Ученые разрабатывают материалы, которые могут проводить электричество с идеальной эффективностью в условиях окружающей среды. В этом интервью физик конденсированных сред из Кембриджского университета Сиддхарт Шанкер Саксена рассказывает ведущему радио АСТРА-Х Леви Тану о том, что делает эту задачу такой сложной и многозначительной.
Если бы сверхпроводники — материалы, способные проводить электричество без какого-либо сопротивления и работающие при обычных температуре и давлении — существовали, они могли бы кардинально изменить мир. Такие материалы позволили бы значительно улучшить работу электросетей, сделать высокоскоростные поезда более доступными и усовершенствовать медицинские технологии.
На протяжении более ста лет физики проводили эксперименты с различными материалами и условиями окружающей среды в поисках сверхпроводимости. Иногда появлялись сообщения об успешных результатах, но они не всегда подтверждались.
Открытие сверхпроводимости, за которое Камерлинг Оннес получил Нобелевскую премию по физике в 1913 году, стало началом поиска материалов, которые сохраняют идеальную проводимость при комнатной температуре. В последнее время было много заявлений об открытии таких материалов, но пока ни одно из них не подтвердилось.
Мы хотим узнать у физика Сиддхарта Шанкера Саксена, более известного среди друзей как Монту, почему так сложно достичь сверхпроводимости при комнатной температуре и как её открытие может изменить мир.
Сиддхарт Шанкер Саксена
:СИДДХАРТ ШАНКЕР САКСЕНА Спасибо. Отличное вступление.
ЛЕВИ ТАН: Спасибо.
:САКСЕНА И я думаю, что очень уместно сказать: “пугающее открытие”.
ЛЕВИ: Да, наши сценаристы любят каламбуры. Прежде чем мы перейдем к совершенно удивительным и непредвиденным явлениям сверхпроводимости, я хочу поговорить об обычной проводимости. У нас есть фундаментальные элементы только в нашей периодической таблице, вещества, которые созданы во вселенной, которые являются проводниками, и мы называем их металлами. Не могли бы вы очень кратко рассказать нам об основах проводимости?
:САКСЕНА Существует несколько видов проводимости: проводимость воды, теплопроводность и электропроводность. Хотя эти свойства материалов могут показаться обычными, они скрывают в себе некую тайну.
Например, когда вы включаете свет в комнате, происходит нечто удивительное. Мы говорим, что цепь замкнулась, и по ней начал течь ток. Но почему это происходит? Всё дело в проводнике — канале, по которому может перемещаться вещество. Если вещество не может перемещаться, то это изолятор.
Когда вы щёлкаете выключателем, электроны начинают течь к вашей лампочке, компьютеру или вентилятору. Устройство начинает работать именно благодаря проводимости. Чтобы это стало возможным, материал должен быть металлическим. Металл — это основной проводник. Однако есть и другие ограничения, о которых мы поговорим по мере продвижения.
ЛЕВИ: По сути, все эти элементы в периодической таблице расположены с одной стороны, потому что они позволяют своим электронам свободно проходить сквозь материал, неся с собой энергию, как вы описали. В то же время изоляторы удерживают свои электроны и не дают им свободно перемещаться. Я использую тряпку, чтобы придерживать горячую сковороду на кухне.
:САКСЕНА Да.
ЛЕВИ: Итак, чем сверхпроводимость так сильно отличается от этого естественного явления?
:САКСЕНА Мы часто представляем, что электроны свободно перемещаются в проводнике. Однако это не совсем так. Именно из-за этого мы платим за использование электричества.
Когда электроны проходят через металлический проводник, они сталкиваются с другими электронами и дефектами в структуре проводника, теряя при этом энергию. За эту потерянную энергию мы и платим.
Процесс, который происходит при этом, ограничен количеством энергии, тока или количеством электронов, которые мы подаём в проводник.
Сверхпроводимость — это способность электронов перемещаться без каких-либо препятствий со стороны других электронов или дефектов. Когда процесс движения электронов начинается, они продолжают двигаться до тех пор, пока система обеспечивает это движение.
ЛЕВИ: Это довольно удивительно, потому что, как вы говорите, энергия - это деньги. И поэтому каждый раз, когда вы тратите часть электроэнергии на нагрев зарядного устройства, или ваш телефон нагревается, или вашему компьютеру нужно остыть, это стоит энергии. Это все потери. А у сверхпроводимости нет таких потерь. Это просто чудо. Назовите несколько примеров сверхпроводников, которые действительно применяются сейчас?
