Образовательный сайт

Илья Xeль
Учeныe приблизились к рaзгaдкe сeкрeтa высoкoтeмпeрaтурныx свeрxпрoвoдникoв
Дoбaвляя эти aтoмы и oxлaждaя мaтeриaл, мoжнo дoбиться тoгo, чтo элeктрoны — кoтoрыe oбычнo oттaлкивaются друг oт другa — выстрoятся пaрaми и будут лeгкo двигaться чeрeз мaтeриaл. Eсли вы кoгдa-либo дeржaли нoутбук на коленях, вы должны понимать, что такое потеря тепла из-за несверхпроводящего материала. Почему танцоры, или электроны, вообще сбиваются в пары? После 10 лет подготовки и анализа более 2000 образцов купрата, меняя долю стронция, они выяснили, что число электронных пар в определенной области (скажем, на кубический сантиметр), или плотность электронных пар, — это определяет температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Вы танцуете в танцевальном зале, и в какой-то момент другие люди — которые обычно не ходят держась за руки — начинают собираться парами и двигаться в унисон. То есть переносимая ими электроэнергия совсем не преобразуется в тепло. Приходят новенькие, тоже собираются в пары и присоединяются к гармоничному танцу. При определенных условиях — которые пока что включают сверхнизкие температуры — электрические токи свободно протекают через купратные сверхпроводники, не встречая на своем пути никаких препятствий. При большом количестве строцния купрат становится более проводящим, поскольку увеличивается число подвижных электронов. И в конечном итоге пар больше не остается. Такие материалы не потребуют охлаждения, так что их можно было бы относительно легко и недорого включить в нашу повседневную жизнь. Сверхпроводники — это Святой Грааль физиков и материаловедов. Другими словами, за все отвечает не сила, а плотность, в данном случае — электронных пар. В сверхпроводниках магнитное поле выталкивается; в металлах проникает. Группа Божовича в настоящее время решила часть загадки, определив, что именно контролирует температуру, при которой купраты становятся сверхпроводящими. Чем же особенные эти купраты? Стандартная теория сверхпроводимости гласит, что эта температура определяется силой взаимодействия электронных пар, но команда Божовича пришла к другим выводам. Это расстояние напрямую связано с плотностью электронных пар и меняется в зависимости от свойств материала. В то же время температура сверхпроводящего перехода стремится к нулю. Создание необходимых условий для сверхпроводимости в купратах также включает добавление других химических элементов вроде стронция. Правда, такое возможно лишь при температурах в несколько градусов выше абсолютного нуля, что затрудняет их повсеместное использование. Это делает купраты весьма перспективными для реального применения. Эта загадка волнует физиков уже более 30 лет. Божовича и его команду также удивило, что в пары собирается лишь часть электронов, хотя должны все. Ученые пришли к такому выводу, измеряя, насколько далеко может проходить магнитное поле через каждый образец. Эти материалы позволяют электрическому току течь совершенно свободно, безо всякого сопротивления. Чтобы выяснить секрет «высокотемпературной» сверхпроводимости в купратах, ученым нужно понять, как ведут себя электроны в этих материалах. Однако ученые заметили, что если добавлять больше стронция, число электронных пар уменьшается, пока их не останется совсем. Представьте энергосети, которые никогда не теряют энергию; более доступные системы поездов на магнитной подушке; дешевые методы магнитно-резонансной томографии и небольшие, но очень мощные суперкомпьютеры. Тем не менее, если бы мы могли использовать силу сверхпроводимости при комнатной температуре, мы могли бы изменить процессы производства, хранения, распределения энергии, и фантастика стала бы реальностью. Представьте себе такую аналогию. Дело в том, что они могут достичь этого «волшебного» состояния при температурах, которые на сотню градусов превышают те, при которых обычно работают сверхпроводники. Независимо от числа прибывающих людей на танцполе, лишь часть их разбилась по парам, несмотря на то, что могли бы все. Исследование, проведенное под руководством физика Ивана Божовича, было посвящено классу соединений под названием купраты, они содержат слои атомов меди и кислорода. Не так давно исследователи из отдела энергий Брукхейвенской национальной лаборатории стали на один шаг ближе к пониманию того, как осуществить подобный прорыв. Но затем происходит что-то странное. Ответ на этот вопрос станет очередным шагом к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости в купратах.