"Verjamemo, da je to zdaj nova doba superprevodljivosti," je Russell Hemley, znanstvenik za materiale z univerze George Washington v Washingtonu, D.C., povedal množici raziskovalcev 4. marca na marčevem srečanju Ameriškega fizičnega društva.
Slike so zasvetile zaslon za njim: shema naprave za drobljenje drobnih stvari med super trdnimi točkami nasprotujočih se diamantov, grafikoni temperature in električnega upora, žareča kroglica z grobo črno črko "X" se je razlegala po njenem središču.
Ta zadnja slika je bila utelešenje same nove dobe: majhen vzorec lahidanovega superhidrida (ali LaH10), stisnjenega na tlake, podobne tistim, ki so jih našli v zemeljskem jedru in se ogrevali z laserjem, da se temperature približajo burnemu pozno-zimskemu dnevu v Novi Angliji . (To je razkuževanje toplote po standardih raziskav o superprevodnosti, ki se običajno izvajajo v skrajnem laboratorijskem mrazu.) V takšnih razmerah, kot sta ugotovila Hemley in njegova ekipa, se zdi, da se LaH10 neha upirati gibanju elektronov med njegovimi atomi. Kot kaže, je Hemley v svojem govoru o APS-ju in v članku, objavljenem 14. januarja v reviji Physical Review Letters, postal "superprevodnik pri sobni temperaturi".
Zamrznjena znanost
Leta 1911 je nizozemska fizičarka Heike Kamerlingh Onnes odkrila, da nekatere snovi kažejo nenavadne električne lastnosti.
V normalnih okoliščinah bo električni tok, ki poteka skozi prevodni material (kot bakrena žica), na poti izgubil nekaj intenzivnosti. Tudi zelo dobri vodniki, ki jih uporabljamo v naših električnih omrežjih, so nepopolni in ne prenesejo vse energije iz elektrarne v vašo zidno vtičnico. Nekateri elektroni se na poti samo izgubijo.
Toda superprevodniki so različni. Električni tok, vnesen v zanko superprevodne žice, bo še naprej krožil večno, brez izgub. Superprevodniki izrivajo magnetna polja in zato močno odganjajo magnete. Imajo aplikacije v hitrem računalništvu in drugih tehnologijah. Težava je v tem, da so zaradi izjemno nizkih temperatur, pri katerih običajno delujejo superprevodniki, za skupno uporabo nepraktično.
Lov brez zemljevida
Fiziki že več kot stoletje lovijo na superprevodnost v toplejših materialih. Toda iskanje superprevodnosti je nekoliko podobno presenetljivemu zlatu: pretekle izkušnje in teorije vam bodo morda na splošno povedale, kje ga iskati, vendar dejansko ne boste vedeli, kje je, dokler ne opravite dragega, zamudnega dela preverjanja.
"Imate toliko materialov. Imate ogromno prostora za raziskovanje," je dejala Lilia Boeri, fizikinja iz rimske univerze Sapienza, ki je predstavila delo po tem, ko je Hemley raziskal možnost nadprevodnikov, še toplejših kot LaH10, in pojasnil, zakaj so takšni materiali superprevodni pri ekstremnih tlakih.
Leta 1986 so raziskovalci odkrili keramiko, ki je bila superprevodna pri 30 stopinjah nad absolutno ničlo ali minus 406 stopinj Fahrenheita (minus 243 stopinj Celzija). Kasneje, v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, so raziskovalci najprej resno pogledali na zelo visoke pritiske, da bi videli, ali bi lahko razkrili nove vrste superprevodnikov.
Toda v tistem trenutku je Boeri povedal Live Science, da še vedno ni bilo nobenega dobrega načina, da bi ugotovili, ali se bo material izkazal za superprevodno ali pri kateri temperaturi bo to storil, dokler ga ne preizkusimo. Kot rezultat tega so kritični temperaturni zapisi - temperature, pri katerih se pojavi superprevodnost - ostali zelo nizki.
"Teoretični okvir je bil tam, vendar ga niso mogli uporabljati," je dejal Boeri.
Naslednji velik preboj je prišel leta 2001, ko so raziskovalci pokazali, da je magnezijev diborid (MgB2) superprevodljiv pri 39 stopinjah nad absolutno ničlo ali minus 389 F (minus 234 C).
