W poszukiwaniu nadprzewodników w temperaturze pokojowej

Wyobraź sobie świat, w którym pociągi lewitacji magnetycznej (maglev) są powszechne, komputery są błyskawiczne, kable zasilające mają niewielkie straty i istnieją nowe detektory cząstek. To świat, w którym nadprzewodniki w temperaturze pokojowej są rzeczywistością. Jak dotąd jest to marzenie na przyszłość, ale naukowcy są bliżsi niż kiedykolwiek do osiągnięcia nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej.

Nadprzewodnik temperatury pokojowej (RTS) jest rodzajem nadprzewodnika wysokotemperaturowego (wysoka T_do lub HTS), który działa bliżej temperatura pokojowa niż do zero absolutne. Jednak temperatura robocza powyżej 0 ° C (273,15 K) jest nadal znacznie niższa niż to, co większość z nas uważa za „normalną” temperaturę pokojową (20 do 25 ° C). Poniżej temperatury krytycznej nadprzewodnik ma zero opór elektryczny i wyrzucanie pól strumienia magnetycznego. Chociaż jest to nadmierne uproszczenie, nadprzewodnictwo można uznać za stan doskonałości przewodnictwo elektryczne.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe wykazują nadprzewodnictwo powyżej 30 K (−243,2 ° C). Podczas gdy tradycyjny nadprzewodnik musi być chłodzony ciekłym helem, aby stał się nadprzewodzący, nadprzewodnik wysokotemperaturowy może być chłodzony za pomocą ciekłego azotu. W przeciwieństwie do tego może być nadprzewodnik w temperaturze pokojowej chłodzony zwykłym lodem wodnym.

Podniesienie temperatury krytycznej nadprzewodnictwa do temperatury praktycznej to święty graal dla fizyków i inżynierów elektryków. Niektórzy badacze uważają, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest niemożliwe, podczas gdy inni wskazują na postępy, które już przewyższyły dotychczasowe przekonania.

Nadprzewodnictwo odkrył w 1911 r. Heike Kamerlingh Onnes w stałej rtęci chłodzonej ciekłym helem (Nagroda Nobla z fizyki z 1913 r.). Dopiero w latach 30. XX wieku naukowcy zaproponowali wyjaśnienie działania nadprzewodnictwa. W 1933 roku Fritz i Heinz London wyjaśnili Efekt Meissnera, w którym nadprzewodnik wyrzuca wewnętrzne pola magnetyczne. Z teorii londyńskiej wyjaśnienia obejmowały teorię Ginzburga-Landaua (1950) i mikroskopową teorię BCS (1957, nazwaną na cześć Bardeen, Cooper i Schrieffer). Zgodnie z teorią BCS wydawało się, że nadprzewodnictwo jest zabronione w temperaturach powyżej 30 K. Jednak w 1986 roku Bednorz i Müller odkryli pierwszy nadprzewodnik wysokotemperaturowy, perowskit miedziowy na bazie miedzi, o temperaturze zeszklenia 35 K. Odkrycie przyniosło im Nagrodę Nobla z fizyki w 1987 roku i otworzyło drzwi dla nowych odkryć.

Nadprzewodnikiem o najwyższej temperaturze, odkrytym do tej pory w 2015 r. Przez Michaiła Eremetsa i jego zespół, jest wodorek siarki (H₃S). Wodorek siarki ma temperaturę przejścia około 203 K (-70 ° C), ale tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (około 150 gigapaskali). Naukowcy przewidywać, że temperatura krytyczna może zostać podwyższona powyżej 0 ° C, jeśli atomy siarki są zastąpione przez fosfor, platynę, selen, potas lub tellur i stosuje się jeszcze wyższe ciśnienie. Jednak chociaż naukowcy zaproponowali wyjaśnienia dotyczące zachowania systemu wodorku siarki, nie byli w stanie odtworzyć zachowania elektrycznego lub magnetycznego.

Zastrzegano zachowanie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej dla innych materiałów oprócz wodorku siarki. Wysokotemperaturowy nadprzewodnikowy tlenek itru-baru i miedzi (YBCO) może stać się nadprzewodzący w temperaturze 300 K przy użyciu impulsów laserowych na podczerwień. Fizyka ciała stałego Neil Ashcroft przewiduje, że stały wodór metaliczny powinien przewodzić w pobliżu temperatury pokojowej. Zespół Harvarda, który twierdził, że wytwarza wodór metaliczny, doniósł, że efekt Meissnera można było zaobserwować przy 250 K. Oparty na parowaniu elektronów za pośrednictwem ekscytonu (nie parowaniu teorii BCS za pośrednictwem fononu), jest po prawej stronie można zaobserwować możliwą nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze w polimerach organicznych warunki.

Liczne doniesienia o nadprzewodnictwie w temperaturze pokojowej pojawiają się w literaturze naukowej, więc od 2018 r. Osiągnięcie wydaje się możliwe. Jednak efekt rzadko trwa długo i jest diabelnie trudny do odtworzenia. Inną kwestią jest to, że może być wymagana ekstremalna presja, aby osiągnąć efekt Meissnera. Po wytworzeniu stabilnego materiału najbardziej oczywiste zastosowania obejmują opracowanie wydajnego okablowania elektrycznego i mocnych elektromagnesów. Stamtąd niebo jest granicą, jeśli chodzi o elektronikę. Nadprzewodnik w temperaturze pokojowej zapewnia brak strat energii w praktycznej temperaturze. Większość zastosowań RTS nie została jeszcze wyobrażona.

• Nadprzewodnik w temperaturze pokojowej (RTS) jest materiałem zdolnym do nadprzewodnictwa powyżej temperatury 0 ° C. W normalnej temperaturze pokojowej niekoniecznie jest nadprzewodzący.
• Chociaż wielu badaczy twierdzi, że zaobserwowało nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, naukowcy nie byli w stanie wiarygodnie powielić wyników. Istnieją jednak nadprzewodniki wysokotemperaturowe o temperaturach przejściowych od -243,2 ° C do -135 ° C.
• Potencjalne zastosowania nadprzewodników w temperaturze pokojowej obejmują szybsze komputery, nowe metody przechowywania danych i lepszy transfer energii.

• Bednorz, J. SOL.; Müller, K. ZA. (1986). „Możliwe wysokie nadprzewodnictwo TC w układzie Ba-La-Cu-O”. Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189–193.
• Drozdov, A. P.; Eremets, M. JA.; I. Troyan ZA.; Ksenofontov, V.; Shylin, S. JA. (2015). „Konwencjonalne nadprzewodnictwo przy 203 kelwinach przy wysokich ciśnieniach w układzie wodorku siarki”. Natura. 525: 73–6.
• Ge, Y. FA.; Zhang, F.; Yao, Y. SOL. (2016). „Wykazanie pierwszych zasad nadprzewodnictwa w 280 K w siarkowodorze z niską substytucją fosforu”. Phys. Obrót silnika. b. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Podręcznik wysokotemperaturowej elektroniki nadprzewodnikowej. CRC Press.
• Mankowsky, R.; Subedi, A.; Först, M.; Mariager, S. O.; Chollet, M.; Lemke, H. T.; Robinson, J. S.; Glownia, J. M.; Minitti, M. P.; Frano, A.; Fechner, M.; Spaldin, N. ZA.; Loew, T.; Keimer, B.; Georges, A.; Cavalleri, A. (2014). „Nieliniowa dynamika sieci jako podstawa zwiększonej nadprzewodnictwa w YBa₂Cu₃O_6.5". Natura. 516 (7529): 71–73.
• Mourachkine, A. (2004). Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Cambridge International Science Publishing.