Нов свръхпроводник при стайна температура и налягане - всичко, което трябва да знаете

Ваня Милева Последна промяна на 31 юли 2023 в 00:01 25564 0

(а) Разположение на запечатана вакуумна кристална тръба със смесена енергия. (b), (c), (d) Условия за термична обработка на ланаркит, Cu<sub>3</sub>P, Pb<sub>10-x</sub>Cu<sub>x</sub>(PO<sub>4</sub>)O (0.9arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.12008
(а) Разположение на запечатана вакуумна кристална тръба със смесена енергия. (b), (c), (d) Условия за термична обработка на ланаркит, Cu3P, Pb10-xCux(PO4)O (0.9arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.12008

Екип от физици, свързани с няколко институти в Южна Корея, твърди, че е създал трудно постижимия свръхпроводящ материал при стайна температура и атмосферно налягане. Тяхната работа все още не е рецензирана. Те са публикували две статии в сървъра за препринти arXiv.

Учените от цял свят се опитват да открият материал, който да провежда електричество без съпротивление повече от век - откриването на такъв материал би довело до революция в електроснабдяването, тъй като това би означавало, че електричеството вече няма да се губи от разсейване на топлина при движението му по електропроводите. Това би довело и до революция в електрониката, тъй като инженерите вече няма да се притесняват, че разсейването на топлината води до проблеми в устройствата.

В двете си статии изследователският екип описва новия материал, наречен LK-99, и начина на създаването му. Те съобщават, че е създаден чрез реакция в твърдо състояние между ланаркит (Pb2SO5) и меден фосфид (Cu3P). Според тях реакцията е превърнала сместа в тъмносив свръхпроводим материал.

(a) Температурна зависимост на диамагнитната чувствителност, измерена в проби 2 и 3. (b) Феноменът на левитация, получен от отгрята проба 2 (проба 4). Кредит: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.12008

В своите статии екипът твърди, че е измерил образци от LK-99 при подаване на електричество и е установил, че чувствителността му пада почти до нула. Те също така твърдят, че при тестване на магнетизма му, той е показал ефекта на Майснер - друг тест за свръхпроводимост. При този тест пробата трябва да левитира, когато се постави върху магнит. Екипът е предоставил видеоклип, на който се вижда как материалът частично левитира. Те твърдят, че левитацията е била само частична поради примеси в техния материал.

Свръхпроводимост и ефект на Майснер

Свръхпроводимостта, открита за пръв път през 1911 г., когато физикът Хайке Камерлинг Онес забелязва нещо любопитно - че живачен проводник, охладен до около -269°C, не оказва съпротивление на електрическия поток.

Обикновено потокът от електрически ток се сблъсква с известна степен на съпротивление - както, ако поставим камъни в река, се забавя скоростта ѝ или както въздушното съпротивление забавя скоростта на движещ се обект, например.

Колкото по-висока е проводимостта на материала, толкова по-малко е електрическото му съпротивление, а токът може да протича по-свободно.

Но при ниски температури в някои материали се случва нещо странно. Съпротивлението намалява до нула, а токът преминава безпрепятствено. Възниква ефектът на Майснер - магнитните полета на материала изчезват от вътрешността на проводника, след като премине под определена критична температура. Това състояние се нарича свръхпроводимост.

В рамките на няколко години е установено, че материали като оловото и сплавите на ниобий и калай също са свръхпроводими при изключително ниски температури, а Камерлинг Онес получава Нобелова награда за физика.

Ефектът на Майснер. Wikimedia Common

Изследователите започват да разбират по-добре как работят свръхпроводниците през 50-те години на ХХ век, когато американските физици Джон Бардън, Леон Купър и Джон Робърт Шрайфър разработват теория за това какво се случва във вътрешността на тези материали, когато се охлаждат драстично. Тяхната така наречена BCS теория - съкращение от Bardeen, Cooper и Schrieffer - гласи, че в свръхпроводниците електроните образуват двойки по такъв начин, че могат да пренасят електричество, без да срещат съпротивление. Това решаващо сдвояване на електрони се случва поради вибрациите в решетката на атомите, които изграждат материала, но те престават да го стимулират над около -233°C.

