Nopeustekniikka, joka ohittaa suprajohteiden rajat

Okei, minun täytyy kertoa teille jostain fysiikan maailmassa todella jännittävästä asiasta, ja lupaan tehdä siitä ymmärrettävää, vaikka et olisi kuunnellut kemian tunnilla.

Suprajohteet ovat materiaalitieteen varsinaisia rock-tähtiä. Kun tiettyjä materiaaleja jäähdytetään uskomattoman kylmiin lämpötiloihin (puhumme kylmemmästä kuin avaruuden kylmyys), tapahtuu jotain maagista: sähköinen vastus putoaa kirjaimellisesti nollaan. Nolla! Se tarkoittaa, että sähkö voi virrata niiden läpi ikuisesti menettämättä energiaa. Ei lämpöä, ei hukkaa, vain puhdasta ja täydellistä virtausta.

Normaalisti elektronit ovat kuin kärsimättömiä kuljettajia, jotka yrittävät tunkeutua ruuhkaiselle moottoritielle. Ne törmäävät atomeihin, menettävät energiaa, tuottavat lämpöä ja aiheuttavat yleisesti ottaen liikennehäiriöitä. Mutta suprajohteissa elektronit muodostavat niin kutsuttuja Cooperin pareja ja alkavat liikkua synkronoidusti – melkein kuin täydellisesti koreografioitu tanssiryhmä kaaottisten yksittäisten tanssijoiden sijaan.

Tässä on ongelma

Näillä suprajohteilla on kuitenkin heikkous. Niillä on vain tietty määrä sähkövirtaa, jonka ne kestävät ennen kuin asiat menevät sekaisin. Tutkijat kutsuvat tätä "kriittiseksi virraksi" – ajattele sitä materiaalin maksimikuormituksena ennen kuin se alkaa kärsiä.

Useimmissa tapauksissa suprajohteet eivät epäonnistu jonkin perustavanlaatuisen fysikaalisen rajan vuoksi. Ne epäonnistuvat niin kutsuttujen vorteksien eli pyörteiden vuoksi – pienistä alueista, joista magneettikentät hiipivät materiaalin läpi. Kun sähkövirtaa työnnetään liikaa, nämä vorteksit alkavat liikkua, mikä luo kitkaa ja lämpöä, ja lopulta koko järjestelmä romahtaa.

Se on kuin täydellisen sileä jäähalli, mutta joku on levittänyt sinne joukon tahmeita läiskiä, jotka hidastavat sinua, kun liikut liian nopeasti.

Älykäs ratkaisu

Nyt tulee se hauska osa (sanaleikki on täysin tietoinen).

Max Planckin materiaalin rakenteen ja dynamiikan instituutin tutkijaryhmä päätti "huijata". Sen sijaan, että sähkövirtaa olisi työnnetty suprajohteen läpi hitaasti, he iskivät siihen uskomattoman lyhyitä sähköpiikkejä – puhumme pikosekunneista. Pikosekunti on yksi biljoonasosa sekunnista. Vertailun vuoksi: silmänräpäys sisältää noin 30 biljoonaa pikosekuntia.

Logiikka? Vorteksit voivat liikkua vain tiettyyn nopeuteen (kymmeniä kilometrejä sekunnissa), ja pikosekunnissa ne tuskin ehtivät liikahtaa – puhumme vain nanometrien etäisyyksistä. Toimittamalla sähköimpulssi näin lyhyessä ajassa tutkijat pystyivät nostamaan virran äärimmäisille tasoille ennen kuin vorteksit ehtivät aiheuttaa ongelmia.

Eryin Wang, tutkimuksen pääkirjoittaja, kuvaa sen täydellisesti: "Strategiamme oli juosta vorteksidynamiikan ohi."

Se on kuin voisit juosta miinakentän yli niin nopeasti, ettei miinoilla ole aikaa räjähtää. Käytännössä kävelet edelleen saman vaarallisen alueen läpi, mutta et anna esteille mahdollisuutta aktivoitua.

Kaksi materiaalia, kaksi täysin erilaista persoonallisuutta

Tutkijat testasivat kahta eri suprajohtea nähdäkseen, miten ne reagoivat tähän nopeusdemoni-lähestymistapaan: NbN ja YBCO.

NbN käyttäytyi kuin henkilöllä, jolla on hyvin selkeä murtumispiste. Se pysyi suprajohtavana aina tiettyyn kynnykseen asti – ja sitten se yhtäkkiä, dramaattisesti, lakkasi toimimasta. Cooperin parit käytännössä särkyivät kaikki kerralla. Se oli terävä ja ratkaiseva epäonnistuminen, kuin köysi lopulta katkeaisi liiallisen jännityksen alla.

YBCO taas oli enemmänkin hidas hiipuminen. Sen suprajohtavuus heikkeni asteittain virran kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että YBCO:lla on monimutkaisempi sisäinen rakenne – sen suprajohtavat ominaisuudet vaihtelevat riippuen siitä, mistä suunnasta niitä mitataan, vähän kuten puu on vahvempaa syiden suunnassa kuin niiden vastaisesti.

Miksi tämä on tärkeää

Tässä on se todella hieno osa: käyttämällä näitä ultrafast-impulssia tutkijat voivat nyt päästä suprajohtavuuden todellisiin perustavanlaatuisiin rajoihin – mitä he kutsuvat "depairing-virraksi". Tämä on se piste, jossa itse Cooperin parit alkavat hajota, ei vain se piste, jossa vorteksit aiheuttavat ongelmia.

Tämän ymmärtäminen voi johtaa parempiin suprajohteisiin kaikenlaisiin sovelluksiin: tehokkaampiin MRI-laitteisiin, nopeampiin kvanttitietokoneisiin, tehokkaampiin sähkönsiirtolinjoihin ja jopa maglev-osiin, jotka leijuvat magneettikenttien varassa.

Emme vain puske nykyisiä materiaaleja pidemmälle – olemme löytämässä täysin uutta fysiikkaa, joka oli piilossa juuri ulottumattomissa.

Ja rehellisesti sanottuna? Se on aika jännittävää.

Lähde: ScienceDaily