:САКСЕНА Наиболее заметное влияние на нашу повседневную жизнь, хотя и не слишком значительное, оказывают компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Эти методы обследования пациентов основаны на использовании сверхпроводящей катушки для создания магнитных полей.
Ещё одна интересная тема — это новая эра транспорта, например, поезда на магнитной подушке. Они парят над рельсами и могут развивать скорость, сопоставимую со скоростью самолёта.
Кроме того, сверхпроводники позволяют создавать очень чувствительные устройства, которые могут улавливать мельчайшие сигналы. Это находит применение в различных областях, таких как информационные технологии, здравоохранение, горнодобывающая промышленность и другие.
ЛЕВИ: Почему я не могу иметь эти фантастические устройства в своем доме и экономить на счетах за электроэнергию?
:САКСЕНА Это буквально вопрос на миллион долларов, или многомиллионный вопрос.
[Оба смеются]
:САКСЕНА Это явление имеет два интересных аспекта. Во-первых, сверхпроводимость была открыта Камерлингом Оннесом, который использовал специальное устройство для охлаждения ртути до сверхпроводящего состояния. Также нам необходимо охлаждать большинство металлов до определённой температуры, чтобы они стали сверхпроводящими.
Представьте себе обычный металл, в котором электроны сталкиваются с тепловыми барьерами. Однако при определённых условиях мы можем заставить металл работать «супер-способом», то есть стать сверхпроводником. Для этого нам нужно устройство, которое будет поддерживать сверхпроводимость при низких температурах.
Это очень интересная проблема, с которой мы, как человеческие существа, успешно справились. Мы можем поехать на машине, включить её, поместить новорожденного ребёнка рядом с источником тепла в тысячу градусов и даже не задумываться об этом. Однако у нас пока нет такого же контроля над охлаждением. Для сверхпроводимости требуются более низкие температуры, и наши методы охлаждения всё ещё нуждаются в совершенствовании.
ЛЕВИ: Итак, теперь, после первоначального открытия Камерлинг-Оннесом сверхпроводящих свойств ртути, куда продвинулись исследования? Это сразу перешло к “давайте попробуем сделать это при более высоких температурах”? Потому что, как вы сказали, ему пришлось переохладить его до ошеломляюще низкой температуры, чтобы наблюдать это явление.
:САКСЕНА Если взглянуть на историю сверхпроводимости, можно заметить два основных подхода, характерных для большинства открытых физических явлений.
Физики, химики и другие учёные стремятся понять, почему происходят те или иные процессы. Они пытаются представить, как это выглядело во время открытия, когда явление было замечено впервые. Их интересует не только возможность использования и контроля, но и суть самого явления: почему оно происходит и нет ли в измерениях ошибки?
На первом этапе важно установить само явление и определить его параметры: при каких условиях оно происходит, где и как. Затем возникает вопрос: может ли оно происходить не только в ртути? И здесь начинается самое интересное.
Учёные начинают думать о различных материалах, в которых это явление может происходить. Может ли оно наблюдаться в сплавах? В соединениях? И когда обнаруживаются такие материалы, учёные начинают общаться с инженерами и другими специалистами, которые помогают понять, как можно использовать это явление в других целях.
Таким образом, две попытки идут параллельно, но разными путями: применение сверхпроводимости и понимание её природы.
Однако есть ещё один интересный аспект — это давление. Сверхпроводимость при комнатной температуре уже открыта, но она происходит только при очень высоких давлениях. В 2015 году Михаил Еремец и его коллеги создали сверхпроводимость, близкую к комнатной температуре, и сейчас есть различные примеры этого явления.
ЛЕВИ: Теперь давайте поговорим о том, почему это происходит, потому что это сильно отличается от обычной проводимости природных элементов. Вы могли бы представить, что если бы я что-то переохладил, то движение электронов могло бы замедлиться, и, следовательно, фактически проводимость упала бы до нуля. Итак, это действительно совсем другое и удивительное явление. Не могли бы вы рассказать нам о работе Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера, получивших Нобелевскую премию, и их теории сверхпроводимости?
:САКСЕНА Это событие стало важным не только для понимания сверхпроводимости, но и для осознания квантовых явлений в целом.
Теория BCS, разработанная в 1950-х годах Бардином, Купером и Шриффером, объяснила, что электроны в сверхпроводнике ведут себя не так, как в обычном металле. Они формируют когерентное состояние, подобно тому, как хулиганы на улице могут объединиться и, используя свою силу, легко перемещаться среди других людей.
