых исследованиях основное внимание уделяется купратам, сложным кристаллам, содержащим слои меди и атомов кислорода. Соединение купратов с различными элементами, экзотическими соединениями вроде ртуть-барий-кальций-медь оксида, создают лучшие сверхпроводники, известные сегодня.
В начале 2017 года, исследуя самые экстремальные и экзотические формы материи, которые мы можем создать на Земле, ученые умудрились сжать водород до состояния металла. Для этого им понадобилось давление, превышающее давление в ядре Земли и в тысячи раз большее, чем на дне океана. Некоторые ученые в этой области — физике конденсированной материи — вообще сомневаются, что металлический водород удалось произвести.
Однако полагается, что металлический водород может быть сверхпроводником, работающим при комнатной температуре. Но работа с образцами оказывается очень сложной, потому что даже алмазы, содержащие металлический водород, не выдерживают катастрофического давления.
Сверхпроводимость — или поведение, сильно ее напоминающее, — также наблюдалась у иттрий-барий-медь оксида при комнатной температуре в 2014 году. Проблема лишь в том, что транспорт электрона проходил лишь крошечную долю секунды и требовал бомбардировки материала лазерными импульсами.
Интересные открытия
И другие новые материалы демонстрируют любопытные свойства. Нобелевская премия по физике 2016 года была присуждена за теоретическую работу, которая характеризует топологические изоляторы — материалы, проявляющие похожее странное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами в общей массе материала, но необычайно хорошими сверхпроводниками в тонком слое на поверхности.
Microsoft делает ставку на топологические изоляторы в качестве ключевого компонента квантового компьютера. Также они считаются потенциально важными компонентами миниатюрных микросхем.
Сверхпроводимость при комнатной температуре остается такой же неуловимой и захватывающей, какой и была на протяжении более века. Непонятно, может ли существовать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим показателем того, что необычные и очень полезные квантовые эффекты могут быть найдены совершенно неожиданно.
Возможно, в будущем — при помощи искусственного интеллекта или открытий камерлингов-оннесов 21 века — эти технологии также станут неотличимы от магии.
Как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?
Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по настоящему изолировать два магнита. То есть, чтобы эти два магнита можно было по разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет. Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.
Диамагнетик.
Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик. Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле. Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика. Из-за этого многие ошибочно думают, что если один или оба магнита замуровать в куске диамагнетика, то, якобы, их притяжение или их отталкивание ослабеет.
Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.
А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.
Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.
Идеальный диамагнетик
Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.
В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов. При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.
Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, "пробивает" материал диамагнетика насквозь.
Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.
На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.
Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля
Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.
Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.
Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.
Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.
Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.
Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)
Разделение пространства сверхпроводником
По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего трехмерного пространства на две части, которые не соединены друг с другом. Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности. Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.
Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.
И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.
Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить во внутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи. Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует привутствие первого. Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть во внутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.
Наконец, оба магнита мы можем как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется. На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат. Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.
Разумеется вместо сферы можно взять любую другую форму поверхности, например, эллипсоид или поверхность в виде коробки и т.п. Лишь бы она делила пространство на две части. То есть в этой поверхности не должно быть дырочки, через которую может пролезть силовая линия, которая соединит внутренний и внешний магниты.
Процесс лазерного осаждения слоя сверхпроводника на металлическую ленту проходит в вакууме при температуре около 800 градусов.
Фото: Предоставлено компанией «С-Инновации.
Керамика на проводе
Четыре Нобелевские премии
Технология с цифрой
Многослойный ВТСП-провод производят в ходе многостадийного процесса с применением современных физических и химических методов получения покрытий.
Фото: Предоставлено компанией «С-Инновации.
Термоядерный синтез и не только
В этой вакуумной установке на металлическую ленту последовательно наносится шесть оксидных покрытий общей толщиной всего 120 нанометров
Читайте также: