Как сверхпроводники при комнатной температуре могут изменить науку?

Ажиотаж, вызванный LK-99 — фиолетовым кристаллом, который должен был изменить мир — теперь утих после того, как исследования показали, что он не является сверхпроводником. Но остается вопрос: может ли настоящий сверхпроводник при комнатной температуре быть революционным?

Ответ в том, что это зависит от приложения и от того, обладает ли виртуальный материал другими важными качествами. Но, по крайней мере, в некоторых областях науки, особенно в тех, которые используют сильные магнитные поля, более совершенные сверхпроводники, вероятно, окажут большое влияние.

Сверхпроводники — это материалы, которые при определенной температуре начинают проводить электрический ток без сопротивления и, следовательно, не выделяют лишнего тепла. Но все подтвержденные сверхпроводники проявляют это свойство только при низких температурах или экстремальных давлениях, или и то, и другое. Некоторые учёные ищут материалы, у которых переход к сверхпроводимости происходит в обычных условиях, при комнатной температуре и окружающем давлении.

Хотя сегодняшние требования к низким температурам для сверхпроводников серьезно ограничивают их использование в повседневных целях, этот материал стал настолько повсеместным в лабораториях, что исследователи могут использовать ряд методов для снижения его температуры. Это выполнимо, но часто увеличивает стоимость и сложность опыта.

Крайним примером этого является Большой адронный коллайдер (БАК), ускоритель, расположенный в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария. Чтобы протоны двигались по 27-километровому кругу, Большой адронный коллайдер (БАК) генерирует мощные магнитные поля с помощью сверхпроводящих катушек, температура которых поддерживается всего 1,9 К (-271,25 градусов по Цельсию). Для этого потребуется криогенная система, содержащая 96 тонн жидкого гелия, крупнейшая в своем роде в мире. «Если вам не нужны экстремальные температуры, проектирование упрощается», — говорит Лука Боттура, инженер-ядерщик и исследователь магнитов в Европейской организации ядерных исследований.

Итак, вполне логично, что сверхпроводник, работающий при комнатной температуре или близкой к ней, быстро произведет революцию во многих областях науки, не так ли? Не так быстро.

Вопросы о количестве

Возьмем, к примеру, квантовые компьютеры — новую технологию, которая обещает решить определенные задачи, недоступные классическим компьютерам. Одним из новаторских подходов к созданию квантовых компьютеров является хранение информации в кольцах из сверхпроводящих материалов. Их охлаждают почти до абсолютного нуля (-273,15 °C) в дорогих русских кукольных устройствах, называемых холодильниками разбавления.

В квантовом компьютере на основе сверхпроводников производительность быстро ухудшается при повышении температуры даже на доли градуса — по причинам, не связанным со сверхпроводимостью. Квантовые вычисления чрезвычайно чувствительны к любому виду шума, а тепловые вибрации являются главным врагом, производящим псевдо-«квазичастицы», говорит Ясунобу Накамура, соавтор сверхпроводящих квантовых вычислений. «При напряжении около 100-150 милливольт мы уже начинаем видеть противоположный эффект термически возбужденных квазичастиц», — говорит Накамура, физик из Института RIKEN в Вако, Япония.

В других случаях сам эксперимент может не требовать сильного холода, но сверхпроводник все равно придется поддерживать намного холоднее, чем температура, при которой он переходит в сверхпроводимость, известная как Т_с. Сверхпроводники различаются по своим физическим свойствам, и во многих приложениях, особенно для магнитов с сильными полями, важны еще два свойства. Их называют текущим магнитным полем и критическим магнитным полем. Сверхпроводимость теряется не только при повышении температуры, но и когда материал вынужден выдерживать более определенного тока или подвергается воздействию достаточно сильного магнитного поля.

Важно отметить, что как критическое поле, так и критический ток зависят от температуры: чем ниже температура, тем больший ток и магнитное поле может выдержать материал. Итак, только потому, что сверхпроводник имеет высоту Т_сЭто не значит, что его можно будет использовать при любой температуре ниже Т_с. Во многих приложениях производительность сверхпроводников улучшается по мере охлаждения системы.

К счастью, лучшие сверхпроводники, открытые на данный момент, включая класс, называемый медно-оксидными (или купритовыми) сверхпроводниками, также могут выдерживать очень сильные магнитные поля, если их хранить достаточно прохладными.

В поле

Четыре года назад в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США (NHMFL) в Таллахасси, Флорида, была использована единственная медь для установления рекорда силы статического (не импульсного) магнитного поля. Сверхпроводящие катушки в НМФЛ создавали магнитное поле силой 45,5 Тесла, но только если они находились в жидком гелии, температура которого ниже 4,2 К. «Мы не используем высокиеТ_с Потому что сверхпроводники Т_с Высокий — мы используем его, чтобы [their critical magnetic field] «Это очень много», — говорит физик Лаура Грин, главный научный сотрудник NHMFL.