Два электрона объединяются в так называемую куперовскую пару, которая становится основой для когерентного состояния. Благодаря работе Бардина, Купера и Шриффера стало возможным понять, как электроны могут образовывать такие пары и как это влияет на их поведение.
ЛЕВИ: Это так увлекательно, потому что электроны, конечно, если вы находитесь в квантовом мире или изучали квантовую теорию, печально известны тем, что не хотят объединяться в пары.
:САКСЕНА Да.
ЛЕВИ: Принцип исключения Паули утверждает, что существует квантовое давление, которое возникает при попытке сблизить электроны. Электроны сопротивляются этому сближению.
Это явление противоречит интуиции: взаимодействие электронов с ионами решётки, которые остаются позади при удалении электронов. Когда электроны объединяются в пары, происходит обратный процесс — они стремятся сблизиться. В результате возникает не просто одна пара, а скопление электронов, что приводит к явлению сверхпроводимости.
Эта теория, несмотря на свою нелогичность и необычность, хорошо зарекомендовала себя и используется уже много лет.
:САКСЕНА Одна из картин, которая возникает в вашем сознании при изучении этой теории, — это изображение решётки и колебаний решётки, то есть фононов. Можно представить, что лодка или корабль, двигаясь по воде, оставляет за собой след. Хотя кажется, что корабль отталкивает воду назад, она всё же может застрять в этом небольшом следе, создавая привлекательный потенциал.
Этот принцип хорошо зарекомендовал себя для большинства сверхпроводников. Одна из важных причин этого — наличие у электрона другого свойства, спина. Спин придаёт электрону магнетизм.
До этого мы говорили о заряде электрона и принципе исключения Паули. Теперь обратимся к Бору и спину. Рассмотрим сам спин и то, как электроны с противоположными спинами могут притягиваться друг к другу. В описании теории BCS куперовская пара имеет конфигурацию спин-вверх / спин-вниз.
ЛЕВИ: Итак, почему это требует — надеюсь, не навсегда — такого переохлаждения?
:САКСЕНА Основной барьер, который необходимо преодолеть, – это тепловой. Тепло мешает формированию когерентности, то есть согласованного состояния электронов.
Нам нужно достичь температуры, при которой электроны начнут взаимодействовать не только друг с другом, но и с колебаниями в кристаллической решётке. Под воздействием тепла решётка приходит в движение. Однако она остаётся энергетически невыгодной до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой она сможет взаимодействовать с электронами.
Таким образом, для создания квантового состояния необходимо уменьшить тепловое воздействие.
ЛЕВИ: Это говорит о том, что достичь сверхпроводимости при комнатной температуре будет непросто. И, как вы сказали, мы видели это только в таких же экстремальных условиях высокого давления. Вы считаете безнадежными наши попытки достичь сверхпроводимости при комнатной температуре без высоких давлений?
:САКСЕНА Можем ли мы подержать кубик льда над открытым пламенем, чтобы он не растаял? Когда мы говорим о сверхпроводимости при комнатной температуре, это то, чего мы пытаемся достичь здесь с точки зрения аналогии. И если это произойдет, то, если отбросить полезность, если вы сможете подержать кубик льда над огнем, это просто потрясающе и умопомрачительно.
С другой стороны, есть способы, которыми мы можем защитить государство, потому что мы знаем, что когда мы химически создаем соединения, когда мы меняем атомы, мы меняем внутреннее давление в материале. Мы увеличиваем или уменьшаем давление между связями, между элементами, и это меняет свойства. Таким образом, играя с материалом, мы можем создать те же условия, что и давление.
ЛЕВИ: Итак, люди действительно изучали синтетические материалы как способ совершить большой прорыв. Теперь также появилось несколько очень громких заявлений об успехе, опубликованных в таких престижных журналах, как Nature, о новых материалах или синтетических материалах, которые демонстрируют сверхпроводимость при комнатной температуре. Но затем от них отказались. Так что же происходит с такого рода противоречивыми заявлениями?
:САКСЕНА Да, есть пара слов по этому поводу. Я хочу повторить, что речь идёт не о сверхпроводимости при комнатной температуре, а о возможности достижения сверхпроводимости при атмосферном давлении или давлении, близком к атмосферному.
Эксперименты с высоким давлением в этой области чрезвычайно сложны. Я сам занимаюсь исследованиями в этой области и знаю, насколько это трудно и какие вызовы это представляет. В то же время, они являются наиболее продуктивными в этой области.
