211service.com
Rom-temperatur superledning er oppnådd for første gang
Utstyr som brukes til å lage en superleder med romtemperatur, inkludert en diamantamboltcelle (blå boks) og lasermatriser, er avbildet i University of Rochester-laboratoriet i Ranga Dias. Adam-vinduet
Romtemperatur-superledere - materialer som leder elektrisitet med null motstand uten å trenge spesiell kjøling - er den typen teknologiske mirakel som vil ødelegge dagliglivet. De kan revolusjonere det elektriske nettet og muliggjøre svevende tog, blant mange andre potensielle bruksområder. Men til nå har superledere måttet avkjøles til ekstremt lave temperaturer, noe som har begrenset dem til å bruke som en nisjeteknologi (om enn viktig). I flere tiår virket det som romtemperatur superledning kan være for alltid utenfor rekkevidde , men i løpet av de siste fem årene har noen få forskningsgrupper rundt om i verden vært engasjert i et kappløp for å oppnå det i laboratoriet.
En av dem vant nettopp.
I en artikkel publisert i Nature i dag , rapporterer forskere at de oppnår superledning ved romtemperatur i en forbindelse som inneholder hydrogen, svovel og karbon ved temperaturer så høye som 58 °F (13,3 °C eller 287,7 K). Den forrige høyeste temperaturen hadde vært 260 K, eller 8 °F, oppnådd av en rivaliserende gruppe ved George Washington University og Carnegie Institution i Washington, DC, i 2018. (En annen gruppe ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland, oppnådde 250 K, eller -9,7 °F, omtrent på samme tid.) I likhet med de tidligere rekordene ble den nye rekorden oppnådd under ekstremt høye trykk - omtrent to og en halv million ganger større enn luften vi puster inn.
Det er et landemerke, sier José Flores-Livas, en beregningsfysiker ved Sapienza-universitetet i Roma, som lager modeller som forklarer superledning ved høy temperatur og ikke var direkte involvert i arbeidet. Om et par år, sier han, gikk vi fra 200 [K] til 250 og nå 290. Jeg er ganske sikker på at vi når 300.
Elektriske strømmer er flytende elektriske ladninger, som oftest består av elektroner. Ledere som kobbertråder har mange løst bundne elektroner. Når et elektrisk felt påføres, flyter disse elektronene relativt fritt. Men selv gode ledere som kobber har motstand: de varmes opp når de bærer strøm.
Superledning – der elektroner strømmer gjennom et materiale uten motstand – høres umulig ut ved første rødme. Det er som om man kunne kjøre i høy hastighet gjennom et trafikkert bysentrum, uten å treffe et lyskryss. Men i 1911 fant den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes ut at kvikksølv blir en superleder når det avkjøles til noen få grader over absolutt null (omtrent -460 °F, eller -273 °C). Han observerte snart fenomenet i andre metaller som tinn og bly.
I mange tiår etterpå ble superledning skapt bare ved ekstremt lave temperaturer. Så, på slutten av 1986 og begynnelsen av 1987, fant en gruppe forskere ved IBMs Zürich-laboratorium at visse keramiske oksider kan være superledere ved temperaturer så høye som 92 K – avgjørende, over koketemperaturen til flytende nitrogen, som er 77 K. Dette forvandlet studiet av superledning, og dens anvendelser i ting som sykehus MR, fordi flytende nitrogen er billig og lett å håndtere. (Flytende helium, selv om det er kaldere, er mye mer kresen og dyrere .) Det store spranget på 1980-tallet førte til febrilske spekulasjoner om at superledning i romtemperatur kunne være mulig. Men den drømmen hadde vist seg unnvikende frem til forskningen som ble rapportert i dag.
Under press
En måte superledere fungerer på er når elektronene som strømmer gjennom dem kobles til fononer - vibrasjoner i gitteret av atomer materialet er laget av. Det faktum at de to er synkroniserte, mener teoretikere, gjør at elektroner kan strømme uten motstand. Lave temperaturer kan skape forutsetninger for at slike par kan dannes i en lang rekke materialer. I 1968 hevdet Neil Ashcroft fra Cornell University at under høyt press, hydrogen vil også være en superleder . Ved å tvinge atomer til å pakke seg tett sammen, endrer høye trykk måten elektroner oppfører seg på, og i noen tilfeller gjør det mulig for elektron-fonon-par å dannes.
Forskere har i flere tiår forsøkt å forstå akkurat hva disse omstendighetene er, og å finne ut hvilke andre elementer som kan blandes inn med hydrogen for å oppnå superledning ved stadig høyere temperaturer og lavere trykk.
