Новый прорыв в области сверхпроводников при комнатной температуре обещает повышение эффективности и производительности, которые могут быстро сделать нынешние топовые чипы устаревшими. Новое металлическое соединение водорода, углерода и серы проявляло сверхпроводимость при теплых 59 градусах по Фаренгейту, когда оно находилось под давлением между парой алмазных наковальней.
Сверхпроводники создают высокоэффективную электронику, но сверхнизкие температуры и сверхвысокие давления, необходимые для их работы, дороги и сложны в реализации. Сверхпроводники при комнатной температуре обещают это изменить. Недавнее объявление исследователей из Университета Рочестера о новом материале, который является сверхпроводником при комнатной температуре, хотя и при высоком давлении, является захватывающим событием, если оно будет доказано. Если материал или подобный ему будет работать надежно и может быть экономичным в массовом производстве, он может произвести революцию в электронике.
Сверхпроводящие материалы при комнатной температуре откроют множество новых возможностей для практического применения, включая сверхэффективные электрические сети, сверхбыстрые и энергоэффективные компьютерные чипы и сверхмощные магниты, которые можно использовать для левитации поездов и управления термоядерными реакторами. Сверхпроводник — это материал, который проводит постоянный ток, не встречая электрического сопротивления. Сопротивление – это свойство материала, препятствующее прохождению электричества. Традиционные сверхпроводники необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю.
В последние десятилетия исследователи разработали так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые достаточно охладить до минус 10 градусов по Фаренгейту (минус 23 по Цельсию). Хотя работать с высокотемпературными сверхпроводниками легче, чем с традиционными сверхпроводниками, все же требуется специальное термическое оборудование. Помимо низких температур, эти материалы требуют очень высокого давления, в 1,67 миллиона раз превышающего атмосферное давление в 14,6 фунтов на квадратный дюйм (1 бар).
Как следует из названия, сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, не нуждаются в специальном оборудовании для охлаждения. Они должны быть под давлением, но только до уровня, примерно в 10 000 раз превышающего атмосферное давление. Это давление может быть достигнуто за счет использования прочных металлических корпусов.
Где используются сверхпроводники
Сверхпроводниковая электроника относится к электронным устройствам и схемам, в которых используются сверхпроводящие материалы для достижения чрезвычайно высоких уровней производительности и энергоэффективности, которые на порядки выше, чем могут быть достигнуты с помощью современных полупроводниковых устройств и схем. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих материалах означает, что они могут поддерживать большие электрические токи без потери энергии из-за сопротивления. Эта эффективность делает сверхпроводники очень привлекательными для передачи энергии.
Поставщик коммунальных услуг Commonwealth Edison установил высокотемпературные сверхпроводящие линии электропередачи и продемонстрировал технологии для обеспечения электроэнергией северной части Чикаго в течение годичного испытательного периода. По сравнению с обычным медным проводом модернизированный сверхпроводящий провод может пропускать в 200 раз больший электрический ток. Но стоимость поддержания низких температур и высоких давлений, необходимых для современных сверхпроводников, делает даже такое повышение эффективности в большинстве случаев нецелесообразным. Поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, если к сверхпроводящей петле приложить ток, ток будет сохраняться вечно, если только петля не разорвется. Это явление можно использовать в различных приложениях для создания больших постоянных магнитов.
Современные аппараты магнитно-резонансной томографии используют сверхпроводящие магниты для достижения напряженности магнитного поля в несколько тесла, что необходимо для получения точных изображений. Для сравнения, магнитное поле Земли имеет напряженность или плотность потока около 50 мкТл. Магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом в аппарате МРТ мощностью 1,5 тесла, в 30 000 раз сильнее поля, создаваемого Землей.
Сверхпроводники, от теории к приложениям.
Сканер использует сверхпроводящий магнит для создания магнитного поля, которое как бы «выравнивает» ядра водорода в теле пациента. Этот процесс в сочетании с радиоволнами создает изображения тканей для МРТ-исследования. Сила магнита напрямую влияет на силу сигнала МРТ. МРТ-аппарату на 1,5 тесла требуется больше времени сканирования для создания четких изображений, чем аппарату на 3,0 тесла.
Сверхпроводящие материалы излучают магнитные поля изнутри себя, что делает их мощными электромагнитами. Эти супермагниты способны поднимать в воздух поезда. Сверхпроводящие электромагниты генерируют магнитные поля силой 8,3 тесла, что более чем в 100 000 раз превышает магнитное поле Земли. Электромагниты используют ток в 11 080 ампер для создания поля, а сверхпроводящая катушка позволяет течь высоким токам без потери энергии. Сверхпроводящий поезд «Маглев» Yamanashi в Японии поднимается на 4 дюйма(10 сантиметров) над направляющей и движется со скоростью до 311 миль в час (500 км/ч).
Сверхпроводящие схемы также являются многообещающей технологией для квантовых вычислений, поскольку их можно использовать в качестве кубитов. Кубиты — это базовые блоки квантовых процессоров, аналогичные транзисторам в классических компьютерах, но гораздо более мощные. Такие компании, как D-Wave Systems, Google и IBM, создали квантовые компьютеры, использующие сверхпроводящие кубиты.
Хотя из сверхпроводящих цепей получаются хорошие кубиты, они создают некоторые технологические проблемы при создании квантовых компьютеров с большим количеством кубитов. Ключевой проблемой является необходимость хранить кубиты при очень низких температурах, что требует использования больших криогенных устройств, известных как рефрижераторы растворения.
Обещание сверхпроводников при комнатной температуре
Сверхпроводники при комнатной температуре устранят многие проблемы, связанные с высокой стоимостью эксплуатации схем и систем на основе сверхпроводников, и облегчат их использование в полевых условиях. Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, обеспечат сверхскоростные цифровые межсоединения для компьютеров следующего поколения и широкополосную беспроводную связь с малой задержкой. Они также позволят использовать методы визуализации с высоким разрешением и новые датчики для биомедицинских приложений и приложений безопасности, анализа материалов и структуры, а также радиоастрофизики дальнего космоса.
Сверхпроводники при комнатной температуре означают, что МРТ могут стать намного дешевле в эксплуатации, поскольку им не потребуется жидкий гелиевый хладагент, который дорог и дефицитен. По оценкам экспертов, электрические сети будут как минимум на 20% более энергоэффективными, чем сегодняшние, что приведет к экономии миллиардов долларов в год.
Поезда на «Маглеве» могли бы курсировать на большие расстояния с меньшими затратами. Компьютеры будут работать быстрее, потребляя на порядки меньше энергии. Квантовые компьютеры могут быть построены с гораздо большим количеством кубитов, что позволит им решать проблемы, которые находятся далеко за пределами досягаемости самых мощных современных суперкомпьютеров.
Возможно ли и как скоро это многообещающее будущее электроники может быть реализовано, частично зависит от того, можно ли будет проверить новый материал сверхпроводника при комнатной температуре, и можно ли его массово производить с экономической точки зрения.
Масуд ПЕДРАМ, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Южной Калифорнии
