Техника «Спринтера», преодолевающая пределы сверхпроводимости
Итак, я должен рассказать вам о кое-чем по-настоящему захватывающем в мире физики, и обещаю, что объясню всё понятно, даже если вы не слушали на уроках химии.
Сверхпроводники — это, по сути, рок-звезды в мире материаловедения. Когда вы охлаждаете определенные материалы до невероятно низких температур (мы говорим о температурах холоднее, чем в открытом космосе), происходит нечто магическое: электрическое сопротивление падает буквально до нуля. До нуля! Это значит, что электричество может течь через них вечно, не теряя энергии. Никакого тепла, никаких потерь, только чистый, идеальный поток.
Обычно электроны подобны нетерпеливым водителям, пытающимся протиснуться сквозь переполненное шоссе. Они сталкиваются с атомами, теряют энергию, выделяют тепло и в целом создают пробки. Но в сверхпроводниках электроны объединяются в пары, называемые куперовскими парами, и начинают двигаться синхронно — почти как идеально отрепетированная танцевальная труппа, а не хаотичная толпа танцоров.
В чем проблема
Однако у этих сверхпроводников есть слабое место. Существует предел силы тока, который они могут выдержать, прежде чем всё пойдет наперекосяк. Ученые называют это «критическим током» — представьте это как максимальную рабочую нагрузку материала, после которой он начинает сдавать.
В большинстве случаев сверхпроводники выходят из строя не из-за какого-то фундаментального физического ограничения. Они выходят из строя из-за так называемых вихрей — крошечных областей, через которые магнитные поля просачиваются сквозь материал. Когда вы пропускаете слишком большой ток, эти вихри начинают двигаться, создавая трение и тепло, и в конечном итоге вся система разрушается.
Это похоже на идеально гладкий каток, на котором кто-то рассыпал липкие пятна, замедляющие вас, когда вы движетесь слишком быстро.
Умное решение
А вот здесь начинается самое интересное (каламбур с «крутостью» здесь вполне уместен).
Команда из Института Макса Планка по структуре и динамике материи решила «схитрить». Вместо того чтобы медленно пропускать ток через сверхпроводник, они ударили по нему невероятно короткими вспышками электричества — речь идет о пикосекундах. Пикосекунда — это одна триллионная часть секунды. Для справки: в одном моргании глаза содержится около 30 триллионов пикосекунд.
Логика такова: вихри могут двигаться лишь с определенной скоростью (десятки километров в секунду), а за одну пикосекунду они едва успевают сдвинуться — речь идет о расстояниях всего в несколько нанометров. Подавая электрический импульс в такое крошечное временное окно, исследователи смогли поднять ток до экстремальных уровней до того, как вихри успеют создать проблемы.
Эрин Ванг, ведущий автор исследования, описывает это идеально: «Наша стратегия заключалась в том, чтобы обогнать динамику вихрей».
Это как если бы вы могли пробежать через минное поле так быстро, что мины не успели бы взорваться. Технически вы всё еще идете по тому же опасному пространству, просто вы не даете препятствиям шанса активироваться.
Два материала — две совершенно разные личности
Исследователи протестировали два разных сверхпроводника, чтобы проверить, как они отреагируют на этот подход «спринтера»: NbN (нитрид ниобия) и YBCO (оксид иттрия-бария-меди).
NbN вел себя как человек с очень четкой точкой срыва. Он оставался сверхпроводником вплоть до определенного порога, а затем внезапно и резко перестал им быть. Куперовские пары фактически разрушились все разом. Это был резкий, решительный провал, подобный обрыву веревки под слишком сильным натяжением.
YBCO, напротив, показал постепенное угасание. Его сверхпроводимость ослабевала постепенно по мере увеличения тока. Это происходит потому, что YBCO имеет более сложную внутреннюю структуру — его сверхпроводящие свойства меняются в зависимости от направления измерения, подобно тому как дерево прочнее вдоль волокон, чем поперек.
Почему это важно
И вот самая крутая часть: используя эти сверхбыстрые импульсы, ученые теперь могут достичь истинных фундаментальных пределов сверхпроводимости — того, что они называют «критическим током спаривания». Это точка, где сами куперовские пары начинают распадаться, а не просто место, где создают проблемы вихри.
Понимание этого может привести к созданию лучших сверхпроводников для самых разных применений: более мощных аппаратов МРТ, более быстрых квантовых компьютеров, более эффективных линий электропередач и даже поездов на магнитной подушке (маглевов).
Мы не просто раздвигаем границы возможностей существующих материалов — мы открываем совершенно новую физику, которая до этого момента была почти недосягаема.
И, честно говоря, это чертовски захватывающе.
Источник: ScienceDaily