Десятиліттями фізики використовували надпровідники для дослідження найдивніших аспектів реальності. Але чи завжди вони мають бути такими холодними?
У 1911 році нідерландський фізик Гейке Камерлінг-Оннес зробив відкриття, що змінило парадигму: за декілька градусів вище абсолютної нуля ртуть повністю втратила свій електричний опір. Це означало, що за правильних умов електричні струми могли проходити нескінченно, не втрачаючи потужності під час проходження через матерію.
Науковці швидко усвідомили, що ця властивість, яку назвали надпровідністю, не обмежувалася лише ртуттю. Певні квантово-механічні ефекти уможливлюють надпровідність, тому інші елементи могли демонструвати ці властивості за належних умов. Згодом фізики знайшли спосіб перетворити надпровідні матеріали на дроти та магніти, що відкрило зовсім нові шляхи для тестування та використання дивних квантових явищ. Наприклад, наші найкращі квантові комп’ютери та прискорювачі частинок залежать від надпровідних матеріалів для своєї роботи. Вам навіть не обов’язково бути фізиком, щоб бути близьким до одного з них, якщо ви коли-небудь проходили МРТ.
На жаль, надпровідники все ще потребують надзвичайно низьких температур для функціонування, що ускладнює ситуацію. Наприклад, у випадку квантових комп’ютерів, зменшення шуму та виправлення помилок залишаються серйозною перешкодою, яка вимагає температур, близьких до абсолютного нуля Кельвіна, для їхніх кубітів.
Природно, науковці прагнуть підвищити температурний поріг для надпровідників — щоб, так би мовити, розробити надпровідники “кімнатної температури”. Чи це взагалі можливо, ще належить з’ясувати. Але дослідники наполегливо працюють над пошуком нових комбінацій та конструкцій, щоб змусити надпровідники працювати в тепліших умовах. І певний прогрес у цьому напрямку вже досягнуто.
У цьому випуску Giz Asks ми запитали дослідників про поточний стан справ. Який прогрес досягла спільнота останнім часом? Які перспективні кандидати на надпровідники кімнатної температури (або близькі до неї) існують? Які виклики залишаються для дослідників і як вони їх долають? Наступні відповіді могли бути дещо відредаговані для довжини та ясності.
Ханью Лю
Фізик, Ключова лабораторія методів моделювання матеріалів та програмного забезпечення Міністерства освіти; Університет Цзілінь, Китай.
За останнє десятиліття дослідження надпровідності досягли значного прогресу, переважно завдяки бурхливому вивченню гідридних надпровідників під високим тиском. Навіть так, практичні надпровідники кімнатної температури все ще далекі від реальності. Більшість цих гідридних матеріалів працюють лише під величезним тиском, значно вищим за нормальний атмосферний, що робить їх малоймовірними для повсякденного використання.
Існують також деякі перспективні, але менш відомі кандидати, включаючи сполуки на основі бору та нещодавно відкриті гідриди, які працюють за відносно нижчих тисків. Навряд чи ми отримаємо надпровідник кімнатної температури при атмосферному тиску для споживчої електроніки протягом наступних 10-15 років. Те, що ми, ймовірно, побачимо раніше, це ширше використання високотемпературних надпровідників, охолоджених азотом, для енергетичних мереж та спеціалізованого обладнання, а не для домашньої техніки.
Лянцзи Денг та Пол Ч. В. Чу
Фізики, Університет Х’юстона (UH). Денг і Чу зробили внесок у недавню роботу, опубліковану в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), яка встановила новий рекорд надпровідності при атмосферному тиску.
Хороша новина полягає в тому, що ми наближаємося, але “практичний” означає більше, ніж просто досягнення високої температури надпровідного переходу (Tc). Перший надпровідник (YBCO) з Tc (93 K), вищою за температуру кипіння рідкого азоту (77 K), був відкритий Чу та його колегами у 1987 році. Протягом багатьох років одні з найвищих температур надпровідності досягалися лише під величезним тиском, що робить ці стани надзвичайно складними для використання поза спеціалізованими лабораторіями. Потенційно важливою зміною є розгляд тиску не як умови, яку потрібно підтримувати вічно, а як інструменту обробки — використання тиску для створення бажаного стану, а потім пошук способу збереження цього стану після зняття тиску.
Саме ця ідея лежить в основі нещодавно розробленого протоколу “загартування тиском” для надпровідників, керованого нашою командою в UH. Цей підхід вже дозволив зберегти надпровідність, посилену тиском, у FeSe при атмосферному тиску, за яким послідували фази надпровідності, індуковані тиском, в інших матеріалах, таких як Bi0.5Sb1.5Te3. Зовсім недавно загартування тиском підвищило Tc надпровідності HgBa₂Ca₃Cu₃O₈+δ при атмосферному тиску до 151 K, перевищивши попередній рекорд при атмосферному тиску 133 K, який тримався понад три десятиліття.
Це не означає, що практичні надпровідні кабелі живлення або електроніка на основі матеріалів, загартованих тиском, з’являться найближчим часом. Наступні виклики значні: зробити збережені стани більш термічно та часово стабільними, зрозуміти, що саме їх стабілізує, збільшити розмір зразків, продемонструвати відтворюваність процесів і, зрештою, показати корисні критичні струми у таких формах, як дроти, стрічки або плівки. Але загартування тиском цікаво змінює питання. Замість того, щоб запитувати лише “Як високо може піднятися Tc під тиском?”, ми тепер можемо також запитати: “Чи можемо ми повернути з собою властивості, створені під тиском?” Якщо ця стратегія виявиться загальною та масштабованою, вона може значно скоротити розрив між вражаючими високотисковими відкриттями та надпровідниками, які насправді можна використовувати.
