Подтверждено: создан сверхпроводник, работающий при «земной» температуре

14 821 просмотр
Об авторе

Сверхпроводники

Физики обнаружили материал, который становится сверхпроводящим при температуре немногим выше, чем самая холодная температура на Земле. Это открытие может ознаменовать новую эру изучения сверхпроводимости. Мир сверхпроводимости загудел. В прошлом году Михаил Еремец и пара его коллег из Института химии Макса Планка в Майнце, Германия, сделали необычные заявление о наблюдении сверхпроводящего сероводорода при -70 градусах по Цельсию. Это на 20 градусов выше любого другого материала, за которым остается текущий рекорд.

Результаты работы ученых начали обсуждать в прошлом декабре, когда их впервые разместили на arXiv. На тот момент физики осторожно высказывались о своей работе. История сверхпроводимости усеяна трупами сомнительных заявлений о высокотемпературной активности, которые впоследствии оказалось невозможно воспроизвести.

С тех пор прошло довольно много времени, Еремец и коллеги упорно трудились, чтобы соорудить окончательные и убедительные доказательства. Несколько недель назад их работа была опубликована в журнале Nature, тем самым поставив штамп респектабельности, необходимой в современной физике. Сверхпроводники снова замелькали в заголовках.

Антинио Бьянцони и Томас Ярлборг из Римского международного центра материаловедения в Италии сделали обзор своей захватывающей области работы. И проделали теоретическую работу, разъясняющую труды Еремца и его коллег.

Для начала немного предыстории. Сверхпроводимость — это явление нулевого электрического сопротивления, которое встречается в некоторых материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры.

Это явление хорошо известно в обычных сверхпроводниках, которые по сути являются жесткими решетками положительных ионов, купающихся в море электронов. Электрическое сопротивление возникает, поскольку электроны врезаются в эти решетки и теряют энергию по мере движения через нее.

Однако при низких температурах электроны могут соединяться друг с другом с образованием куперовских пар. В то же время решетка становится достаточно жесткой, чтобы позволить когерентное движение волн, называемых фононами.

Сверхпроводимость рождается, когда куперовские пары и фононы путешествуют вместе через материал, и волны существенно расчищают путь для электронных пар. Это наступает, когда вибрации решетки — ее температура — становится достаточно сильной, чтобы разорвать куперовские пары. Это критическая температура.

До недавнего момента самой высокой критической температурой такого рода была отметка в -230 градусов по Цельсию (40 по Кельвину).

Существует три основных характеристики, которые ищут ученые для подтверждения сверхпроводимости материала. Первая — внезапное падение электрического сопротивления, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Вторая — вытеснение магнитного поля из материала, эффект, известный как эффект Мейснера.

Третья — изменение критической температуры, когда атомы в материале заменяются изотопами. Происходит это потому, что разница в массе изотопов приводит к тому, что решетка вибрирует по-разному, что меняет критическую температуру.

Сверхпроводники

Но есть еще один вид сверхпроводимости, гораздо менее понятный. Он включает определенные керамические вещества, обнаруженные в 1980-х годах, которые становятся сверхпроводящими при температурах до -110 градусов по Цельсию. Никто на самом деле не понимает, как они работают, но большая часть исследований в сообществе сверхпроводимости сосредоточена на этих экзотических материалах.

Еремец и его коллеги, скорее всего, изменили расстановку позиций. Возможно, самым большим сюрпризом в их прорыве стало то, что он не включает «высокотемпературный» сверхпроводник. Он включает обычный сероводород, за которым никогда не замечали, чтобы он был сверхпроводником при температурах выше 40 градусов по Кельвину.

Еремец и его коллеги достигли своей цели, сжав этот материал под давлением, которое существует только в центре Земли. В то же время им удалось обнаружить доказательства всех важнейших характеристик сверхпроводимости.

А пока их эксперименты продолжаются, теоретики ломают голову, пытаясь это объяснить. Многие физики считали, что была некая теоретическая причина того, почему традиционные сверхпроводники не могут работать при температуре выше 40 градусов по Кельвину. Но оказалось, что в теории нет ничего, что препятствует работе сверхпроводников при более высоких температурах.

В 1960-х годах британский физик Нил Эшкрофт предсказал, что водород должен быть в состоянии сверхпроводить при высоких температурах и давлениях, возможно, даже при комнатной температуре. Его идея заключалась в том, что водород настолько легкий, что должен образовывать решетку, способную вибрировать при очень высоких частотах и, следовательно, становиться серхпроводником при высоких температурах и давлениях.

