"Me usume, et see on nüüd uus ülijuhtivuse ajastu," rääkis Washingtonis asuva George Washingtoni ülikooli materjaliteadlane Russell Hemley 4. märtsil Ameerika füüsikaühingu märtsikuisel koosolekul teadlaste rahvahulgale.
Pildid, mis valgustasid tema taga ekraani: skemaatiline seade pisikeste asjade purustamiseks vastandite teemantide üliraskete punktide vahel, temperatuuri ja elektritakistuse graafikud, hõõguv pall, mille keskel on kaldus kare, must "X" täht.
See viimane pilt oli uue ajastu enda kehastus: pisike lantaani superhüdriidi (või LaH10) proov, mida pressiti sarnaselt sellistele rõhkudele, mis leiti osaliselt Maa tuuma kaudu, ja kuumutati laseriga temperatuuridele, mis lähenevad New Englandi hoogsal talvepäeval hoogsalt . (See on kuumtöötlemine ülijuhtivuse uuringute standardite kohaselt, mis viiakse tavaliselt läbi äärmuslikes laboratoorsetes külmades.) Sellistes tingimustes näib Hemley ja tema meeskond, et LaH10 peatab elektronide liikumise oma aatomite vahel. Ilmselt saab sellest, nagu Hemley seda oma APS-i kõnes ja 14. jaanuaril ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklis nimetas, "toatemperatuuri ülijuhiks".
Külmutatud teadus
1911. aastal avastas Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes, et eriti madalatel temperatuuridel on teatud ainetel ebaharilikud elektrilised omadused.
Tavaolukorras kaotab juhtivast materjalist (nagu vasktraat) läbiv elektrivool teel teatud intensiivsust. Isegi väga head juhid, mida me oma elektrivõrkudes kasutame, on ebatäiuslikud ega suuda kogu energiat elektrijaamast teie seinakontakti transportida. Mõned elektronid lihtsalt kaovad teel.
Kuid ülijuhid on erinevad. Ülijuhtiva juhtme ahelasse sisestatud elektrivool jätkub ringi igavesti, ilma kadudeta. Ülijuhid väljutavad magnetväljad ja suruvad seetõttu magnetid võimsalt eemale. Neil on rakendused kiire andmetöötluse ja muude tehnoloogiate alal. Probleem on selles, et väga madalad temperatuurid, mille korral ülijuhid tavaliselt töötavad, muudavad need tavakasutuseks ebapraktiliseks.
Jaht ilma kaardita
Füüsikud on enam kui sajandi vältel jahti soojemate materjalide ülijuhtivusele. Kuid ülijuhtivuse leidmine sarnaneb veidi kulla löömisega: Varasemad kogemused ja teooriad võivad teile üldjoontes öelda, kust seda otsida, kuid te ei tea tegelikult, kus see asub, enne kui teete kalli ja aeganõudva kontrollimistöö.
"Teil on nii palju materjale. Teil on tohutult ruumi uurida," ütles Rooma Sapienza ülikooli füüsik Lilia Boeri, kes esitas töö pärast seda, kui Hemley uuris ülijuhtide võimalust veelgi soojemaks kui LaH10, ja selgitas, miks sellised materjalid on ülijuhtiv äärmuslikel rõhkudel.
1986. aastal avastasid teadlased keraamika, mis oli ülijuhtiv temperatuuril kuni 30 kraadi üle absoluutse nulli või miinus 406 kraadi Fahrenheiti (miinus 243 kraadi Celsiuse järgi). Hiljem, 1990. aastatel, vaatasid teadlased kõigepealt tõsiselt väga suurt survet, et näha, kas need võivad paljastada uut tüüpi ülijuhte.
Kuid sel hetkel ütles Boeri Live Science'ile, et testimise ajal pole veel ühtegi head viisi kindlaks teha, kas materjal osutub ülijuhtivuseks või millisel temperatuuril see toimib. Selle tulemusel püsisid kriitilised temperatuurirekordid - temperatuurid, mille korral ilmneb ülijuhtivus - väga madalad.
"Teoreetiline raamistik oli olemas, kuid neil polnud võimalust seda kasutada," sõnas Boeri.
Järgmine suur läbimurre leidis aset 2001. aastal, kui teadlased näitasid, et magneesium diboriid (MgB2) oli ülijuhtiv temperatuuril 39 kraadi üle absoluutse nulli ehk miinus 389 F (miinus 234 C).