Сочетание сложности экспериментов и перспектив их применения заставляет людей спешить с важными ответами. И вся социология академических усилий, связанная с этой труднодостижимой, но очень многообещающей областью, порождает интересные и во многих отношениях разрушительные тенденции. Подавляющее большинство исследователей сверхпроводимости очень осторожны.
Есть очень забавное слово — USOS. Это похоже на НЛО: периодически кто-то заявляет, что есть важные новости, но затем они исчезают. Многие журналы перешли в сферу коммерческих изданий, а не академических. К этим убедительным заявлениям привело сочетание нескольких факторов.
Как учёного, меня это скорее разжигает аппетит, чем обескураживает. Меня беспокоит то, что общественный интерес и, следовательно, политический интерес к этому удивительному явлению — чрезвычайно необычному и чрезвычайно многообещающему — может пострадать, если мы будем полагаться на эти USO.
ЛЕВИ: Не могли бы вы вкратце поделиться с нами своей интуицией относительно того, что представляют собой эти синтетические материалы, как они устроены из того, что мы считаем обычными атомами? Состоят ли они из разных фундаментальных элементов? Как они сконструированы?
:САКСЕНА Они, как дома, бывают разных форм и размеров. В них, как и в домах, могут жить разные люди, и насколько они будут удобны, зависит от их устройства.
Сверхпроводники могут быть изготовлены из различных материалов, включая золото и графит. Графит представляет особый интерес для учёных, так как его слои легко распадаются при письме карандашом на бумаге.
Между слоями графита можно поместить другие материалы, что изменит взаимодействие между слоями и материалами внутри них. До недавнего времени семейство сверхпроводников с высокой плотностью было в основном представлено двумерными материалами.
Двумерность играет важную роль в поиске сверхпроводимости. Это можно сравнить с лодкой, оставляющей за собой след, который может задерживать предметы. Однако если представить, что всё начинается с трёх измерений, вероятность притяжения и согласования предметов становится меньше.
Также можно провести аналогию с чаном с патокой или мёдом. Если бросить в него камешек, он деформируется, но не может распространиться из-за вязкости. Поэтому он начинает втягиваться, и всё, что находится рядом, может притягиваться и связываться. Однако вероятность этого будет меньше, если начать раскачивать чан в трёх измерениях.
Двумерность сыграла важную роль в поиске сверхпроводимости. Однако мы пока не знаем, будет ли это верно для фаз высокого давления, которые больше похожи на трёхмерные материалы. Одно из направлений исследований — можем ли мы достичь сверхпроводимости в двумерных материалах при нулевом давлении и комнатной температуре. Скорее всего, это произойдёт с материалами меньших размеров.
ЛЕВИ: Многие ученые, которыми я больше всего восхищаюсь, не боятся неудачи — их любопытство перевешивает страх неудачи. Вы упомянули, что работаете в очень сложной области сверхпроводимости высокого давления. Расскажите нам немного о вашем процессе. На что похож рабочий день в вашей лаборатории?
:САКСЕНА Моя лаборатория высокого давления также является лабораторией низких температур. Создание условий высокого давления — самый сложный этап исследования, поэтому ему уделяется особое внимание.
Сначала мы изготавливаем материал или работаем с производителями материалов. Затем мы определяем характеристики этих материалов.
Даже после обсуждения предыдущих случаев, которые были преувеличены, мы не всегда можем прийти к единому мнению, потому что не знаем точно, какие именно материалы мы исследуем. Поэтому мы тратим много времени на их изучение, иногда даже больше года. Мы стремимся создать материал с нужными свойствами. Это требует стойкости от исследователей, аспирантов и меня.
Иногда может оказаться, что материал уже не подходит для измерений через год. Поэтому мы постоянно ищем новые системы и условия, при которых это может произойти.
Затем мы пытаемся уменьшить размер образца, потому что для высокого давления требуется очень малый объём. Самые высокие давления достигаются при толщине образца в несколько десятков микрон, ширине — в сто микрон и так далее.
Мы прикрепляем электроды к образцам и помещаем их в камеры высокого давления. Затем мы охлаждаем образец в криостате, что противоположно наблюдению за кипящей водой.
Когда мы создаём материал химическим путём, он имеет определённый набор атомов, расположенных определённым образом, и определённые свойства. Давление является важным инструментом, потому что при равномерном сжатии материала мы изменяем эти атомные расстояния.
