Ледяной прорыв: физики из Хьюстона на шаг приблизились к соз

В мире фундаментальной науки редко случаются события, способные в одночасье изменить будущее цивилизации. Но то, что произошло в стенах Хьюстонского университета, уже окрестили тектоническим сдвигом в физике твердого тела. Группе исследователей удалось создать сверхпроводник, работающий при атмосферном давлении и рекордно высокой температуре. Это не просто очередной лабораторный курьез, а, возможно, первый кирпичик в фундаменте энергетики будущего, где потери при передаче тока будут сведены к нулю.

В погоне за нулем

Чтобы понять масштаб открытия, нужно вспомнить школьный курс физики. Любой проводник обладает сопротивлением. Когда по проводу идет ток, часть энергии неизбежно теряется, превращаясь в тепло — из-за этого греются провода, греется техника, мы платим за свет, часть которого буквально рассеивается в воздухе. Сверхпроводимость — это квантовое состояние, при котором электрическое сопротивление полностью исчезает. Ток, однажды запущенный в такой материал, может циркулировать в нем вечно, без подпитки.

Проблема в том, что долгое время сверхпроводимость достигалась лишь при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). Охлаждать километры кабелей жидким гелием — дорого и непрактично. В 1993 году ученые нашли материалы (купраты), которые становились сверхпроводниками при -140°C. Это было большим шагом, но использовать их в быту было все еще невозможно: их приходилось охлаждать жидким азотом, что тоже сложно и затратно. Кроме того, большинство высокотемпературных сверхпроводников требовали чудовищного давления в миллионы атмосфер, что сводило на нет любую практическую ценность. Рекорд держался более 30 лет.

Магия давления и холода

Команда из Хьюстона пошла нестандартным путем. В качестве основы они взяли купрат Hg1223 — сложное соединение ртути, бария, кальция, меди и кислорода. Этот класс материалов известен давно, но ученые применили к нему технику, напоминающую закалку стали в кузнечном деле.

Сначала исследователи охладили образец до температуры -268°C (всего на 5 градусов выше абсолютного нуля). В этом состоянии, близком к квантовому сну материи, они подвергли материал колоссальному сжатию — 186 тысяч атмосфер. Это давление разрывает обычные химические связи и перестраивает кристаллическую решетку, заставляя атомы выстраиваться в идеальную структуру, необходимую для сверхпроводимости.

Главный фокус произошел дальше. Ученые резко сбросили давление, вернув его к нормальному, земному уровню (1 атмосфера). Благодаря тому, что манипуляции проводились при сверхнизких температурах, кристаллическая структура не успела разрушиться. Она «замерзла» в том самом идеальном, высокоэнергетическом состоянии, которое было достигнуто под прессом.

Результат превзошел ожидания: материал остался сверхпроводником, но теперь уже при атмосферном давлении, а температура перехода в сверхпроводящее состояние поднялась до -122°C.

Почему это важно?

На первый взгляд, -122°C — это все еще адский холод. В Антарктиде теплее. Но физики ликуют не из-за абсолютного значения, а из-за динамики.

Во-первых, это на 18 градусов выше, чем предыдущий рекорд, державшийся с 1993 года. В мире высокотемпературной сверхпроводимости 18 градусов — это пропасть, которую не могли преодолеть три десятилетия.

Во-вторых, и это самое главное — атмосферное давление. Ранее многие материалы проявляли сверхпроводимость при высоких температурах, но только под давлением в сотни тысяч атмосфер, что делало их существование чисто лабораторным курьезом. Теперь же ученые получили образец, который не нужно сжимать алмазными наковальнями. Его можно трогать, изучать, а главное — пытаться масштабировать технологию.

Мост к комнатной температуре

Авторы открытия уверены, что разработанный ими метод — это не просто удача с конкретным купратом Hg1223, а универсальный ключ. Технологию «заморозки» структуры под давлением можно применить и к другим материалам этого семейства.

Если этот подход сработает, человечество сможет получать все новые и новые сверхпроводники, работающие при все более высоких температурах. Следующая цель ученых — перешагнуть порог в -100°C, потом в -70°C. Конечная же мечта — достичь комнатной температуры (+20–25°C).

Что нам дадут сверхпроводники?

Появление доступного сверхпроводника, работающего в обычных условиях, произведет революцию, сравнимую разве что с изобретением транзистора.

Энергетика. Исчезнут потери при передаче электроэнергии по проводам. Сейчас, пока ток доходит от электростанции до квартиры, теряется до 20–30% энергии. Сверхпроводящие кабели позволят передавать ток на тысячи километров без потерь. Это перекроит мировую энергосистему.
Транспорт. Появятся поезда на магнитной подушке (маглев), которые будут буквально парить над путями, развивая скорости, недоступные сегодня, при минимальном энергопотреблении.
Медицина и электроника. Компьютеры перестанут перегреваться — чипы не будут выделять тепло. Это позволит создавать процессоры невероятной мощности, которые сегодня упираются в тепловыделение. Магнитно-резонансные томографы станут компактными и дешевыми.

Но есть нюанс

Несмотря на эйфорию в научном мире, до массового внедрения еще далеко. Пока исследователи получили микроскопический образец в лаборатории. Для инженеров стоит задача научиться производить такие материалы в промышленных масштабах и делать их пластичными (ведь провода нужно гнуть).

Температура -122°C по-прежнему требует охлаждения, хоть и не таким дорогим агентом, как гелий. Но это уже не просто физика, а вызов для материаловедов и химиков. Однако шаг, сделанный в Хьюстоне, вселяет уверенность: решение задачи создания сверхпроводника при комнатных условиях — это не вопрос фантастики, а вопрос времени и инвестиций. Впервые за долгие годы у нас есть четкий путь наверх — к теплу.