Tehnica „Speedster” care depășește limitele superconducătorilor

Ok, trebuie să vă povestesc despre ceva cu adevărat incitant din lumea fizicii și promit că voi face tot posibilul să fie ușor de înțeles, chiar dacă nu ați fost atent în timpul orei de chimie.

Superconducătorii sunt, practic, „rockstarii” științei materialelor. Când răcești anumite materiale la temperaturi incredibil de scăzute (vorbim despre temperaturi mai reci decât în spațiul cosmic), se întâmplă ceva magic: rezistența electrică scade la zero absolut. Zero! Asta înseamnă că electricitatea poate curge prin ei la infinit, fără a pierde nicio energie. Fără căldură, fără risipă, doar un flux pur și perfect.

În mod normal, electronii sunt ca niște șoferi nerăbdători care încearcă să se strecoare printr-o autostradă aglomerată. Aceștia se ciocnesc de atomi, pierd energie, generează căldură și, în general, provoacă blocaje. Dar în superconducători, electronii se cuplează în ceea ce se numește „perechi Cooper” și încep să se miște în sincron — aproape ca o trupă de dansatoare perfect coregrafiate, în loc de dansatori individuali, haotici.

Iată problema

Totuși, acești superconducători au o slăbiciune. Există o limită a curentului electric pe care îl pot suporta înainte ca lucrurile să devină haotice. Oamenii de știință numesc acest lucru „curent critic” — gândiți-vă la el ca la sarcina de lucru maximă a materialului înainte de a începe să aibă dificultăți.

În majoritatea cazurilor, superconducătorii nu eșuează din cauza unei limite fizice fundamentale. Ei eșuează din cauza a ceea ce se numește vortices (vârfvortice) — regiuni minuscule prin care câmpurile magnetice pătrund în material. Când trimiți prea mult curent, aceste vortexuri încep să se miște, creând frecare și căldură, iar în cele din urmă întregul sistem se prăbușește.

Este ca și cum ai avea o pistă de patinaj perfect netedă, cu excepția faptului că cineva a împrăștiat câteva pete lipicioase care te încetinesc când te miști prea repede.

Soluția ingenioasă

Acum vine partea interesantă (cu un joc de cuvinte, pentru că soluția este „cool”).

O echipă de la Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei a decis să „trișeze”. În loc să trimită curentul încet prin superconducător, l-au lovit cu rafale incredibil de scurte de electricitate — vorbim despre picosecunde. O picosecundă este o trilionime de secundă. Pentru referință, o clipire a ochiului conține aproximativ 30 de trilioane de picosecunde.

Logica? Vortexurile pot fi doar atât de rapide (zeci de kilometri pe secundă), iar într-o picosecundă, ele abia se mișcă — vorbim despre distanțe de doar câțiva nanometri. Livrând impulsul electric într-o fereastră atât de mică, cercetătorii au putut crește curentul la niveluri extreme înainte ca vortexurile să aibă timp să provoace probleme.

Eryin Wang, autorul principal, descrie perfect situația: „Strategia noastră a fost să depășim dinamica vortexurilor”.

Este ca și cum ai putea alerga prin câmpul minelor atât de rapid, încât minele nu au timp să explodeze. Tehnic, încă pășești prin același spațiu periculos — doar că nu lași obstacolele șansa de a se activa.

Două materiale, două personalități complet diferite

Cercetătorii au testat doi superconducători diferiți pentru a vedea cum vor reacționa la această abordare de „demon al vitezei”: NbN și YBCO.

NbN s-a comportat ca cineva care are un punct de rupere foarte clar. A rămas superconducător până la un anumit prag — și apoi, brusc și dramatic, s-a oprit. Perechile Cooper s-au „sfărâmat” practic toate deodată. A fost o eșec brusc și decisiv, ca o frângere a unei funii sub prea multă tensiune.

YBCO, pe de altă parte, a prezentat mai degrabă o declinare lentă. Superconducibilitatea sa s-a slăbit progresiv pe măsură ce curentul creștea. Acest lucru se datorează faptului că YBCO are o structură internă mai complexă — proprietățile sale superconductoare variază în funcție de direcția în care sunt măsurate, cam ca modul în care lemnul este mai rezistent pe sensul fibrei decât perpendicular pe acesta.

De ce contează acest lucru

Iată partea cu adevărat fascinantă: folosind aceste impulsuri ultra-rapide, oamenii de știință pot accesa acum limitele fundamentale reale ale superconductivității — ceea ce ei numesc „curentul de desperechere” (depairing current). Acesta este punctul în care însăși perechile Cooper încep să se despartă, nu doar punctul în care vortexurile cauzează probleme.

Înțelegerea acestui fenomen ar putea duce la superconducători mai buni pentru tot felul de aplicații: aparate RMN mai puternice, computere cuantice mai rapide, linii de transmitere a energiei mai eficiente și chiar trenuri maglev care plutesc pe câmpuri magnetice.

Nu doar că împingem materialele existente la limite, ci descoperim o fizică entirely nouă care era ascunsă la îndemâna noastră.

Și, sincer? Este destul de incitant.

Sursă: ScienceDaily