Это вторая часть большого материала, посвящённому нашумевшему сообщению об открытии корейскими исследователями сверхпроводимости при нормальных условиях. В первой части мы познакомились с обстоятельствами этого сообщения, а также погрузились в матчасть о сопротивлении и его отсутствии при сверхпроводимости. перед прочтением рекомендую ознакомиться.
Сверхпроводник в электрической цепи.
Давайте теперь отвлечемся от сложных квантовых вопросов и вспомним такую вещь из школы, как закон Ома для участка электрической цепи.
Сопротивление в знаменателе, и если у нас сверхпроводник и сопротивление равно нулю, значит сила тока может быть бесконечной? Вряд ли, и либо закон Ома в этом случае не работает, либо надо разбираться.
Напомню, что сопротивление никак не зависит от напряжения или силы тока. Сила тока, кстати, тоже. Сила тока - это количество электрического заряда, проходящего через сечение проводника в единицу времени.
Так как количество электрического заряда в проводниках, и в сверхпроводниках тоже, ограничено, то и сила тока не может быть бесконечной. Но она может быть очень большой, если заряд проходит с очень высокой скоростью, что и может получиться, если подключить к источнику тока сверхпроводник. Получится не просто короткое замыкание, а супер короткое замыкание, из-за которого источник тока может просто выйти из строя. Поэтому включать сверхпроводник в сеть без нагрузки нельзя. Именно поэтому ликвидировать потери при доставке электричества не получится, а включать сверхпроводник надо очень осторожно. Любой электротехник скажет вам, что нагрузка в цепи необходима для её нормальной работы.
Тем более, что силу тока непосредственно в сверхпроводнике измерить не получится, так как если включить его последовательно любой амперметр, то это будет означать включение дополнительной нагрузки, и амперметр покажет силу тока такую, как будто сверхпроводников нет в цепи, что очевидно. Ну и при последовательном включении считается, что сила тока на всех участках одинакова. Поэтому правильно будет включать амперметр где-нибудь в другой части цепи, где нет сверхпроводника, результат все равно будет правильным и не поменяется.
А если включить сверхпроводник параллельно, то произойдёт буквальное выключение всех остальных ветвей цепи, так как их сопротивление будет несравнимо большим по отношению со сверхпроводниковой, и если не произойдёт короткого замыкания, то цепь станет последовательной.
А вот напряжение может быть нулевым при ненулевой силе тока, и только при нулевом сопротивлении сверхпроводника. Ведь напряжение эквивалентно работе по перемещению заряда, а в сверхпроводнике эта работа, как мы выяснили, вообще не затрачивается. Тогда закон Ома не нарушается, просто получается неопределённость типа ноль делить на ноль. Если подключить вольтметр непосредственно к сверхпроводнику, а вольтметр всегда подключается параллельно, то он просто ничего не покажет. Так как работа тока в сверхпроводнике нулевая, то и ток в цепи вольтметра не потечёт. Если по-другому, сопротивление параллельной ветви с вольтметром несравнимо большая, и по этой причина также ток не потечёт. Именно так обнаружили сверхпроводимость, показания вольтметра обнулились, а показания амперметра немного увеличились, как будто участок цепи просто выключился.
Возвращаемся к LK-99.
То есть, если построить график зависимости напряжения на сверхпроводнике от силы тока во всей цепи, то мы получим характерный участок с нулевым напряжением. И именно это получили корейские учёные для своего материала.
На графике при комнатной температуре (298 К, 25 градусов цельсия) даже очень заметный горизонтальный участок, а при высокой температуре (127 градусов цельсия) - почти незаметный. Обратили внимание на тот самый критический ток, при котором обрывается нулевое напряжение и, соответственно, предполагаемая сверхпроводимость?
Обычно у сверхпроводников критический ток измеряется миллионами ампер на квадратный метр. А тут - где-то 250 миллиампер, площадь неизвестна. Там либо очень маленькая площадь, либо этот эффект может быть просто коротким замыканием без всяких сверхпроводников. Либо сверхпроводимость есть, но поймать её, а уж тем более использовать достаточно трудно.
