Святой Грааль энергоэффективности в виде сверхпроводников

Сверхпроводники — Святой Грааль энергоэффективности. Эти потрясающие материалы позволяют электрическому току течь свободно без сопротивления. Но это происходит, как правило, только при температурах близких к абсолютному нулю (минус 273 градуса), что сильно затрудняет их использование.

Создание материалов, которые были бы сверхпроводниками при комнатных температурах, полностью изменило бы производство, передачу и использование электроэнергии во всем мире.

Ученые на кафедре Брукхейвенской национальной лаборатории энергетики стали на один шаг ближе к пониманию того, как сделать возможной высокотемпературную сверхпроводимость. Исследование под руководством физика Ивана Божовича включает в себя класс соединений, которые называются купраты, содержащих слои атомов меди и кислорода.

При правильных условиях, которые на данный момент означают сверхнизкие температуры, электрический ток течет свободно через купратные сверхпроводники, не встречая каких-либо препятствий на пути. А это значит, что электрическая энергия не теряется, превращаясь в тепло.

Условия сверхпроводимости в купратных сверхпроводниках

Создание необходимых условий для сверхпроводимости в купратах также включает в себя добавление других химических элементов, таких как стронций. Так или иначе, добавление этих атомов и охлаждение материала заставляет электроны, которые, как правило, отталкиваются друг от друга, образовывать пары и без усилий двигаться вместе через материал. То, что делает купраты такими особыми так это способность достигать этого «магического» состояния вещества при температурах на сто или больше градусов выше температур, необходимых для стандартных сверхпроводников. Именно это и делает их весьма перспективными для использования в промышленности.

Эти материалы не нуждались бы в охлаждении, поэтому их относительно легко и недорого можно было бы начать использовать в повседневной жизни. Представьте линии электропередач, которые не теряют энергию, более доступные поезда на магнитной подушке, дешевые МРТ сканеры, меньшие, но не менее мощные компьютеры.

Для того, чтобы разгадать тайну высокотемпературной сверхпроводимости в купратах, ученые должны понять, как электроны в этих материалах себя ведут. Команде Божовича удалось разгадать часть «загадки», выяснив что именно контролирует температуру, при которой купраты становятся сверхпроводящими.

Стандартная теория сверхпроводимости говорит, что эта температура контролируется силой взаимодействия электронного спаривания. Но команда Божовича обнаружила обратное. После 10 лет подготовки и анализа более 2000 образцов купратов с различными количествами стронция, они обнаружили, что число электронных пар в пределах данной области (например, в кубическом сантиметре), или же плотность электронных пар, определяет температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Иными словами, важной в этом случае является не сила взаимодействует между объектами, а именно плотность объектов.

Сверхпроводники используют и будут использовать всё больше

Ученые пришли к такому выводу, измеряя глубину на которую магнитное поле проникало в образец. Это расстояние напрямую связана с плотностью электронных пар, а также зависит от свойств материала. В сверхпроводники магнитное поле почти не проникает через то, что экранируется поверхностным током (эффект Майcснера).

При слишком большом количестве стронция, купраты становятся более ведущими, так как увеличивается число подвижных электронов. Однако, ученые обнаружили, что когда они добавляли больше стронция, число пар электронов уменьшалось до тех пор пока не исчезало вообще. В то же время, температура перехода в сверхпроводящее состояние падала до нуля (по Кельвину, или -273 ° C).

Подумайте об этом так: вы в танцевальном зале, и в какой-то момент вы и другие люди, которые обычно не танцуют за руки, начинают образовывать пары и двигаться в унисон. Некоторые новички приходят, образуют пары и присоединяются к танцу. Но потом происходит нечто странное. Независимо от того, сколько еще людей входит в танцзал, только часть из них образует пары. В конце концов, пара перестают образовываться вообще.

Почему танцоры или электроны образуют пары в начале? Ответ на этот вопрос является очередным шагом на пути к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости в купратах, загадки которую физики не могут разгадать уже в течение более чем 30 лет.