Як високотемпературні надпровідники змінять науку

Цінні матеріали можуть трансформувати дослідження – але лиш за умови, якщо вони матимуть інші важливі якості.

Хвиля захоплення, викликана LK-99 – фіолетовим кристалом, який мав змінити світ, – вщухла, коли дослідження показали, що він не є надпровідником. Однак залишається питання: чи був би справжній надпровідник кімнатної температури революційним?

Насправді це залежить від застосування, а також від того, чи має гіпотетичний матеріал інші засадничі якості. Але принаймні в певних наукових галузях – особливо тих, що використовують сильні магнітні поля, – кращі надпровідники, ймовірно, матимуть величезний вплив.

Надпровідники – це матеріали, які при певній температурі починають проводити електричний струм без опору, а отже без виділення тепла. Втім усі підтверджені надпровідники проявляють цю властивість лише при низьких температурах або при екстремальних тисках – або при дії обох чинників. Деякі науковці шукають матеріали, в яких перехід до надпровідності відбувається за нормальних умов при кімнатній температурі та навколишньому тиску.

Хоча низькотемпературні вимоги до сучасних надпровідників суттєво обмежують їхнє використання в повсякденному житті, ці матеріали стали повсюдно вивчати в лабораторіях, де дослідники можуть застосовувати різні методи зниження їхньої температури. Це здійсненно, але часто збільшує вартість і складність експерименту.

Екстремальним прикладом є Великий адронний колайдер (ВАК), прискорювач у ЦЕРНі, європейській лабораторії фізики елементарних частинок поблизу Женеви в Швейцарії. Щоби протони рухалися по 27-кілометровому колу, ВАК генерує сильні магнітні поля за допомогою надпровідних котушок, які утримуються при температурі лише 1,9 кельвіна (-271,25°C). Для цього потрібна кріогенна система, яка містить 96 тонн рідкого гелію, – найбільша з усіх, які існують у світі. "Якби вам не були потрібні екстремальні температури, інженерія була би простішою", – каже Лука Боттура, інженер-ядерник, який досліджує магніти в ЦЕРНі.

Тож цілком логічно, що надпровідник, який працює при кімнатній або близькій до неї температурі, швидко здійснить революцію в багатьох галузях науки, правда? Не так швидко.

Квантові питання

Візьмімо квантові комп'ютери – технологію, яка зароджується й обіцяє вирішувати певні завдання, що не досяжні для класичних комп'ютерів. Один із провідних підходів до побудови квантових комп'ютерів полягає у зберіганні інформації в петлях з надпровідного матеріалу. Вони охолоджуються майже до абсолютного нуля (-273,15°C) всередині дорогих пристроїв, подібних до матрьошок, які називаються рефрижераторами розчинення.

У квантовому комп'ютері на базі надпровідників продуктивність швидко падає, коли температура підвищується навіть на частку градуса – з причин, які не мають нічого спільного з надпровідністю. Квантові обчислення надзвичайно чутливі до будь-якого виду шуму, і теплові коливання є головним ворогом, створюючи паразитні "квазічастинки", каже Ясунобу Накамура, співвинахідник надпровідних квантових обчислень. "При температурі близько 100–150 мілікельвінів ми вже починаємо спостерігати негативний вплив термічно збуджених квазічастинок", – пояснює Накамура, фізик з RIKEN у Вако, Японія.

В інших випадках сам експеримент може не потребувати екстремального холоду, але надпровідник таки потрібно підтримувати значно холоднішим за температуру переходу до надпровідності, відому як T_c. Надпровідники відрізняються за своїми фізичними властивостями, і в багатьох застосуваннях – особливо для сильних магнітних полів – вирішальними є дві інші властивості. Вони називаються критичним струмом і критичним магнітним полем. Надпровідність втрачається не тільки при підвищенні температури, а й коли через матеріал пропускають струм вище певного рівня, або він перебуває під дією досить сильного магнітного поля.

Важливо, що і критичне поле, і критичний струм залежать від температури: що нижча температура, то сильніший струм – і магнітне поле може витримати матеріал. Отже, те, що надпровідник має високу T_c, ще не означає, що його можна буде використовувати при будь-якій температурі нижче T_c. У багатьох випадках продуктивність надпровідника покращується з охолодженням системи.

На щастя, найкращі надпровідники, відкриті на сьогоднішній день, зокрема клас оксидних (або купратних) надпровідників, також можуть витримувати дуже сильні магнітні поля – якщо їх тримати доволі холодними.

У польових умовах

Чотири роки тому один купрат був використаний для встановлення рекорду напруженості постійного (а не імпульсного) магнітного поля в Національній лабораторії високого магнітного поля (NHMFL) в Таллахассі у штаті Флорида. Надпровідні котушки в NHMFL створили магнітне поле силою в 45,5 Тл, але лише коли їх зберігали в рідкому гелії, тобто при температурі нижче 4,2 кельвіна. "Ми використовуємо надпровідники з високою T_c не через цю властивість, а тому що вони мають високе критичне магнітне поле ", – пояснює фізик Лора Грін, головний науковий співробітник NHMFL.

