Техниката „Спринтьор“, която прескача границите на свръхпроводниците

Добре, трябва да ви споделя нещо, което е наистина вълнуващо във физиката, и обещавам, че ще го обясня разбираемо, дори ако не сте слушали внимателно в час по химия.

Свръхпроводниците са, по същество, рок звездите на науката за материалите. Когато охладите определени материали до невероятно ниски температури (говорим за температури, по-студени от тези в открития космос), се случва нещо магическо: електрическото съпротивление пада буквално до нула. Нула! Това означава, че електричеството може да тече през тях вечно, без да губи енергия. Без топлина, без отпадъци, само чисто и перфектно течение.

Обикновено електроните са като нетерпеливи шофьори, опитващи се да се промъкнат през претоварен магистрален път. Те се удрят в атомите, губят енергия, генерират топлина и общо взето създават задръствания. Но в свръхпроводниците електроните се обединяват в нещо, наречено „куперови двойки“, и започват да се движат в синхрон — почти като перфектно координирана танцова трупа, вместо като хаотични индивидуални танцьори.

Ето и проблема

Тези свръхпроводници обаче имат една слабост. Има само определено количество електрически ток, което могат да издържат, преди нещата да излязат извън контрол. Учените наричат това „критичен ток“ — помислете за него като за максималния работен капацитет на материала, преди той да започне да се затруднява.

В повечето случаи свръхпроводниците не се провалят поради някакъв фундаментален физически лимит. Те се провалят заради нещо, наречено вихри — малки области, през които магнитните полета се промъкват през материала. Когато прекарате твърде много ток, тези вихри започват да се движат, създавайки триене и топлина, и в крайна сметка цялата система се разпада.

Това е като да имате перфектно гладка ледена пързалка, но някой да е разпръснал купчина лепкави петна, които ви забавят, когато се движите твърде бързо.

Умното решение

Ето тук идва интересното (игра на думи с „cool“ – cool е и „хладно“, и „страхотно“).

Екип в Института на Макс Планк за структура и динамика на материята реши да „измами“ системата. Вместо бавно да пропускат ток през свръхпроводника, те го удрят с невероятно кратки импулси от електричество — говорим за пикосекунди. Пикосекунда е една трилионна от секундата. За справка, едно мигане на окото съдържа около 30 трилиона пикосекунди.

Логиката? Вихрите могат да се движат само с определена скорост (десетки километри в секунда) и за една пикосекунда те едва се изместват — говорим за разстояния от само няколко нанометра. Чрез подаване на електрически импулс в толкова малък прозорец, изследователите са могли да вдигнат тока до екстремни нива преди вихрите да са имали време да създадат проблеми.

Ерин Уанг, водещият автор, го описва перфектно: „Нашата стратегия беше да изпреварим динамиката на вихрите.“

Това е като да можете да претичате през минно поле толкова бързо, че мините да нямат време да експлодират. Технически все още вървите през същото опасно пространство — просто не давате на препятствията шанс да се активират.

Два материала, две напълно различни личности

Изследователите тестваха два различни свръхпроводника, за да видят как ще реагират на този подход на „скоростния демон“: NbN и YBCO.

NbN се държеше като някой с много ясно определена точка на пречупване. Той оставаше свръхпроводен точно до определен праг — и след това внезапно и драматично спря. Куперовите двойки буквално се разпаднаха наведнъж. Това беше рязък, решителен провал, подобен на въже, което най-накрая се скъсва под твърде голямо напрежение.

YBCO, от друга страна, показа по-скоро постепенно упадъчно състояние. Неговата свръхпроводимост отслабваше прогресивно с увеличаването на тока. Това е така, защото YBCO има по-сложна вътрешна структура — неговите свръхпроводни свойства варират в зависимост от това в коя посока ги измервате, малко по същия начин, по който дървото е по-здраво по дължината на жилата, отколкото напречно.

Защо това е важно

Ето и най-вълнуващата част: чрез използването на тези ултрабързи импулси, учените вече могат да достигнат до истинските фундаментални граници на свръхпроводимостта — това, което те наричат „ток на разединяване“. Това е точката, в която самите куперови двойки започват да се разпадат, а не просто мястото, където вихрите причиняват проблеми.

Разбирането на това би могло да доведе до по-добри свръхпроводници за всички видове приложения: по-мощни MRI апарати, по-бързи квантови компютри, по-ефективни линии за пренос на енергия и дори маглев влакове, които левитират върху магнитни полета.

Ние не просто разширяваме възможностите на съществуващите материали — ние откриваме напълно нова физика, която е била скрита точно под носа ни.

И честно казано? Това е доста вълнуващо.

Източник: ScienceDaily