В статье весьма поверхностное описание экспериментальной установки, и нет сырых данных измерения, поэтому судить о том, как они получили эти результаты, сложно.
Другое доказательство, которое предъявляют авторы предполагаемого открытия - это демонстрация эффекта Мейснера - левитация сверхпроводника над магнитом. Дело в том, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком, и от этого он полностью вытесняет из себя магнитное поле. У этого есть потенциал применения, например, в поездах на магнитном подвесе. Более того, у сверхпроводника и магнита может произойти квантовый захват, отчего они станут как единое целое. Видео, которое продемонстрировали корейцы сомнительно, так как образец не левитирует полностью, да и есть другие материалы-диамагнетики, не сверхпроводники, которые тоже вытесняют магнитное поле, хоть и не полностью, и тоже могут левитировать. К тому же, часто при демонстрации сверхпроводника магнит ставят над ним, а не наоборот. На другом видео, которое также опубликовали вместе с препринтом, трудно понять, что вообще находится в стакане (зачем там вообще стакан) и делать однозначные выводы нельзя.
А теперь пофантазируем о "комнатных" сверхпроводниках.
А теперь, когда мы имеем представление о сверхпроводниках и о деталях этой потенциально революционной работы, давайте представим себе, что произойдёт, если мы получим сверхпроводник, который будет выглядеть как обычный провод, и который будет работать при привычных нам условиях?
Начнём с тех областей, в которых уже применяются сверхпроводники. Прежде всего сверхпроводники применяются там, где требуются экстремально сильные магнитные поля, так как если сделать из сверхпроводника электромагнит, то за счёт большой силы тока, а если точнее - высокой скорости движения зарядов - можно генерировать магнитные поля, сила которых как минимум на порядок выше обычных электромагнитов. Здесь можно запутаться, конечно, с одной стороны сверхпроводник - идеальный диамагнетик, с другой - с его помощью можно создавать сильные магнитные поля. Это разные вещи, да, но противоречия здесь нет, диамагнитные свойства сверхпроводников никак не влияют на способность генерировать магнитные поля с помощью электромагнита из сверхпроводника.
Прежде всего речь пойдёт про фундаментальные научные исследования. Такие электромагниты применяются в современных ускорителях элементарных частиц, а также с их помощью реализуются сверхпроводящие кубиты в экспериментальных квантовых компьютерах.
Если же брать более приземлённые применения, то сверхпроводящие электромагниты применяются в аппаратах МРТ и в поездах на магнитном подвесе. Опять же не следует путать поезда на магнитном подвесе, внутри которых установлены сверхпроводящие электромагниты, и они отталкиваются от электромагнитов снаружи, и потенциальные поезда, в которых электромагнитов не будет вовсе - все электромагниты будут снаружи, а сверхпроводники, находящиеся внутри, будут отталкивать поезд и удерживать его в нужном положении за счёт эффекта Мейстера на любой скорости, даже нулевой.
Так вот, если мы будем иметь сверхпроводник, который по специфике эксплуатации ничем не будет отличаться от обычных, то мы значительно удешевим и упростим многие научные исследования в фундаментальной физике. Ускорители частиц будут менее громоздкими и более простыми в обслуживании, и их смогут себе позволить гораздо большее число лабораторий, исследовательских центров и институтов. Квантовые вычисления могут выйти на новый уровень за счёт того, что больше не будут требоваться громоздкие криогенные установки, а сами сверхпроводящие кубиты, которые, кстати, сейчас считаются самыми “правильными” кубитами, если так можно выразиться, можно поместить в компактный чип.
Кроме того, может случиться прорыв в области термоядерной энергетики. Напомню, что наиболее перспективной установкой для извлечения термоядерной энергии считается ТОКАМАК - тороидальная камера, в которой плазма из термоядерного топлива удерживается и сжимается для создания условий осуществления управляемого термоядерного синтеза экстремально мощными магнитными полями. Именно такая конструкция выбрана для масштабного проекта ITER, в котором как раз и хотят осуществить управляемый длительный термоядерный синтез и получить из него положительный выход энергии. Так вот представьте, насколько проще можно будет всё это осуществить, если в потенциальной термоядерной установке не потребуется ставить криогенные элементы по соседству с экстремально горячей плазмой, причем это соседство может быть очень близким, метры и даже сантиметры.
