Свръхпроводимост при стайна температура

Физиците за първи път успяха да създадат свръхпроводимост при стайна температура и да обяснят същността на това явление.

Свръхпроводимостта се поддържала в керамичен проводник по-малко от секунда, но това постижение е огромно в развитието на науката и техниката.

Международен екип физици начело с учени от Института „Макс Планк“ в Хамбург успяха с помощта на лазерни импулси да накарат отделни атоми в кристална решетка за кратко да се изместят и по този начин да поддържат свръхпроводимост.

Кратките инфрачервени лазерни импулси за първи път позволиха да се „пусне“ свръхпроводимост в керамичен проводник при стайна температура.

Явлението в експеримента продължава само няколко милионни от микросекундата, но разбирането на принципа на свръхпроводимост при стайна температура ще помогне в създаването на нови типове свръхпроводници, които ще извършат преврат в съвременната техника.

Такива свръхпроводници ще решат множество съвременни проблеми – ще позволят създаването на свръхмощни акумулатори за захранване на енергоемка техника от рода на лазери или задвижващи механизми, електродвигатели и генератори с КПД, близък до 100%, нови медицински уреди, малки, но мощни микровълнови излъчватели и т.н.

Свръхпроводимост вече се използва, например в ядреномагнитния резонанс, ускорителите на частици, мощните релета на електростанции. Но съвременните свръхпроводници изискват криогенно охлаждане – металните до температура -273 градуса по Целзий, а по-съвременните керамични – минус 200 градуса по Целзий.

Ясно е, че това силно ограничава широкото използване на свръхпроводимостта, особено в бита.

За съжаление създаването на свръхпроводимост при стайна температура дълги години не е постигано поради специфичните условия, при които тя възниква. Така един от най-перспективните керамични свръхпроводници – YBCO (итрий-барий-меден оксид) има специфична структура – тънки двойни слоеве меден оксид се редуват с по-дебели междинни слоеве, които съдържат барий, мед и кислород.

Свръхпроводимостта в YBCO възниква при -180 градуса по Целзий в двойни слоеве меден оксид, където електроните могат да се съединяват и формират т.нар. Купърови двойки. Тези двойки са способни да създадат „тунел“ между различните слоеве, тоест да преминават през слоевете като призраци през стени. Този квантов ефект се наблюдава само под определена температура.

През 2013 година международен екип, работещ в Института „Макс Планк“, открил, че краткотрайни импулси на инфрачервен лазер са способни за много кратко време да провокират свръхпроводимост в YBCO при стайна температура.

Природата не помогнала да се разбере това явление, помогнал само най-мощният в света рентгенов лазер LCLS (в САЩ), който позволява да се „види“ атомната структура на материала и свръхкратки процеси. С негова помощ учените провели редица сложни експерименти и публикували резултата на своето откритие в сп. Nature.

Както се оказало, инфрачервеният лазерен импулс не само кара атомите да се колебаят, но и променя тяхната позиция в кристала. В резултат двойните слоеве меден оксид стават малко по-дебели – с 2 пикометра, или 0,01 от диаметъра на атома.

Това на свой ред увеличава квантовата връзка между двойните слоеве до такава степен, че кристалът става свръхпроводим при стайна температура в продължение на няколко пикосекунди.

По такъв начин учените открили потенциалния път за създаване на свръхпроводници, работещи при стайна температура. Ако изследователите успеят да превърнат теорията в търговска технология (а в случая със сегашните нискотемпературни свръхпроводници за това са били необходими около 20 години), то прогресът ще извърши огромен скок.

Бензиновите автомобилни двигатели ще станат анахронизъм, времето на непрекъсната работа на смартфона ще се изчислява не на часове, а на месеци, ще настъпи разцвет на електрическите летателни апарати, на левитиращите влакове и автобуси.