«Если вам нужен магнит с сильным полем, вам нужно использовать его при минимально возможной температуре, потому что именно здесь вы получите настоящую силу сверхпроводимости», — говорит Йохо Чай, инженер-механик и электрик из другой национальной лаборатории США. Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) в Нью-Джерси.

Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) изучает варианты будущего коллайдера частиц, который в конечном итоге будет сокрушать протоны с энергией, в семь раз большей, чем у Большого адронного коллайдера (БАК), — диапазона, в котором физики надеются, что смогут открыть новые элементарные частицы. . Чтобы достичь этих более высоких энергий, частицы необходимо ускорять с помощью более сильных полей или с помощью более длинного кольца ускорителя, или и того, и другого. Чтобы построить такую ​​машину, физики мечтают прорыть круглый туннель длиной до 100 километров рядом с туннелем БАКа. Но даже с таким большим кольцом сверхпроводящие магниты, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) — монстры с силой 8 Тесла с катушками из ниобия и титана — не могли генерировать необходимые поля, оцениваемые в 16–18 Тесла. «На этом этапе, очевидно, нам придется перейти на другие материалы», — говорит Боттура.

Высокий токТ_с Сверхпроводники могли бы туда попасть, но, возможно, только если они будут храниться при температуре жидкого гелия. Аналогичное предложение в Китае — Круговой электрон-позитронный коллайдер — также будет использовать высокоскоростное излучение.Т_с магнит. «Мы уже давно думаем о высокотемпературных сверхпроводящих материалах, особенно о меди и железе», — говорит Ван Ифан, руководитель Института физики высоких энергий в Пекине.

Критические токи

Однако сверхпроводники на основе CuO имеют и другие недостатки: они представляют собой хрупкие керамические материалы, а их производство и разработка в кабелях дороги. По словам Вана, его критические токи все еще очень низкие. Он добавляет, что другой класс сверхпроводников на основе железа, в принципе, мог бы работать лучше, но стоил бы вдвое дешевле, чем оксиды меди.

Боттура и др. исследуют возможность создания ускорителя совершенно нового типа. А заменяя протоны мюонами — частицами, похожими на электроны, но в 207 раз больше их — коллайдер мог бы изучать ту же физику, что и 100-километровый протон-протонный коллайдер, но в гораздо меньшем кольце, возможно, даже в кольце. который мог бы поместиться на ринге. Существующий туннель БАК. Чтобы заставить мюоны вращаться по кругу, не потребовалось бы использовать особенно сильные магнитные поля. Проблема, однако, в том, что для получения мюонного луча с нужными свойствами потребуется магнит силой до 40 тесла.

При такой мощности «проблема больше не в сверхпроводнике, а в том, чтобы удержать катушки на месте», — говорит Боттура. Токи внутри электромагнитных катушек имеют тенденцию отталкивать магниты. При 40 Тесла даже самая прочная сталь не может выдержать механическое воздействие. Альтернативно, возможно, придется использовать магниты из более прочных материалов, таких как углеродные волокна. (Требования к прочности не столь строги для магнитов NHMFL, которым необходимо создавать сильное поле на площади шириной всего несколько сантиметров.)

Таким образом, как в протонном, так и в мюонном коллайдере сверхпроводник с гораздо лучшими характеристиками, чем все, что было обнаружено до сих пор, может иметь большое значение, но могут возникнуть и другие инженерные проблемы.

Путешествие к синтезу

Структурная прочность уже накладывает серьезные ограничения на другой класс машин, предназначенных для использования энергии ядерного синтеза. Устоявшийся подход к ядерному синтезу пытается удержать плазму с помощью магнитов, расположенных в форме пончика, называемого токамаком. Плазма нагревается до миллионов градусов, сталкивая различные изотопы водорода вместе. Самый большой в мире экспериментальный токамак под названием ИТЭР строится на юге Франции и будет использовать массивные магниты, охлаждаемые жидким гелием, для создания полей мощностью около 12 Тесла.

Но как промышленные, так и государственные лаборатории стремятся разрабатывать магниты для токамаков на высококачественной основе.Т_с Чай говорит, что сверхпроводники возникают по разным причинам. Более высокие поля могут значительно повысить скорость сжигания топлива в термоядерном реакторе, тем самым увеличивая количество производимой энергии — по крайней мере, в принципе, поскольку многие из важнейших шагов по извлечению энергии из термоядерного синтеза еще не выяснены. Один из положительных результатов усилий промышленности по увеличению производства высококачественных материаловТ_с Магнитным материалом является то, что его стоимость снизилась. (Однако они все равно намного дороже тех, которые содержат ниобий и титан).

Кроме того, токамакам в конечном итоге придется отказаться от охлаждения жидким гелием, говорит Чай, и не только потому, что системы охлаждения сложны в изготовлении. Гелий — дефицитный ресурс, и невозможно построить сотни реакторов размером с ИТЭР, использующих его.

Грин говорит, что поиск лучших сверхпроводящих материалов — это задача с высокими ставками, поскольку успехов до сих пор было немного, и они были редки. Однако она добавляет: «Это тяжелая работа, это увлекательная работа, и она меняет мир».