"Якщо вам потрібне сильне магнітне поле, то ви хочете запустити його при якомога нижчій температурі, бо саме тоді ви отримаєте справжню силу надпровідності", – каже Юху Чжай, інженер-механік і електротехнік з іншої національної лабораторії США – Принстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) в Нью-Джерсі.

ЦЕРН вивчає варіанти майбутнього колайдера частинок, який зрештою розбиватиме протони з енергію в сім разів більшою, ніж у ВАК – діапазоні, в якому, як сподіваються фізики, вони зможуть відкрити нові елементарні частинки. Щоб досягти такої високої енергії, частинки мають бути прискорені за допомогою сильніших полів або довшої петлі прискорювача – або і одного, й іншого водночас. Щоб побудувати таку машину, фізики мріють прокопати кільцевий тунель завдовжки до 100 кілометрів поруч із тунелем ВАК. Але навіть з такою великою петлею надпровідні магніти, як у ВАК – монстри потужністю 8 Тл з ніобієво-титановими котушками – не зможуть генерувати необхідні поля, які оцінюються в 16–18 Тл. "На даний момент очевидно, що ми повинні звернутися до інших матеріалів", – каже Боттура.

Сучасні надпровідники з високою T_c можуть досягти цього – але, ймовірно, лише за умови, що вони зберігатимуться при температурі рідкого гелію. Подібний проєкт прискорювача в Китаї, Циркулярний електронно-позитронний колайдер, також використовуватиме магніти з високою T_c. "Ми вже досить давно розглядаємо високотемпературні надпровідні матеріали, насамперед купрати і матеріали на основі заліза", – каже Ван Їфан, керівник Інституту фізики високих енергій у Пекіні.

Критичні струми

Однак надпровідники на основі оксиду міді мають інші недоліки – це крихкі керамічні матеріали, які дорого виробляти і перетворювати на кабелі. Їхні критичні струми також усе ще занадто низькі, каже Ванг. Інший клас надпровідників на основі заліза може, в принципі, демонструвати кращі результати – при вдвічі дешевшій ціні, ніж оксиди міді, додає він.

Боттура та інші дослідники вивчають можливість створення абсолютно нового типу прискорювача. Замінивши протони на мюони – частинки, подібні до електронів, але в 207 разів масивніші – колайдер міг би вивчати той самий тип фізики, що й 100-кілометровий протон-протонний колайдер, але в значно меншому кільці – можливо, навіть такому, що може поміститися в теперішньому тунелі ВАК. Щоб змусити мюони рухатися по колу, не потрібні особливо сильні магнітні поля. Втім, складність у тому, що для створення мюонного пучка з потрібними властивостями можуть знадобитися магніти силою до 40 Тл.

При такій силі, каже Боттура, "проблема вже не в надпровіднику, а в тому, щоб утримати котушки на місці". Струми всередині електромагнітних котушок прагнуть розірвати магніт. При 40 Тл навіть найміцніша сталь не витримала б такого механічного навантаження. Замість цього магніти, можливо, доведеться намотувати міцнішими матеріалами – наприклад, вуглецевими волокнами. (Вимоги до міцності для магнітів NHMFL, які повинні створювати високе поле в просторі завширшки лише кілька сантиметрів, не є такими суворими).

Отже, і в протонному, і в мюонному колайдерах надпровідник зі значно кращими властивостями, ніж будь-що з відкритого досі, міг би мати величезне значення, але постали б інші інженерні виклики.

Подорож до термоядерного синтезу

Міцність конструкції вже створює серйозні обмеження в іншому класі технологій – тих, що прагнуть використати енергію ядерного синтезу. Давно усталений підхід до термоядерного синтезу намагається обмежити плазму за допомогою магнітів, розташованих у формі тороїда, що називається токамак. Плазма нагрівається до мільйонів градусів, щоб зіштовхнути разом різні ізотопи водню. Найбільший експериментальний токамак у світі під назвою ITER будують на півдні Франції, він використовуватиме охолоджені рідким гелієм масивні магніти для створення полів силою майже 12 Тл.

Але як промислові, так і державні лабораторії прагнуть розробити магніти токамака на основі високотемпературних надпровідників із багатьох причин, каже Чжай. Сильніші поля можуть суттєво збільшити швидкість, з якою термоядерний реактор спалює паливо, а отже збільшити енергію, яку можна виробляти, – принаймні в принципі, оскільки багато важливих кроків на шляху до видобутку енергії з термоядерного синтезу ще належить довести. Одним із позитивних результатів промислових зусиль, спрямованих на збільшення виробництва магнітних матеріалів з високою T_c, є те, що їхня вартість знизилася. (Однак вони все ще значно дорожчі за ніобієво-титанові).

Крім того, Чжай каже, що токамаки з часом повинні відмовитися від охолодження рідким гелієм, і не лише тому, що системи охолодження складно вибудувати. Гелій є дефіцитним ресурсом, і неможливо побудувати сотні реакторів розміром з ITER, які б його використовували.

Пошук кращих надпровідних матеріалів – завдання з малими шансами на успіх, каже Грін, оскільки успіхи поки що є нечисленними і поодинокими. Але вона додає: "Це важка робота – і це захоплива робота, і вона вносить зміни у світ".