Technika „Szybkiego Biegacza”, która przełamuje granice nadprzewodników

Dobrze, muszę wam opowiedzieć o czymś, co jest naprawdę ekscytujące w świecie fizyki, i obiecuję, że zrobię to w sposób zrozumiały, nawet jeśli nie uważaliście na lekcjach chemii.

Nadprzewodniki to w zasadzie rockmani inżynierii materiałowej. Gdy schłodzisz pewne materiały do niewiarygodnie niskich temperatur (mówimy o temperaturach zimniejszych niż w przestrzeni kosmicznej), dzieje się coś magicznego: opór elektryczny spada dosłownie do zera. Zera! To oznacza, że prąd może przez nie płynąć w nieskończoność, nie tracąc przy tym żadnej energii. Bez ciepła, bez strat, po prostu czysty, idealny przepływ.

Zazwyczaj elektrony są jak niecierpliwi kierowcy próbujący przecisnąć się przez zatłoczoną autostradę. Zderzają się z atomami, tracą energię, generują ciepło i ogólnie powodują korki. Ale w nadprzewodnikach elektrony łączą się w coś, co nazywamy parami Coopera, i zaczynają poruszać się w synchronizacji — niemal jak idealnie zchoregowana grupa tancerzy, a nie chaotyczni, indywidualni wykonawcy.

Oto problem

Nadprzewodniki mają jednak swoją słabość. Istnieje pewien limit natężenia prądu, jaki mogą wytrzymać, zanim wszystko zacznie szaleć. Naukowcy nazywają to „prądem krytycznym” — pomyślcie o tym jak o maksymalnym obciążeniu materiału, zanim zacznie on mieć problemy.

W większości przypadków nadprzewodniki nie zawodzą z powodu jakiejś fundamentalnej bariery fizycznej. Zawodzą przez coś, co nazywa się wirami — mikroskopijnymi obszarami, przez które do materiału „wślizgują się” pola magnetyczne. Gdy przepuszczasz przez nie zbyt duży prąd, wiry zaczynają się przemieszczać, tworząc tarcie i ciepło, aż w końcu cały system przestaje działać.

To tak, jakbyś miał idealnie gładkie lodowisko, na którym ktoś rozsypał kilka lepkich plam, które spowalniają cię, gdy poruszasz się zbyt szybko.

Sprytne rozwiązanie

I tu zaczyna się robić ciekawie (dosłownie i w przenośni).

Zespół z Instytutu Maxa Plancka ds. Struktury i Dynamiki Materii postanowił „oszukać”. Zamiast powoli przepuszczać prąd przez nadprzewodnik, uderzyli w niego niewiarygodnie krótkimi impulsami elektrycznymi — mówimy o pikosekundach. Pikosekunda to jedna bilionowa sekundy. Dla porównały: mrugnięcie okiem trwa około 30 bilionów pikosekund.

Logika? Wiry mogą poruszać się tylko z określoną prędkością (dziesiątki kilometrów na sekundę), a w ciągu pikosekundy ledwo drgną — mówimy o dystansach rzędu zaledwie nanometrów. Dostarczając impuls elektryczny w tak krótkim oknie czasowym, badacze mogli podnieść natężenie prądu do ekstremalnych poziomów, zanim wiry zdążyłyby narobić problemów.

Eryin Wang, główny autor badania, opisuje to idealnie: „Naszą strategią było wyprzedzenie dynamiki wirów”.

To tak, jakbyś mógł przebiec przez pole minowe tak szybko, że miny nie zdążą wybuchnąć. Technicznie wciąż idziesz przez to samo niebezpieczne miejsce — po prostu nie dajesz przeszkodom szansy na aktywację.

Dwa materiały, dwie zupełnie inne osobowości

Badacze przetestowali dwa różne nadprzewodniki, aby sprawdzić, jak zareagują na to podejście „szybkiego biegacza”: NbN oraz YBCO.

NbN zachowywał się jak ktoś z bardzo wyraźną granicą wytrzymałości. Pozostawał nadprzewodnikiem aż do osiągnięcia konkretnego progu — a potem nagle, w sposób gwałtowny, przestał nim być. Pary Coopera w zasadzie rozpadły się wszystkie naraz. Była to ostra, zdecydowana porażka, jak lina, która w końcu pęka pod zbyt dużym napięciem.

YBCO z kolei wykazywał raczej stopniowy spadek formy. Jego nadprzewodnictwo słabło progresywnie wraz ze wzrostem natężenia prądu. Dzieje się tak dlatego, że YBCO ma bardziej złożoną strukturę wewnętrzną — jego właściwości nadprzewodzące różnią się w zależności od kierunku, w którym dokonujemy pomiaru, podobnie jak drewno jest wytrzymalsze wzdłuż słojów niż w poprzek.

Dlaczego to ma znaczenie

Oto najciekawsza część: dzięki zastosowaniu tych ultraszybkich impulsów naukowcy mogą teraz dotrzeć do prawdziwych fundamentalnych granic nadprzewodnictwa — tego, co nazywają „prądem rozdzielającym pary”. Jest to punkt, w którym same pary Coopera zaczynają się rozpadać, a nie tylko moment, w którym wiry powodują problemy.

Zrozumienie tego może doprowadzić do stworzenia lepszych nadprzewodników do wszelkich zastosowań: potężniejszych aparatów MRI, szybszych komputerów kwantowych, wydajniejszych linii przesyłowych energii, a nawet pociągów maglev, które unoszą się na polach magnetycznych.

Nie tylko przesuwamy granice istniejących materiałów — odkrywamy zupełnie nową fizykę, która dotąd była tuż poza naszym zasięgiem.

I szczerze? To naprawdę ekscytujące.

Źródło: ScienceDaily