Зі-Куй Лю
Науковець з матеріалознавства, Пенсильванський університет.
Надпровідність досягла видатного прогресу, включаючи демонстрацію дуже високих температур переходу в матеріалах, багатих на водень, під надзвичайно високим тиском. Однак, я був би обережним у прогнозуванні, коли надпровідник кімнатної температури або близької до неї стане практичною технологією. Високий Tc сам по собі недостатній: корисний матеріал також повинен бути стабільним при атмосферному тиску або близько до нього, пропускати значні електричні струми та магнітні поля, бути механічно міцним, придатним для виготовлення у великих масштабах та економічно життєздатним. На даний момент, я не думаю, що ми знаємо матеріал, який одночасно задовольняє цим вимогам, тому я б не встановлював надійний часовий графік для практичних споживчих надпровідників.
Важливим напрямком, на мою думку, є розуміння не просто того, як створити надпровідний стан, а як атомна та електронна структура може захистити цей стан від теплових флуктуацій. У нашій недавній роботі ми запропонували надпровідну конфігурацію зі зламаною симетрією (SCC) та визначили одновимірні тунелі (SODTs) у різниці зарядів між надпровідною та нормальною конфігураціями. Ми виявили ці особливості як у звичайних, так і в незвичайних надпровідниках, включаючи YBCO. У YBCO ми припустили, що шарувата “понтонна” структура, з відносно слабким зв’язком між надпровідними шарами та навколишньою масою, допомагає захистити ці електронні структури, пов’язані з надпровідністю, від теплових збурень і, таким чином, сприяє його відносно високому TC.
Ми також подали попередню заявку на патент “Метод ідентифікації та прогнозування надпровідності на основі тунелів зарядової щільності зі зламаною симетрією та понтонних структур”. Зараз ми працюємо над розширенням цієї основи для розуміння термодинамічної стабільності цих конфігурацій при скінченній температурі, використовуючи нашу теорію Zentropy, і, зрештою, для прогнозування та розробки нових надпровідних матеріалів.
Метт Джуліан та Рохіт Прасанкумар
Enterprise Science Fund, Intellectual Ventures. Разом з Денгом і Чу, Джуліан та Прасанкумар є співавторами статті в PNAS, яка встановила новий рекорд надпровідності при атмосферному тиску. Intellectual Ventures фінансувало проєкт.
Надпровідник кімнатної температури та атмосферного тиску — це, мабуть, найбільший невирішений виклик у фізиці конденсованих середовищ, який має потенціал трансформувати суспільство на рівні Інтернету чи штучного інтелекту. Ми досить оптимістично налаштовані, що, незважаючи на нещодавні дискредитовані заяви та триваючі суперечки, ми ближче, ніж будь-коли раніше, до реалізації практичних, комерційно придатних надпровідних матеріалів для таких застосувань. Наше розуміння надпровідності глибше, ніж будь-коли, а інструменти, доступні для його застосування — від передових методів виготовлення до симуляцій перших принципів, прискорених GPU — ніколи не були потужнішими. Але, звісно, лише розуміння та можливості нас туди не приведуть.
Спокусливо розглядати прогнозування як мету: якщо ми зможемо обчислювально ідентифікувати матеріал-кандидат, за допомогою складних фізико-орієнтованих розрахунків перших принципів або методів грубої сили, успіх здається досяжним. Але передбачити надпровідний матеріал недостатньо. Ми повинні передбачити надпровідники, які насправді можна синтезувати, і, що ще важче, синтезувати те, що ми передбачили. Ми також повинні розробити методи для прогнозного посилення надпровідності шляхом цілеспрямованої інженерії структурних та електронних характеристик, які визначають надпровідну поведінку. Використання матеріалів, що демонструють незвичайну надпровідність, також буде критично важливим кроком для досягнення кімнатної температури. Кожен із цих завдань включає велику кількість нюансів, складності та трудомісткої роботи з синтезу. Їх досягнення вимагатиме людської креативності, залученої з багатьох різних наукових традицій, що працюють у справжній злагоді.
Перехід від відкриття високотемпературного надпровідника до відкриття практичного високотемпературного надпровідника пов’язаний зі значною подальшою складністю. Практичний матеріал потрібно буде витягнути у дроти або стрічки та змотати, або нанести як плівку чи покриття, або бути сумісним з процесами виготовлення напівпровідників. Кожен з цих варіантів має свої критичні властивості матеріалу, і існують значні виклики у точному моделюванні цих властивостей для абсолютно нових матеріалів. Тому нам потрібно подолати виклик обчислювального відбору на “практичність”, щоб уникнути необхідності величезної кількості складних експериментів. Потім нам потрібно знайти способи уникнути традиційного 20-річного циклу розробки між відкриттям матеріалу та комерційним впровадженням.
Наш шлях вперед — це тісно інтегрований, багатодисциплінарний підхід, який об’єднує фізиків конденсованих середовищ, хіміків, науковців з матеріалознавства, експериментаторів, теоретиків та інженерів-обчислювальників у тісній співпраці. Ми повинні перетинати дисциплінарні межі, обмінюватися знаннями та будувати спільні рамки для розкриття не тільки тих викликів, які ми вже розуміємо, але й тих, які залишаються невловимими. Ми знаємо більше, ніж будь-коли, але ще так багато чого потрібно навчитися. Можливості величезні, і ця невизначеність насправді є найчіткішою ознакою того, що найбільші відкриття в цій галузі ще попереду.
Giz Asks — це серія Gizmodo, яка регулярно публікується, де експерти відповідають на важливі запитання своїми словами, пропонуючи широкий спектр поглядів на ідеї, відкриття та дебати, що впливають на наше життя та формують наше розуміння світу.