"oli üsna madal," sõnas naine, "kuid sel ajal oli see suur läbimurre, sest see näitas, et teil võib olla ülijuhtivus kriitilise temperatuuriga, mis on kaks korda kõrgem kui seni arvati olevat võimalik."
Vesiniku purustamine
Pärast seda on soojade ülijuhtide jaht nihkunud kahel viisil: materjaliteadlased mõistsid, et heledamad elemendid pakuvad ülijuhtivuse jaoks ahvatlevaid võimalusi. Vahepeal arenesid arvutimudelid nii kaugele, et teoreetikud suutsid ette täpselt ette näha, kuidas materjalid äärmuslikes olukordades käituvad.
Füüsikud alustasid ilmselges kohas.
"Niisiis, soovite kasutada kergeid elemente ja kõige kergem element on vesinik," ütles Boeri. "Kuid probleem on vesinik ise - seda ei saa muuta ülijuhiliseks, kuna see on isolaator. Niisiis, et ülijuhtivus oleks, peate kõigepealt sellest metalli tegema. Peate sellega midagi tegema ja parim, mida teha saate. on pigistada. "
Keemias on metall peaaegu ükskõik milline aatomite kogu, mis on omavahel ühendatud, kuna need istuvad vabalt voolavas elektronide supis. Enamik materjale, mida me nimetame metallideks, nagu vask või raud, on toatemperatuuril ja mugavas atmosfäärirõhus metallilised. Kuid muud materjalid võivad muutuda metallideks ekstreemsemas keskkonnas.
Teoreetiliselt on vesinik üks neist. Kuid seal on probleem.
"See nõuab palju suuremat survet, kui seda saab teha olemasolevat tehnoloogiat kasutades," ütles Hemley oma jutus.
See jätab teadlaste jahi materjalide jaoks, mis sisaldavad palju vesinikku ja millest moodustuvad metallid - ja loodetavasti muutuvad saavutatava rõhu korral ülijuhtivuseks.
Praegu ütles Boeri, et arvutimudelitega töötavad teoreetikud pakuvad eksperimenteerijatele materjale, mis võivad olla ülijuhid. Ja eksperimenteerijad valivad proovimiseks parimad võimalused.
Hemley sõnul on nende mudelite väärtusel siiski piirid. Mitte iga ennustus ei lähe laborisse.
"Selles töös saab arvutusi kasutada väga tõhusalt, kuid tuleb seda teha kriitiliselt ja anda lõppkokkuvõttes eksperimentaalsed testid," rääkis ta kokkupandud rahvahulgale.
Hemley ja tema meeskonna "toatemperatuuri ülijuhi LaH10" näib olevat selle uue uurimistöö ajastu kõige põnevam tulemus. Lah10 proov, mis on purustatud kahe atmosfääri rõhu (miljon gigapaskalit) kahe miljonilise kahe rombitud punkti vahel, on LaH10 proov ülijuhtiv temperatuuril 260 kraadi üle absoluutse nulli ehk 8 F (miinus 13 C).
Veel nähtub, et samas dokumendis kirjeldatud katse teine etapp näitas ülijuhtivust temperatuuril 280 kraadi üle absoluutse nulli ehk 44 F (7 ° C). See on jahe toatemperatuur, kuid mitte liiga keeruline temperatuur.
Hemley lõpetas oma jutu vihjates, et mööda teed võib see kõrgrõhutöö viia materjalideni, mis on ülijuhid nii sooja temperatuuri kui ka normaalse rõhu korral. Võib-olla võib materjal, kui see on survestatud, jääda pärast rõhu vabastamist ülijuhiks, ütles ta. Või võivad kõrgel temperatuuril õpitud keemilise struktuuri õppetunnid suunata ülijuhtivate madalrõhu struktuuride juurde.
See oleks mänguvahetaja, ütles Boeri.
"See asi on põhimõtteliselt alusuuring. Sellel pole rakendust," sõnas naine. "Kuid ütleme, et tulete välja millegi, mis töötab näiteks 10 korda madalama rõhu all, siis avaneb uks ülijuhtivate juhtmete ja muude asjade jaoks."
Küsimusele, kas ta loodab oma elu jooksul näha toatemperatuuril olevat toatemperatuuri ülijuhti, noogutas ta entusiastlikult.
"Kindlasti," ütles naine.
