Sprytna sztuczka naukowców, która może zmienić oblicze nadprzewodników

Muszę wam opowiedzieć o czymś, co przez dekady spędzało sen z powiek badaczom. Właśnie znaleźli obejście tego problemu i szczerze mówiąc – jest naprawdę pomysłowe.

Ile energii tak naprawdę marnujemy?

Zastanówcie się przez chwilę. Ładowarka do telefonu robi się ciepła. Wentylator w laptopie uruchamia się, gdy macie otwartych za dużo zakładek. Znacie to, prawda?

To wszystko to energia, która ucieka jako ciepło. I szczerze? Trochę szkoda tej energii. Wsiada do pociągu jadącego donikąd, zamiast wykonywać prawdziwą robotę.

Marzenie o idealnym przewodnictwie

Właśnie dlatego naukowcy tak się ekscytują nadprzewodnikami. Te cudowne materiały potrafią przesyłać prąd elektryczny bez żadnych strat. Zero. Kompletne nic. W świecie, gdzie centra danych pochłaniają już dwucyfrowe procenty całej energii elektrycznej – to naprawdę coś wielkiego.

Ale jest haczyk. Zawsze jest jakiś haczyk.

Problem z divami

Klasyczne nadprzewodniki to prawdziwe gwiazdy metalu. Jednak bardzo wymagające. Działają tylko w temperaturach zimniejszych niż większość Antarktydy – mowa o minus 200 stopniach Celsjusza. Utrzymanie takiej temperatury wymaga przemysłowych systemów chłodniczych, które zjadają mnóstwo energii i kosztują fortunę.

Nie jest więc zbyt praktycznie wsadzać coś takiego do iPhone'a, prawda?

A jeśli to nie wystarczyło – te materiały mają jeszcze jeden problem. Reagują... powiedzmy, nerwowo na pola magnetyczne. A przecież magnesy są dosłownie wszędzie w technologii, którą codziennie używamy.

Kto by się tego spodziewał?

No i tutaj zaczyna się najciekawsza część. Zespół z Uniwersytetu Technologicznego Chalmers w Szwecji podszedł do sprawy inaczej. Pomyśleli: "A co jeśli zamiast zmieniać sam nadprzewodnik, zmienimy podłoże, na którym leży?"

Wiem, brzmi prawie zbyt prosto. Ale posłuchajcie dalej.

Naukowcy pracowali z tak zwanymi nadprzewodnikami cupratowymi. To już są pewnego rodzaju prymusi świata nadprzewodników, bo działają w temperaturach odrobinę mniej ekstremalnych niż inne materiały. Ale są uparte. Raz wykonane, ich struktura chemiczna jest praktycznie zablokowana.

Co więc zrobił szwedzki zespół? Skupił się na podłożu – tej warstwie fundamentu pod samym nadprzewodnikiem. Zmodyfikowali tę powierzchnię na poziomie nano, tworząc mikroskopijne wzgórza i doliny. Mówimy o milionowych częściach milimetra.

Dlaczego to w ogóle działa?

Oto najciekawsza część. Te mikroskopijne struktury zmieniają środowisko elektronowe dokładnie na granicy między podłożem a nadprzewodnikiem. To jakby podłoże szeptało instrukcje atomom w nadprzewodniku, mówiąc im, jak mają się ułożyć.

Rezultat? Elektrony w warstwie nadprzewodzącej zaczęły zachowywać się inaczej – przyjęły "preferowany kierunek", który sprawił, że całość stała się stabilniejsza i bardziej odporna.

„Widzieliśmy, jak właściwości elektronów zaczęły wykazywać preferowany kierunek w tym obszarze międzyfazowym i zachowywać się w sposób stabilizujący oraz wzmacniający stan nadprzewodzący" – wyjaśniła profesor Floriana Lombardi, liderka zespołu badawczego.

I co najważniejsze – ten zmodyfikowany nadprzewodnik zachował swoje właściwości nawet w obecności silnych pól magnetycznych. A to coś, co normalnie zwykle skutecznie niszczy nadprzewodnictwo.

Dlaczego to ważniejsze, niż się wydaje?

Moim zdaniem, to nie jest tylko sprytny trick laboratoryjny. To kompletnie inne podejście do całego problemu.

Przez lata zakładano, że jeśli chcesz lepszych nadprzewodników, musisz znaleźć lepsze materiały albo chemicznie przerabiać istniejące. Oba podejścia są drogie, czasochłonne i często prowadzą do ślepych zaułków.

Ale ta metoda modyfikacji podłoża? Otwiera zupełnie nową zasadę projektowania. Zamiast szukać jednorożców wśród materiałów, inżynierowie mogą wziąć istniejące nadprzewodniki i poprawić ich osiągi po prostu zmieniając powierzchnię, na której rosną.

To ogromna sprawa dla takich zastosowań jak komputery kwantowe, zaawansowana diagnostyka medyczna czy wreszcie – bardziej energooszczędna elektronika.

Droga przed nami

Nie zobaczymy nadprzewodzących smartfonów w przyszłym roku. Temperatury wciąż są bardzo niskie, a przed inżynierami jeszcze mnóstwo pracy.

Ale to badanie daje naukowcom nowe narzędzie do skrzynki. Sugeruje, że czasami najlepsze rozwiązanie nie polega na walczeniu z naturą materiału, ale na współpracy z jego otoczeniem.

Będę obserwować ten temat. Czasem największe przełomy przychodzą, gdy ktoś zapyta: "A co jeśli przestaniemy podchodzić do tego tak, jak wszyscy do tej pory?"

Czasem najmądrzejszym posunięciem jest po prostu zmiana fundamentu.

Źródło: ScienceDaily