Теорията BCS донесе на авторите си и Нобелова награда за физика, но свръхпроводниците изглеждаха възможни само при изключително мощни хладилници, които изискват скъп течен хелий. Това се променя през 1987 г., когато изследователите откриват свръхпроводник, който съдържа мед и работи при -196°C. Последвалите експерименти в крайна сметка повишават температурата на свръхпроводимост до -140°C.

Така наречената свръхпроводимост при стайна температура, над 0 градуса по Целзий, е нещо като "Свещеният Граал" за учените. Ако може да се постигне, това ще направи революция в електрическата ефективност, значително ще подобри функционирането на енергийните мрежи, високоскоростния трансфер на данни и електрическите мотори.

Така че това е нещо, върху което работят много лаборатории по света, с нови твърдения, че са постигнали високотемпературна свръхпроводимост, от време на време, които след това не успяват да преминат тестовете за възпроизводимост.

Защо е толкова трудно да се създаде свръхпроводник със стайна температура?

Част от трудностите при създаването на тези материали се крият в това, че нито теорията на BCS, нито опитите за нейното разширяване дават рецепта за създаване на свръхпроводници, които работят при различни условия. Изследователите са постигнали напредък в определянето на подредбата на атомите и химичните свойства на материалите, които корелират със свръхпроводимостта, но все още остава изключително голям брой комбинации от материали, които трябва да се изпитат.

Един от материалите, които представляват интерес, е графенът, който представлява тънък като атом слой въглерод, притежаващ множество екзотични свойства, включително свръхпроводимост, но не е толкова сложен за изработване, колкото много от съдържащите мед свръхпроводници. Някои експерименти показват, че свръхпроводимостта може да се контролира толкова прецизно, колкото да може да се включва и изключва, чрез наслояване и усукване на листове графен, но необходимата температура за свръхпроводимост все още е около -271°C.

Експеримент от 2020 г., при който изследователите раздробяват смес от въглерод, сяра и водород между два диаманта, изглежда дава нова обещаваща възможност. Когато диамантите са подложени на налягане, равно на около 70 % от това в земното ядро, екипът наблюдава свръхпроводимост на сместа при 14°C . През март тази година същият екип тества материал, направен от водород, азот и лутеций, при налягане, което е намалено около 155 пъти, и отчита свръхпроводимост при невероятно високата температура от 21°C.

И двата експеримента са проверени от други изследователи, а статията, в която се съобщават резултатите от 2020 г., по-късно е оттеглена. Преди оттеглянето на доклада някои експерти в тази област поставиха под въпрос дали публикуваните данни са точни. Изследователите се придържат към откритието си от 2023 г., но седмица след обявяването на резултатите друг екип съобщава, че е повторил експеримента и не е открил свръхпроводимост.

В отделна насока на изследванията тази година два независими изследователски екипа съобщиха, че са открили, че свръхпроводниците, изработени от скандий, работят при по-високи температури, когато са подложени на екстремно налягане. Но поради това, че резултатите не са добре разбрани теоретично, и поради трудностите при производството на материала, остава неразрешено доколко това е пробив.

И сега на сцената излиза друг претендент - корейският екип със съединението LK-99. Документите на изследователите предизвикват голямо вълнение, но и скептицизъм в научната общност. Корейците предлагат на други учени да повторят техните опити, за да проверят откритията им.

Ако твърденията им се окажат верни, корейският екип ще е направил един от най-големите пробиви в историята на физиката, който несъмнено ще доведе до революционни промени в електрониката и със сигурност до Нобелови медали за всички участници.

Справка:

Sukbae Lee et al, The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.12008

Sukbae Lee et al, Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.12037

Източник:

Korean team claims to have created the first room-temperature, ambient-pressure superconductor, Bob Yirka, Phys.org

Room-temperature superconductors: Here's everything you need to know, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !