Η Τεχνική του «Ταχύτατου» που Κατακлинаεί τα Όρια των Υπεραγωγών

ΕOk, πρέπει να σας μιλήσω για κάτι που είναι πραγματικά συναρπαστικό στον κόσμο της φυσικής, και υπόσχομαι ότι θα το κάνω κατανοητό ακόμα και αν δεν προσέχατε καθόλου στο μάθημα της χημείας.

Οι υπεραγωγοί είναι ουσιαστικά οι «rock stars» της επιστήμης των υλικών. Όταν ψύξετε ορισμένα υλικά σε απίστευτα χαμηλές θερμοκρασίες (μιλάμε για θερμοκρασίες πιο κρύες από το εξωτερικό διάστημα), συμβαίνει κάτι μαγικό: η ηλεκτρική αντίσταση πέφτει στο μηδέν. Μηδέν! Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει μέσα τους για πάντα χωρίς να χάνει καμία ενέργεια. Χωρίς θερμότητα, χωρίς σπατάλη, μόνο μια καθαρή, τέλεια ροή.

Κανονικά, τα ηλεκτρόνια είναι σαν ανυπόμονοι οδηγοί που προσπαθούν να χωρέσουν σε μια πολυσύχνητη λεωφόρο. Βόμβημα τα άτομα, χάνουν ενέργεια, παράγουν θερμότητα και γενικά προκαλούν μποτλνεκ (φράγματα) στην κυκλοφορία. Όμως στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη, γνωστά ως ζεύγη Cooper, και αρχίζουν να κινούνται σε συγχρονισμό — σχεδόν σαν μια τέλεια χορογραφημένη ομάδα χορευτών αντί για χαοтиτικούς ατομικούς χορευτές.

Εδώ είναι το Πρόβλημα

Αυτοί οι υπεραγωγοί έχουν όμως ένα αδυναμία. Υπάρχει ένα όριο στο ηλεκτρικό ρεύμα που μπορούν να αντέξουν πριν τα πράγματα βγάλουν το μάτο. Οι επιστήμονες το ονομάζουν «κρίσιμη ένταση» — σκεφτείτε το ως το μέγιστο φορτίο εργασίας του υλικού πριν αρχίσει να δυσκολεύεται.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι υπεραγωγοί δεν αποτυγχάνουν λόγω κάποιου θεμελιώδους φυσικού ορίου. Αποτυγχάνουν λόγω κάτι που ονομάζεται κاسκάντες (vortices) — μικροσκοπικές περιοχές όπου τα μαγνητικά πεδία εισχωρούν στο υλικό. Όταν στέλνετε υπερβολικό ρεύμα, αυτοί οι κاسκάντες αρχίζουν να κινούνται, δημιουργώντας τριβή και θερμότητα, και τελικά ολόκληρο το σύστημα καταρρέει.

Είναι σαν να έχεις μια τέλεια λεία παγοθήκη, εκτός και αν κάποιος έχει σκορπίσει μερικά κομμάτια κολλητικής ταινίας που σε καθυστερούν όταν κινείσαι πολύ γρήγορα.

Η Έξυπνη Λύση

Τώρα έρχεται το κομμάτι που είναι πραγματικά «cool» (με την έννοια του cool και του δροσερού).

Μια ομάδα στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Δομή και τη Δυναμική της Ύλης αποφάσισε να «κλέψει». Αντί να στέλνουν αργά το ρεύμα στον υπεραγωγο, τον χτυπούν με εξαιρετικά σύντομες εκρήξεις ηλεκτρισμού — μιλάμε για picoseconds (picoseconds). Ένα picosecond είναι το ένα τρισεκατοστό του δευτερολέπτου. Για αναφορά, ένα κλείσιμο του ματιού περιέχει περίπου 30 τρισεκατομμύρια picoseconds.

Η λογική; Οι κασκάντες μπορούν να κινούνται μόνο με έναν συγκεκριμένο ρυθμό (δεκάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο) και σε ένα picosecond, μόλις κουνιούνται — μιλάμε για αποστάσεις μόλις λίγων νανομέτρων. Παρέχοντας την ηλεκτρική παλμμό σε τόσο μικρό χρονικό παράθυρο, οι ερευνητές μπορούσαν να ανεβάσουν την ένταση του ρεύματος σε ακραία επίπεδα πριν οι κασκάντες προλάβουν να προκαλέσουν προβλήματα.

Η Eryin Wang, η κύρια συγγραφέας, το περιγράφει τέλεια: «Η στρατηγική μας ήταν να ξεπεράσουμε την δυναμική των κασκαντών».

Είναι σαν να μπορείς να τρέξεις μέσα από ένα πεδίο εμπόλων τόσο γρήγορα, ώστε οι εμπόλες να μην έχουν χρόνο να εκραγούν. Τεχνικά, εξακολουθείς να περπατάς στον ίδιο επικίνδυνο χώρο — απλώς δεν δίνεις στις εμπόλες την ευκαιρία να ενεργοποιηθούν.

Δύο Υλικά, Δύο Εντελώς Διαφορετικές Προσωπικότητες

Οι ερευνητές δοκίμασαν δύο διαφορετικούς υπεραγωγούς για να δουν πώς θα ανταποκριθούν σε αυτή την προσέγγιση «ταχύτατου»: τον NbN και τον YBCO.

Ο NbN συμπεριφέρθηκε σαν κάποιος με ένα πολύ ξεκάθαρο σημείο καށήλησης. Παρέμεινε υπεραγωγός μέχρι ένα συγκεκριμένο όριο — και μετά, ξαφνικά και δραματικά, σταμάτησε. Τα ζεύγη Cooper ουσιαστικά διαλύθηκαν όλα μαζί. Ήταν μια απότομη, αποφασιστική αποτυχία, σαν ένα σχοινί να σπάσει τελικά υπό την υπερβολική τάση.

Ο YBCO, από την άλλη, είχε μια πιο σταδιακή φθίνουσα πορεία. Η υπεραγωγιμότητά του εξασθένει σταδιακά καθώς η ένταση του ρεύματος αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει επειδή ο YBCO έχει μια πιο περίπλοκη εσωτερική δομή — οι υπεραγώγιμες ιδιότητές του ποικίλλουν ανάλογα με την κατεύθυνση μέτρησης, κάπως όπως το ξύλο είναι πιο δυνατό κατά μήκος της ίνας παρά διαγώνια.

Γιατί Αυτό Σημαίνει Όλα

Εδώ είναι το πραγματικά εντυπωσιακό κομμάτι: χρησιμοποιώντας αυτούς τους υπερταχείς παλμούς, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να φτάσουν στα πραγματικά θεμελιώδη όρια της υπεραγωγιμότητας — αυτό που ονομάζουν «ρεύμα αποσύνδεσης» (depairing current). Αυτό είναι το σημείο όπου τα ίδια τα ζεύγη Cooper αρχίζουν να διασπώνται, και όχι απλώς το σημείο όπου οι κασκάντες προκαλούν προβλήματα.

Η κατανόηση αυτού μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερους υπεραγωγούς για όλους τους τύπους εφαρμογών: πιο ισχυρές μηχανές MRI, ταχύτερους κβαντικούς υπολογιστές, πιο αποδοτικές γραμμές μεταφοράς ενέργειας και ακόμα και τρένα maglev που αιωρούνται πάνω σε μαγνητικά πεδία.

Δεν απλώς σπρώχνουμε τα υπάρχοντα υλικά στα όριά τους — ανακαλύπτουμε μια εντελώς νέα φυσική που ήταν κρυμμένη ακριβώς εκτός досяσιता.

Και ειλικρινά; Αυτό είναι αρκετά συναρπαστικό.

Πηγή: ScienceDaily