A sebességőrök technológiája, amely felülmúlja a szuperelektromos határokat

Oké, mesélnem valamiről, ami valóban izgalmas a fizika világában, és ígérem, meg fogom magyarázni még akkor is, ha a kémiaórán nem figyeltél.

A szuperelektromos anyagok alapvetően a anyagtan rockcsapatai. Amikor bizonyos anyagokat hihetetlenül hideg hőmérsékletre hűtünk le (az űkról is hidegebb hőmérsékletről beszélünk), valami varázslatos történik: az elektromos ellenállás szó szerint nullára csökken. Nulla! Ez azt jelenti, hogy az áram örökké átfolyhat rajtuk anélkül, hogy energiát veszítene. Nincs hő, nincs veszteség, csak tiszta, tökéletes áramlás.

Általában az elektronok olyanok, mint a türelmetlen sofőrök, akik próbálnak áthúzni magukat egy zsúfolt autópályán. Elütköznek az atomiakla, energiát veszítnek, hőt generálnak, és általánosságban forgalmi zsongókat okoznak. De a szuperelektromos anyagokban az elektronok összepárosodnak, amiket „Cooper-párnak” neveznek, és szinkronban kezdenek mozogni — szinte úgy, mint egy tökéletesen koreografált tánccsoport, a kaotikus egyedi táncosok helyett.

Itt van a probléma

A szuperelektromos anyagoknak azonban van gyengeségük. Csak bizonyos mennyiségű áramot tudnak elviselni, mielőtt a dolgok összeállnának. A tudósok ezt a „kritikus áramnak” nevezik — gondoldj rá, mint az anyag maximális munkavégzési kapacitására, mielőtt elkezdene küzdőlni.

A legtöbb esetben a szuperelektromos anyagok nem egy alapvető fizikai korlát miatt omlanak össze. A vortexok (vórtesszek) miatt omlanak össze — ezek apró régiók, ahol a mágneses mezők „bekúsznak” az anyagba. Amikor túl sok áramot pumpálunk át, ezek a vortexok mozgálni kezdenek, súrlódást és hőt generálnak, és végül az egész rendszer összeomlik.

Ez olyan, mintha lenne egy tökéletesen sima jégpálya, de valaki szétszórta rajta a ragacsos foltokat, amik lelassítják önt, amikor túl gyorsan haladsz.

Az okos megoldás

Most jön a zseniális rész (a szóvicc szándékos).

A Max Planck Intézetben dolgozó csapat úgy döntött, hogy „csalni” fog. Ahelyett, hogy lassan pumpálnának áramot a szuperelektromos anyag through, rendkívül rövid elektromos impulzusokkal támadják meg azt — pikosekundokról beszélünk. Egy pikosekunda egy trillióedrészek egyike. Hátánként: egy pillantás körülbelül 30 trillió pikosekunda van.

A logika? A vortexok csak bizonyos sebességgel tudnak mozogni (másodpercenként több tucat kilométerrel), és egy pikosekund alatt alig mozdulnak el — csak nanométeres távolságokről van szó. Azáltal, hogy az elektromos impulzust ennyire kicsi időintervallumban adták le, a kutatók extrém áramszintet tudtak elérni mielőtt a vortexoknak idejük lett volna a baj okozására.

Eryin Wang, a vezető szerző, tökéletesen leírja: „A stratégiánk az volt, hogy felülmúljuk a vortex-dinamikát.”

Ez olyan, mintha egy síthelyen futnál át olyan gyorsan, hogy aaknáknak nincs idejük felrobbanni. Technikai értelemben még mindig ugyanazon veszélyes területen haladsz — egyszerűen csak nem adsz lehetőséget a препятélyeknek az aktiválódásra.

Két anyag, két teljesen különböző személyiség

A kutatók két különböző szuperelektromos anyagot is teszteltek, hogy megfigyeljék, hogyan reagálnak erre a „sebességőr” módszerre: a NbN-t és a YBCO-t.

A NbN úgy viselkedett, mint aki nagyon egyértelmű szakadási ponttal rendelkezik. Megmaradt szuperelektromos állapotban egy konkrét küszöbig — majd hirtelen, drámai módon megállt. A Cooper-párok gyakorlatilgyi értelemben egyszerre omlottak össze. Ez egy éles, határozott kudarc volt, mint amikor egy kötél végső feszültség alatt hirtelen elszakad.

A YBCO viszont inkább egy lassú leépés volt. Az áram növekedésével a szuperelektromossága fokozatosan gyengült. Ennek az azért van, mert a YBCO összetettebb belső szerkezetű — szuperelektromos tulajdonságai attól függően változnak, hogy milyen irányból mérik őket, hasonlóan ahhoz, ahogy a fa a szálirányában erősebb, mint a keresztirányban.

Miért fontos ez?

Itt jön a valóban lenyűgöző rész: az ultrahatékony impulzusok használatával a tudósok most már hozzáférhetnek a szuperelektromosság valódi alapvető határaihoz — amit a „szétválasztó áramnak” (depairing current) neveznek. Ez az a pont, ahol maguk a Cooper-párok kezdenek szétválni, nem csak ott, ahol a vortexok problémát okoznak.

Ennek megértése jobb szuperelektromos anyagokhoz vezethet mindenféle alkalmazáshoz: erősebb MRI-gépekhez, gyorsabb kvantumszámítógépekhez, hatékonyabb elektromos hálózatokhoz, és akár mágneses leviasa de vonatokhoz is.

Nemcsak a meglévő anyagokat terítjük ki tovább — teljesen új fizikát fedezünk fel, amely eddig a szemünk előtt, de elérhetetlenségben rejtőzött.

És őszintén? Ez elég izgalmas.

Forrás: ScienceDaily