Движемся далее. Сейчас уже существуют экспериментальные электросети со сверхпроводниками, однако с “комнатными” сверхпроводниками такие сети уже перестанут быть экспериментальными, и их можно будет ставить на поток. Если принять во внимание неизбежный энергопереход к более экономичным, рациональным, экологически чистым, безуглеродным и возобновляемым технологиям в энергетике, наличие средств доставки электроэнергии практически без потерь в пределах магистрали может быть очень кстати.
В контексте энергетического перехода за счёт “комнатных” сверхпроводников можно будет получить более энергоэффективные механизмы. Например, за счёт сверхпроводниковых воздушных подшипников, внутреннее кольцо которых будет очень прочно удерживаться внутри за счёт всё того же эффекта Мейснера. Также можно будет создать эффективные, но при этом невероятно лёгкие электродвигатели, так как там уже не потребуются массивные медные обмотки, достаточно будет всего нескольких витков, а то и вообще одного, чтобы создавать куда более сильные магнитные поля внутри двигателя. В этом случае забудем сразу про наземный электротранспорт, там всё понятно, электромоторы просто влетят в воздушный транспорт, так как масса играет там ключевую роль. Сейчас электромоторы слишком тяжёлые, чтобы их можно было использовать наравне с авиационными ДВС. Более того, “комнатные” сверхпроводники позволят создавать эффективные электрические реактивные двигатели, которые пока существуют лишь в задумках.
И я уже не говорю о том научно-технологическом толчке, который может случиться, если откроют “комнатную” сверхпроводимость. Сами по себе сверхпроводники представляют широкий научный интерес, а если со сверхпроводниками станет намного проще работать без необходимости создавать либо очень низкие температуры, либо запредельное давление, то количество исследований сверхпроводников может кратно возрасти. Начнут внедрятся технологии на основе сверхпроводников и будут создавать устройства, которые мы даже пока представить себе не можем. Например, вы слышали про сверхпроводниковый диод? Это потенциальный прибор, который в одну сторону работает как сверхпроводник, а в другую сторону - как обычный проводник с сопротивлением. Практическое применение такого устройства пока представить себе сложно, однако он точно пригодится в сложных распределительных цепях и электронных устройствах, в которых будут как обычные проводники, так и сверхпроводники. Можно даже заглянут в научную фантастику, в которой сверхпроводники появляются часто в системах, которые оперируют огромными энергиями, например для создания антигравитации или варп-поля для сверхсветовых перемещений. Но это уже как-то совсем далеко нас унесло.
Так что же в итоге?
В целом, представить себе будущее с комнатными сверхпроводниками трудно, но уже имеющийся потенциал заставляет учёных биться и искать. Если такие сверхпроводники откроют, это будет сенсация уровня изобретения транзистора, литиевого аккумулятора или теории относительности. Хотя нет, примеры не очень удачные, так как они стали сенсациями гораздо позже, поначалу научный потенциал был не совсем ясен. Про транзистор вообще была лишь коротенькая заметка на последней странице газеты, в которой говорилось, что они могут пригодиться в слуховых аппаратах. Надо ли напоминать, какое место транзистор занимает сейчас?
Однако основная причина, почему ученые со всего мира все же принялись воспроизводить результаты сомнительной статьи, мне видится несколько в другом. Это уже мои личные соображения.
Полагаю, что ученым хорошо известно, что может произойти, если такие комнатные сверхпроводники откроют все же. Одни преисполнены скептицизма, другие не сильно переживают о внедрении сверхпроводников, так как нисколько в этом не сомневаются. Так чем же все же обусловлен этот ажиотаж? Медийной раскруткой?