"je bila precej nizka," je dejala, "toda takrat je bil to velik preboj, ker je pokazal, da imaš lahko superprevodnost s kritično temperaturo, ki je bila dvakrat višja, kot je bilo mogoče prej.
Drobljenje vodika
Od takrat se je lov na tople superprevodnike premaknil na dva ključna načina: Znanstveniki materialov so spoznali, da lažji elementi ponujajo mučne možnosti za superprevod. Medtem so računalniški modeli napredovali do te mere, da so lahko teoretiki vnaprej natančno predvideli, kako se lahko materiali obnašajo v ekstremnih okoliščinah.
Fiziki so začeli na očitnem mestu.
"Torej, želite uporabiti lahke elemente, najlažji element pa je vodik," je dejal Boeri. "Toda težava je sam vodik - tega ni mogoče narediti nadprevodno, ker gre za izolator. Torej, če imaš superprevodnik, ga moraš najprej izdelati v kovino. Nekaj mu moraš narediti in najboljše, kar lahko narediš je stisniti. "
V kemiji je kovina skoraj vsaka zbirka atomov, ki so zlepljeni skupaj, ker sedijo v breztočni juhi elektronov. Večina materialov, ki jih imenujemo kovine, kot sta baker ali železo, je kovinskih pri sobni temperaturi in pri udobnih atmosferskih tlakih. Toda drugi materiali lahko postanejo kovine v bolj ekstremnih okoljih.
V teoriji je vodik eden izmed njih. Vendar obstaja težava.
"To zahteva veliko večji pritisk, kot ga je mogoče storiti z obstoječo tehnologijo," je dejal Hemley v svojem govoru.
Zaradi tega raziskovalci lovijo materiale, ki vsebujejo veliko vodika, ki bo tvoril kovine - in upajmo, da bodo postali superprevodni pri dosegljivih pritiskih.
Trenutno, je dejal Boeri, teoretiki, ki delajo z računalniškimi modeli, eksperimentalistom ponujajo materiale, ki so morda superprevodniki. In eksperimentalisti izberejo najboljše možnosti, da se preizkusijo.
Vendar je vrednost teh modelov omejena, je dejal Hemley. Ni vsakega napovedovanja v laboratoriju.
"V tem delu lahko izračuni zelo učinkovito uporabljajo izračune, vendar je treba to kritično narediti in na koncu zagotoviti eksperimentalne teste," je dejal zbrani množici.
Zdi se, da je Hemley in njegova ekipa "soprovodnik pri sobni temperaturi" LaH10 najbolj vznemirljiv rezultat te nove dobe raziskav. Vzorec LaH10, zdrobljen na približno milijonkratni tlak Zemljine atmosfere (200 gigapaskalov) med točkama dveh nasprotujočih se diamantov, postane superprevodljiv pri 260 stopinjah nad absolutno ničlo ali 8 F (minus 13 C).
Za en poskus, opisanega v istem dokumentu, se je pokazalo, da kaže superprevodnost pri 280 stopinjah nad absolutno ničlo ali 44 ° F (7 C). To je hladna sobna temperatura, a ne preveč težka temperatura, ki bi jo dosegli.
Hemley je svoj govor končal s tem, da je napovedal, da lahko to delo pod visokim pritiskom vodi do materialov, ki so tako topli kot normalni tlaki superprevodniki. Morda lahko material, ko je pod pritiskom, po sproščanju tlaka ostane superprevodnik, je dejal. Mogoče pa lahko lekcije o kemijski strukturi, ki so se jih naučili pri visokih temperaturah, pot do superprevodnih struktur nizkega tlaka.
To bi bil sprememba igre, je dejal Boeri.
"Ta stvar je v osnovi temeljna raziskava. Nima uporabe," je dejala. "Toda recimo, da si omislite nekaj, kar deluje pod pritiskom, recimo 10-krat nižji kot zdaj. To odpira vrata za superprevodne žice in druge stvari."
Na vprašanje, ali pričakuje, da bo v svojem življenju videla soprovodnik, ki je sobna temperatura, sobni tlak, je navdušeno prikimala.
"Zagotovo," je rekla.
