Padł rekord sprzed 30 lat. Jesteśmy krok bliżej Świętego Graala elektroniki
Przez ponad trzy dekady fizycy zderzali się ze ścianą, próbując podnieść temperaturę, w której materiały przewodzą prąd bez żadnych strat przy standardowym ciśnieniu. Zespół z Uniwersytetu w Houston dokonał właśnie historycznego wyłomu. Nowy rekord przybliża nas do rewolucji, która całkowicie zmieni sposób, w jaki zasilamy nasze miasta i projektujemy elektronikę.
Naukowcy z Uniwersytetu w Houston dokonali przełomu w dziedzinie nadprzewodnictwa, ustanawiając nowy rekord temperatury dla nadprzewodników pracujących w warunkach ciśnienia otoczenia. To odkrycie może przyczynić się do stworzenia bardziej wydajnych sieci elektroenergetycznych, ulepszonych systemów magazynowania energii, szybszej elektroniki oraz nowych technologii w zakresie energii syntezy jądrowej i obrazowania medycznego.
Miliardy w sieci przesyłowej
Naukowcy z Teksańskiego Centrum Nadprzewodnictwa (TcSUH) i Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Houston osiągnęli temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa (Tc) wynoszącą 151 kelwinów (około minus 122 stopni Celsjusza). Jest to obecnie najwyższa wartość Tc odnotowana dla nadprzewodnika działającego pod ciśnieniem otoczenia od czasu odkrycia nadprzewodnictwa w 1911 r.
Temperatura przejścia elektrycznego wyznacza punkt, w którym materiał może przewodzić prąd elektryczny przy zerowej rezystancji. Podniesienie tej temperatury było jednym z najważniejszych celów badań nad nadprzewodnictwem, ponieważ wyższe temperatury pracy mogłyby sprawić, że technologie nadprzewodzące staną się znacznie bardziej praktyczne i przystępne cenowo.
Odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Przesyłanie energii elektrycznej w sieci powoduje utratę około 8 proc. energii elektrycznej. Jeśli oszczędzamy tę energię, oznacza to miliardy dolarów oszczędności, a także zmniejszenie wpływu na środowisko – powiedział Paul Ching-Wu Chu, profesor fizyki, główny autor artykułu.
Nadprzewodniki to materiały, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego bez oporu. Ponieważ energia nie jest tracona w postaci ciepła, mogą one znacząco poprawić wydajność systemów elektrycznych. Naukowcy uważają również, że nadprzewodniki mają kluczowe znaczenie dla technologii takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), reaktory fuzyjne, technologie kwantowe i ultraszybka elektronika.
Problem polega na tym, że większość nadprzewodników działa jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach, co wymaga drogich systemów chłodzenia, które ograniczają ich powszechne zastosowanie.
Gdy materiał zostanie poddany ciśnieniu otoczenia, naukowcy będą mogli znacznie łatwiej zbadać go za pomocą dobrze rozwiniętej aparatury i dalej rozwijać technologie umożliwiające działanie w warunkach otoczenia – powiedział Liangzi Denga, współautor artykułu.
Rekord, który czekał na pobicie od 1993 roku
Naukowcy poświęcili dziesięciolecia na poszukiwania materiałów nadprzewodzących o coraz wyższych temperaturach przejścia.
Przełomowym momentem było odkrycie przez Chu i jego współpracowników w 1987 r., że materiał znany jako YBCO może stać się nadprzewodnikiem w temperaturze -180 stopni Celsjusza, czyli 93 K. Odkrycie to zapoczątkowało ogólnoświatowy wyścig w dziedzinie opracowywania nadprzewodników wysokotemperaturowych.
W 1993 r. naukowcy odkryli materiał ceramiczny na bazie rtęci i tlenku miedzi o nazwie Hg1223, który osiągnął nadprzewodnictwo w temperaturze -140 stopni Celsjusza (133 K). Materiał ten przez ponad 30 lat utrzymywał się na najwyższym poziomie ciśnienia otoczenia.
Nowe osiągnięcie Uniwersytetu w Houston podniosło rekordową temperaturę o 18 stopni C do 151 K.
Więcej na Spider's Web:
Przełom polegał na zastosowaniu procesu znanego jako hartowanie ciśnieniowe. Chociaż techniki ciśnieniowe są powszechnie stosowane w innych dziedzinach, w tym w produkcji diamentów, metoda ta jest stosunkowo nowa w badaniach nad nadprzewodnictwem.
Naukowcy najpierw poddali materiał działaniu ekstremalnie wysokiego ciśnienia, co wzmocniło jego właściwości nadprzewodzące i podniosło temperaturę przejścia. Materiał, wciąż pod ciśnieniem, został schłodzony do starannie wybranej temperatury, po czym ciśnienie zostało gwałtownie obniżone.
Szybkie uwolnienie substancji pozwoliło skutecznie zachować ulepszone właściwości nadprzewodzące, dzięki czemu materiał zachował stabilność nawet po powrocie do normalnych warunków ciśnienia.
Inni badacze wykazali, że osiągnięcie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem jest możliwe. Nasza metoda pokazuje, że możliwe jest utrzymanie tego stanu bez utrzymywania ciśnienia – powiedział Chu.
Ostateczny cel wciąż na horyzoncie
Chociaż nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej przy ciśnieniu otoczenia pozostaje póki co poza zasięgiem, naukowcy twierdzą, że nowy rekord stanowi ważny krok w kierunku tego celu. Temperatura pokojowa wynosi około 300 K, co oznacza różnicę około 140 stopni Celsjusza od nowo osiągniętego rekordu.
Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest postrzegane przez naukowców jako święty Graal od ponad wieku. Wyniki zespołu z Uniwersytetu Hawajskiego pokazują, że ten cel jest bliższy niż kiedykolwiek wcześniej. Jednak dystans między nowym rekordem ustanowionym w tym badaniu a temperaturą pokojową wciąż wynosi około 140 stopni Celsjusza. Zniwelowanie tej różnicy będzie wymagało skoordynowanych, celowych wysiłków szerszej społeczności naukowej, w tym materiałoznawców, chemików i inżynierów, a także fizyków – powiedział Rohit Prasankumar, dyrektor ds. badań nad nadprzewodnictwem w Intellectual Ventures.