Как я уже сказал, главное, что следует понимать - это тот факт, что теории высокотемпературной сверхпроводимости еще нет. Многие учёные занимаются этой проблемой, у всех есть свои гипотезы. Так же хорошо известно, что сверхпроводимость определяется структурой вещества, и в теории из всего разнообразия различных химической соединений все же можно найти этот философский камень современной науки. По крайней мере есть ученые, которые так считают. И тут внезапно появляется такая публикация. И пусть результаты сомнительны и трудновоспроизводимы, сам материал ранее нигде не фигурировал, о его электрических свойствах не знают. Почему бы все же не попытаться все это воспроизвести, быть может это оно, пусть даже и частично, и я смогу подтвердить или опровергнуть собственные гипотезы о высокотемпературной сверхпроводимости?
Похожая история была с полупроводниками. Поначалу знали лишь о феномене полупроводников, однако приручить их не получалось очень долгое время, пока не накопилась критическая масса теоретических и экспериментальных исследований, и получилось создать первые успешные полупроводниковые приборы. А всего то дело было в том, что полупроводники крайне чувствительны к примесям и для их нормальной работы нужны супер чистые материалы со строго выверенным содержанием примесей или легирующих элементов. А сейчас вся наша цивилизация стоит на полупроводниках.
Этого прорыва реально ждут, что и приводит, возможно, к завышенным ожиданиям, и наводит меня на мысль, что этой сенсации может и не произойти. Даже если “комнатный” сверхпроводник всё же откроют, когда шумиха поутихнет, всё может оказаться неоднозначным и будет очень много “но”. Скептицизм учёных из этой области всё же существует не просто так, как и не просто так сверхпроводники проявляют свои удивительные свойства при очень экстремальных условиях. Всё же природа не любит “халявы”.
Похоже в этот раз сенсации не получилось. Результаты воспроизвести не удалось. Если посмотреть оригинальную публикацию корейцев, то она как будто наспех написана, словно побыстрее хотели выпустить. А может это сделали специально, но это в худшем случае, конечно. Не хватает многих данных как для составления полной картины, так и для точного воспроизводства эксперимента и его проверки, равно как и для воспроизводства самого материала. Попытки синтезировать LK-99 пока лишь привели к спорам, насколько хорошо удалось синтезировать заявленную структуру. Всё это не похоже на качественную научную работу.
К проблескам подтверждений, которые пока тонут в потоке скептицизма, тоже относиться серьёзно нельзя. Китайские учёные якобы смогли воспроизвести как сам материал, так и продемонстрировать эффект Мейснера, однако они опубликовали лишь видео, в которой трудноразличимая песчинка на экране как-то поворачивается под действием якобы магнита, который к ней подносят.
Насчёт песчинки. Кому-то может показаться, что такие размеры образцов делают специально, чтобы ввести в заблуждение. Однако в защиту могу сказать, что так как критический ток достаточно мал, в крупном образце могут под действием магнитного поля возникать токи, сила которых будет сводить на нет эффект сверхпроводимости, если верить оригинальным данным.
Другим, якобы подтверждением, считают результаты моделирования структуры LK-99, которые показали, что сверхпроводимость всё таки может быть. Речь шла о том, что заявленная структура обладает свойствами, способствующими образованию куперовских пар. Однако речь шла об условиях, которые способствуют образованию ИЗВЕСТНЫХ сверхпроводников, то есть которые получаются либо при низкой температуре, либо под высоким давлением. Сама автор этой работы, которая пока тоже ещё препринт, позже заявила, что её результаты никоим образом не подтверждают сверхпроводимость LK-99 при нормальных условиях.
Если всё же авторы оригинальной публикации причешут свои результаты, и их смогут повторить, то сенсация, конечно, случится, но сам полученный сверхпроводник будет крайне ограниченный, если верить этим первоначальным результатам. Один только слабый критический ток сильно ограничивает сферу применения, и эти результаты будут иметь скорее фундаментальный интерес. Однако сам факт этого мощного фальстарта говорит о том, что напряжение в научном сообществе относительно сверхпроводников натянуто до предела. И если подобное открытие всё же случится, то если не произведёт революцию в технологиях и энергетике, то хотя бы запустит новую научно-технологическую гонку по поиску и созданию новых “комнатных” сверхпроводников.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться. А если есть желание поддержать проект более весомо, приглашаю на наш Бусти!