Еремец и его коллеги, похоже, подтвердили эту идею. Или по крайней мере что-то вроде этого. Есть множество теоретических складок, которые нужно убрать, прежде чем физики смогут сказать, что имеют правильное понимание происходящего. Теоретическая работа продолжается.

Теперь гонка заключается в поиске других сверхпроводников, которые будут работать при еще более высоких температурах. Одним из перспективных кандидатов является H3S (а не H2S, над которым изначально работал Еремец).

И, конечно, физики начинают думать над применениями. Использовать такие материалы весьма непросто, и не только потому, что они являются сверхпроводниками при высоких давлениях.

Но фантазировать не мешает ничего. «Это открытие имеет значение не только для материаловедения и конденсированной материи, но и в других сферах, от квантовых вычислений до квантовой физики живой материи», — говорят Бьянцони и Ярлборг. Они также выдвигают интересную идею, что такой сверхпроводник работает при температуре, которая на 19 градусов выше самой холодной температуры на Земле.

Возможно, в ближайшие месяцы и годы мы услышим еще много интересного о сверхпроводниках.

Подтверждено: создан сверхпроводник, работающий при «земной» температуре

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

5 комментариев

  1. Nuchoty

    "Сверхпроводимость рождается, когда куперовские пары и фононы путешествуют вместе через материал, и волны существенно расчищают путь для электронных пар. ЭТО НАСТУПАЕТ, когда вибрации решетки — ее температура — становится достаточно сильной, чтобы разорвать куперовские пары. Это критическая температура."

    Вообще-то наоборот, это "разнаступает", когда вибрация решетки рвет такие пары. Уж если переводите гуглом без ссылок на источник, надо бы проверять смысл.

    • tdk

      И опять многообещающее название статьи превращается в "перспективный, возможный, немного лучше". До реального практического применения еще очень далеко, даже с теорией не все ясно.

      • Vladimir8

        Давайте теперь откажемся от сверхпроводников, из-за того что все еще пока на стадии первопроходцев. Теорию "подгонят" позже (не привыкать) - это не мешает экспериментам. Главное теперь знают где "копать", только ленивый не будет эксперементировать со сверхпроводимостью водорода.

        Перевод, конечно, вообще жесть - NUCHOTY писал про неточности. Фонон вообще не может путешествовать- т.к. не существует в физике, это упрощенное измерение для наложения волн - осцилляции.

  2. Ce3apyc

    Ни одно, так другое. То охлаждать нужно до сверхнизких температур, то давление центра земли создавать. И еще не известно, что легче.

  3. DobriyDen

    Действительно, перевод малость корявый(. Суть сверхпроводимости, насколько я понимаю, заключается в следующем. В структуре вещества электроны способны влиять на друг друга неожиданным образом. Это и удивительно, т,к., имея одинаковый заряд, по идее они должны отталкиваться и не реагировать между собой. Этот эффект и называется Куперовские пары: атомы с положительным зарядом реагируют с одним из электронов,изменяя свои характеристики ни ничтожную величину и это незначительное изменение влияет на 2й электрон, создавая самую пару. Естественно эффекты эти настолько слабые,что при нормальных условиях никак себя не проявляют. Как только мы охлаждаем вещество до низких температур и устраняем излишки внутренней энергии, Куперовские пары перестают распадаться. Дальше самое интересное. Т.к. спин одного электрона равен 1/2, два связанных электрона дают целый спин, и образуют бозон. Бозоны в свою очередь вызывают еще один интересный эффект- они образуют единое квантовое состояние,называемое Бозе-конденсат. В этом состояние все его участники ведут себя как одно целое, что позволяет существовать сверхпроводимости. Эта теория получила название БКШ и имеет фундаментальное значение для физики.Возможно будущие крупные открытия будут сделаны именно в этой сфере. Данные товарищи, видимо, пытаются понять с чем связано пороговое значение развития эффекта и новый кандидат для исследования задает перспективное направление. Надо сказать, что веществ с высокой температурой проявления эффекта сверхпроводимости уже довольно много. Например, обычный диборид магния становится сверхпроводником при -117С. Есть даже диэлектрики). Практическое применение таких материалов пока ограниченно,т.к. при сколько-то значимых токах состояние поддерживать невозможно.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.