Technika „Speedster“, která překonává limity supervodivosti

Dobře, musím vám říct o něčem, co je ve světě fyziky opravdu vzrušující, a slibuji, že vám to vysvětlím srozumitelně, i když jste nedali pozor v chemii.

Supervodiví materiály jsou v podstatě rockměnami materiálového inženýrství. Když ochladíte určité materiály na neuvěřitelně nízké teploty (mluvíme o teplotách chladnějších než ve vesmíru), stane se něco magického: elektrický odpor klesne doslova na nulu. Nulu! To znamená, že elektrina může protékat skrze ně navždy, aniž by ztratila jakoukoli energii. Žádné teplo, žádný odpad, jen čistý, dokonalý průtok.

Normálně se elektrony chovají jako netrpěliví řidiči, kteří se snaží protlačit skrze přeplněnou dálnici. Narážejí do atomů, ztrácejí energii, generují teplo a obecně způsobují dopravní špičky. Ale v supervodivých materiálech se elektrony spojují do něčeho, čemu se říká Cooperovy páry, a začnou se pohybovat synchronizovaně – téměř jako dokonale choreografovaný taneční sbor místo chaotických jednotlivců.

Tady je ten problém

Tyto supervodivé materiály mají ale slabinu. Jsou omezené v tom, kolik elektrického proudu dokážou zvládnout, než se věci vymknou řízení. Vědci tomu říkají „kritický proud“ – představte si to jako maximální pracovní kapacitu materiálu, než začne začínat trpět.

Většinou supervodivé materiály selhávají ne kvůli nějakému základnímu fyzikálnímu limitu. Selhávají kvůli něčemu, čemu se říká vortexy – jsou to drobné oblasti, kterými se do materiálu vloudí magnetická pole. Když jimi protlačíte příliš mnoho proudu, tyto vortexy se začnou pohybovat, vytvářejí tření a teplo, a nakonec celý systém selže.

Je to jako mít dokonale hladkou ledovou plochu, na které někdo rozsypal pár lepkavých skvrn, které vás zpomalí, když se pohybujete příliš rychle.

Chytré řešení

Tady přichází ta skvělá část (doslova i v přeneseném významu).

Tým z Max Planckova ústavu pro strukturu a dynamiku hmoty se rozhodl pro „podvádění“. Místo aby proud skrze supervodivý materiál pomalu protlačovali, zasáhli ho neuvěřitelně krátkými výboji elektřiny – mluvíme o pikosekundách. Pikosekunda je jedna triliontina sekundy. Pro představu: mrknutí oka obsahuje zhruba 30 trilionů pikosekund.

Logika? Vortexy se mohou pohybovat jen určitou rychlostí (desítky kilometrů za sekundu) a během jedné pikosekundy se téměř ani nepohnou – mluvíme o vzdálenostech pouhých několika nanometrů. Díky tomu, že vědci dodali elektrický impuls v takto krátkém okně, mohli zvýšit proud na extrémní úroveň dříve, než stihly vortexy způsobit problémy.

Eryin Wang, hlavní autor, to popisuje dokonale: „Naší strategií bylo předběhnout dynamiku vortexů.“

Je to jako kdybete mohli sprintovat přes minové pole tak rychle, že miny nestihnou vybuchnout. Technicky stále kráčíte stejným nebezpečným prostorem, jen nedáváte překážkám šanci se aktivovat.

Dva materiály, dvě zcela odlišné povah

Výzkumníci otestovali dva různé supervodivé materiály, aby zjistili, jak zareagují na tento „rychlostní“ přístup: NbN a YBCO.

NbN se choval jako někdo s velmi jasným bodem zlomu. Zůstal supervodivý až do určité prahové hodnoty – a pak náhle, dramaticky, přestal. Cooperovy páry se v podstatě rozpadly všechny najednou. Bylo to ostré, rozhodné selhání, jako když lano nakonec praskne pod přílišným napětím.

YBCO naopak vykazoval spíše pomalý úpadek. Jeho supervodivost postupně oslabovala, jak se proud zvyšoval. Je to proto, že YBCO má složitější vnitřní strukturu – jeho supervodivé vlastnosti se liší v závislosti na tom, kterým směrem je měříte, podobně jako je dřevo pevnější podél vláken než napříč nimi.

Proč je to důležité

Tady je ta opravdu skvělá část: díky použití těchto ultrafastních impulsů se vědci nyní mohou dostat k skutečným základním limitům supervodivosti – tomu, čemu říkají „odpairovací proud“. To je bod, kdy se začnou rozpadat samotné Cooperovy páry, nikoliv jen místo, kde vortexy způsobují problémy.

Pochopení tohoto jevu by mohlo vést k lepším supervodivým materiálům pro všechny druhy aplikací: výkonnější MRI přístroje, rychlejší kvantové počítače, efektivnější přenosové vedení a dokonce i maglev vlaky, které levitují na magnetických polích.

Nekončíme jen tím, že posouváme stávající materiály dále – objevujeme zcela novou fyziku, která se skrývala těsně za naším dosahem.

A upřímně? To je docela vzrušující.

Zdroj: ScienceDaily