I arbeidet som er rapportert i dagens artikkel, blandet forskere fra University of Rochester og kolleger først karbon og svovel i et en-til-en-forhold, malte blandingen ned til små kuler og klemte deretter disse kulene mellom to diamanter mens de injiserte hydrogengass . En laser ble skinnet på forbindelsen i flere timer for å bryte ned bindinger mellom svovelatomene, og dermed endre kjemien til systemet og oppførselen til elektronene i prøven. Den resulterende krystallen er ikke stabil ved lave trykk - men den er superledende. Den er også veldig liten - under de høye trykket den superleder ved, er den omtrent 30 milliondeler av en meter i diameter.
De nøyaktige detaljene ved Hvorfor Dette sammensatte verkene er ikke fullt ut forstått - forskerne er ikke engang sikre på nøyaktig hvilken forbindelse de laget. Men de utvikler nye verktøy for å finne ut hva det er og er optimistiske om at når de først er i stand til det, vil de være i stand til å finjustere sammensetningen slik at forbindelsen kan forbli superledende selv ved lavere trykk.
Å komme ned til 100 gigapascal – omtrent halvparten av trykket som brukes i dagens Nature-papir – vil gjøre det mulig å begynne å industrialisere supersmå sensorer med svært høy oppløsning, spekulerer Flores-Livas. Nøyaktige magnetiske sensorer brukes i mineralprospektering og også for å oppdage avfyring av nevroner i den menneskelige hjernen, samt ved fremstilling av nye materialer for datalagring. En rimelig, presis magnetisk sensor er den typen teknologi som ikke høres sexy ut alene, men som gjør mange andre mulige.
Og hvis disse materialene kan skaleres opp fra små trykkkrystaller til større størrelser som fungerer ikke bare ved romtemperatur, men også ved omgivelsestrykk, vil det være begynnelsen på et enda mer dyptgripende teknologisk skifte. Ralph Scheicher, en beregningsmodeller ved Uppsala universitet i Sverige, sier at han ikke ville bli overrasket om dette skjedde innen det neste tiåret.
Motstand er nytteløst
Måtene som elektrisitet genereres, overføres og distribueres på, vil bli fundamentalt transformert av billige og effektive superledere med romtemperatur større enn noen få milliondeler av en meter. Omtrent 5% av elektrisiteten produsert i USA går tapt i overføring og distribusjon , ifølge Energy Information Administration. Å eliminere dette tapet vil for det første spare milliarder av dollar og ha en betydelig klimapåvirkning. Men romtemperatur-superledere ville ikke bare endre systemet vi har – de vil aktivere et helt nytt system. Transformatorer, som er avgjørende for det elektriske nettet, kan gjøres mindre, billigere og mer effektive. Det kunne også elektriske motorer og generatorer. Superledende energilagring brukes i dag for å jevne ut kortsiktige svingninger i det elektriske nettet, men det er fortsatt relativt nisje fordi det krever mye energi å holde superledere kalde. Romtemperatur-superledere, spesielt hvis de kan konstrueres for å tåle sterke magnetiske felt, kan tjene som en svært effektiv måte å lagre større mengder energi på i lengre perioder , noe som gjør fornybare, men intermitterende energikilder som vindturbiner eller solceller mer effektive.
Og fordi flytende elektrisitet skaper magnetiske felt, kan superledere også brukes til å lage kraftige magneter for så forskjellige applikasjoner som MR-maskiner og svevende tog. Superledere er også av stor potensiell betydning i det begynnende feltet av kvantedatabehandling. Superledende qubits er allerede grunnlaget for noen av verdens kraftigste kvantedatamaskiner. Å kunne lage slike qubits uten å måtte kjøle dem ned vil ikke bare gjøre kvantedatamaskiner enklere, mindre og billigere, men kan føre til raskere fremgang i å lage systemer med mange qubits, avhengig av de eksakte egenskapene til superlederne som lages .
Alle disse bruksområdene er i prinsippet oppnåelige med superledere som må avkjøles til lave temperaturer for å fungere. Men hvis du må avkjøle dem så radikalt, mister du mange – i noen tilfeller alle – fordelene du får fra mangelen på elektrisk motstand. Det gjør dem også mer kompliserte, dyrere og utsatt for feil.
Det gjenstår å se om forskere kan utvikle stabile forbindelser som er superledende ikke bare ved omgivelsestemperatur, men også ved omgivelsestrykk. Men forskerne er optimistiske. De avslutter oppgaven med denne fristende påstanden: Et robust superledende materiale i romtemperatur som vil transformere energiøkonomien, kvanteinformasjonsbehandling og sansing kan være oppnåelig.