В 1911 году Камерлинг-Онесс открыл явление сверхпроводимости. Он наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при критической температуре (Tc) ниже 4,1 К или -269 С. Температуру по шкале Кельвина используют исследователи, которая связана со шкалой Цельсия соотношением С= К - 273,15. Для сравнения самая низкая температура на Земле в Антарктиде составляет 184 К ( - 89 С) или температура сжижения азота 77 К (-196 С). В 1913 году Камерлинг-Онесс обнаружил явление разрушения сверхпроводимости сильными магнитными полями. То есть сверхпроводимость есть квантовое явление, которое всегда сопровождается эффектом Мейснера или полным вытеснением магнитного поля из объема сверхпроводника.
Также как сегодня, явление квантовой запутанности остается магическим и без объяснения, так и явление сверхпроводимости около 40 лет оставалось мистическим и непонятным. Только в 1950 году советские физики Л.Д.Ландау и В.Л.Гинзбург дали первое теоретическое объяснение явлению сверхпроводимости. Важно отметить, что теоретического объяснения высокотемпературной сверхпроводимости (Тс>77К) до сих пор нет. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы, как правило, представляют собой очень сложные многослойные кристаллы, что затрудняет теоретическое моделирование.
Более 100 лет исследования явления сверхпроводимости представлено на периодической таблице с указанием температуры (в градусах Кельвина ) перехода различных химических элементов и их бинарных гидридов в состояние сверхпроводимости.
Практическое применение технологии сверхпроводимость
- Квантовый компьютер. Сверхпроводники позволяют создавать мощные электромагниты, которые используют для манипуляции кубитами (основные единицы информации в квантовом компьютере). Сегодня самый мощный квантовый компьютер есть IBM Quantum Condor, который имеет 433 кубита. Однако этот компьютер не доступен для широкого использования и работает только в лаборатории IBM в США. Другие компании Google, Intel, Microsoft, Rigetti также разрабатывают квантовые компьютеры на основе сверхпроводников, но их мощность не превышает 100 кубитов.
- Система производства электроэнергии. Сверхпроводящие генераторы, моторы, трансформаторы, кабели. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor в Нью-Йорке в 2008 году.
- Магнитно-резонансный томограф (МРТ) в медицине. Сегодня самый мощный МРТ находится во Франции, в Национальном центре научных исследований (CNRS). Если большинство клинических МРТ имеют магнитную индукцию 1,5-3 Тесла, то индукция магнитного поля МРТ в CNRS равна 11,7 Тесла, что в 230 раз больше, чем магнитное поле Земли. Он позволяет получать очень высокое разрешение изображений мозга человека и изучать его структуру на молекулярном уровне. Этот МРТ весит 130 тонн, имеет диаметр 5 метров, работает при температуре 4К (-269 С) и потребляет 2 мегаватта электричества.
- Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) спектрометр. Самый мощный ЯМР-спектрометр находится в США, в национальной лаборатории Магнитного Резонанса и Ядерной Магнитной Резонансной Спектроскопии (NMRLS). Он имеет магнитную индукцию 45 Тесла, что в 900 раз больше, чем магнитное поле Земли. И позволяет получать точную информацию о структуре и динамике биомолекул, наноматериалов, квантовых жидкостей. Этот спектрометр весит 35 тонн, имеет диаметр 1,5 метра, работает при температуре 4К (-269 С) и потребляет 32 мегаватта электричества.
- Транспорт (поезда, автомобили, самолеты, космические корабли) на основе эффекта Мейснера (магнитная левитация). Поезд маглев есть поезд на магнитной подушке, который движется над специальными рельсами, оборудованными сверхпроводящими магнитами. Маглев развивает скорость до 600 км/час, при этом не испытывая трения, шума и вибрации. Маглев уже эксплуатируется в Германии, Китае, Японии. Транспорт гиперлуп перемещается в вакуумной трубе с помощью линейных сверхпроводящих моторов. Проектная скорость гиперлупов до 1200 км/час. Гиперлуп также безопасен, комфортен и экономичен. Гиперлуп находится в стадии разработки и тестирования в США, Франции, Индии, ОАЭ.
- Космос. Сверхпроводники используют в создании эффективной и надежной космической техники: сверхпроводниковые генераторы, двигатели, антенны, датчики. Сегодня сверхпроводники помогают исследовать космические явления, такие как магнитные поля планет и звезд, гравитационные волны, квазары.
Сверхпроводимость при комнатной температуре есть мечта физиков. Создать материал, способный проводить электрический ток без потерь энергии при нормальных условиях, который открыл бы множество возможностей для развития науки и технологий. Однако известные сверхпроводники требуют очень низких температур (меньше -100°C) или высокого давления (больше 100 ГПа ).
В 2020 году группа ученых из США сообщила, что достигла сверхпроводимости при комнатной температуре (+15°C) в углеродистом гидриде серы. Однако для этого им понадобилось создать огромное давление (267 ГПа), которое превышает давление в центре Земли. Кроме того, их эксперимент был очень сложным и нестабильным, и не все ученые согласны с их результатами.
В 2023 году другая группа ученых из Южной Кореи заявила, что создала сверхпроводник LK-99, который работает при комнатной температуре и давлении окружающей среды. Они утверждают, что их сверхпроводник можно массово производить и обладает сверхпроводимостью при температуре 127 С (400 К).
В науке главное экспериментальная воспроизводимость результатов. Сегодня прорывная технология LK-99 (свинцовый апатит с модифицированной структурой) привлекла мировое внимание и его проверкой занимаются многие лаборатории и институты.
Сегодня нет теории сверхпроводимости при комнатной температуре и существование сверхпроводимости при комнатной температуре не нарушает фундаментальных законов физики.
С другой стороны, до сих пор нет экспериментального подтверждения в других лабораториях мира. Отсутствие электрического сопротивления образца LK-99 при комнатной температуре пока никто не подтвердил.
Поэтому можно сказать, сегодня сверхпроводимость при комнатной температуре и нормальном давлении является предметом активных исследований.