Таким образом, при каждом давлении мы получаем новый материал. И в каждой точке давления мы можем измерить все его свойства.
Преимущество этого способа поиска заключается в том, что мы можем делать очень точные шаги. Мы можем увеличивать и уменьшать давление и продолжать искать всё новые и новые состояния материалов.
ЛЕВИ: Будет ли справедливо сказать, что при увеличении давления вы наблюдаете фазовые переходы?
:САКСЕНА Мы рассматриваем оба варианта. Мы наблюдаем за изменениями и равномерным изменением свойств и надеемся на это очень резкое изменение, и это будет фазовый переход, да.
ЛЕВИ: Если бы один из этих USO мог стать действительно воспроизводимым синтетическим материалом, обладающим сверхпроводимостью в обычных условиях и доступным в каждой квартире, это, безусловно, было бы невероятно ценным. И это потому, что такой материал имел бы очень серьёзные социальные последствия. Не могли бы вы рассказать мне о некоторых из них?
:САКСЕНА Возможно, это покажется предвзятым высказыванием со стороны исследователя в области сверхпроводимости, но я уверен, что результаты применения сверхпроводимости в реальных условиях окажут революционное влияние на все аспекты нашей жизни.
Сейчас много говорят об искусственном интеллекте, но здесь речь идёт о энергоэффективности. Она изменит способы наших путешествий и общения. Мы говорим о центрах обработки данных, электрических сетях, кораблях и самолётах. Во всех этих сферах, где существует проводник, появится и сверхпроводник.
ЛЕВИ: Вероятно, эти продукты не будут сразу же доступны бесплатно во всех странах мира. Возможно, некоторые страны получат более быстрый доступ к ним благодаря своим инвестициям?
:САКСЕНА Это утверждение верно. Инфраструктура для промышленности и науки, включая лаборатории и производственные мощности, доступна только в развитых странах. Даже в некоторых странах со средним уровнем дохода есть потенциал для развития такой инфраструктуры. Однако значительная часть земного шара остаётся в стороне от этого процесса.
Такие материалы обычно встречаются в Евразии, Австралии и некоторых других частях мира. Однако дело не только в наличии ресурсов. Например, Южная Корея не обладает месторождениями железной руды, но является крупным производителем кораблей и стали. Это связано с тем, как страна подключена к системе, цепочке поставок и создаваемой стоимости. Наличие природных ресурсов — не единственный фактор, определяющий развитие инфраструктуры и производства.
Также есть страны Центральной Азии, которые обладают огромными ресурсами, но не используют их эффективно. Поэтому развитие инфраструктуры и производства требует комплексного подхода, который учитывает не только наличие ресурсов, но и другие факторы, такие как доступность и эффективное использование.
ЛЕВИ: Да, мы должны помнить, что мы все в этом деле вместе. Чтобы достичь успеха, нам нужно работать в команде. Вы уверены, что когда-нибудь сверхпроводимость станет возможной при более стандартных условиях? Как вы думаете, мы близки к этому моменту?
:САКСЕНА Можем ли мы сказать, что наблюдение за НЛО означает нашу близость к встрече с другими цивилизациями? Может быть, это знак того, что мы на верном пути?
За последние 20 лет мы достигли значительного прогресса в этой области. Мы смогли добиться этого благодаря нашей способности создавать новые материалы и проводить более сложные эксперименты в условиях высокого давления, сильных полей и других особых условиях.
Сейчас, как никогда ранее, мы готовы к поиску таких материалов или уже нашли их. Мы научились создавать материалы, которые могут адаптироваться к условиям окружающей среды.
ЛЕВИ: Увлекательно. Теперь у вас есть образование не только в физике, но также в антропологии и истории. Как эти другие предметы влияют на ваш научный подход и вашу общую картину?
:САКСЕНА Я часто называю себя недисциплинированным человеком, поскольку не ограничиваю себя рамками какой-то конкретной дисциплины. Мне повезло, что у меня была возможность учиться, общаться, преподавать и работать в разных областях. Но по сути, я подхожу ко всему с одной точки зрения.
Например, если взять бутылку воды, можно подумать, что рука, бутылка и сама вода состоят из одних и тех же элементов. Однако между этими тремя вещами нет ничего общего — они совершенно разные. Живое, мёртвое, прозрачное, просвечивающее, жидкое, твёрдое — как бы вы это ни назвали, это разные категории.
И здесь вступаем мы, современные учёные, чтобы сказать: дело не только в том, из чего сделаны вещи. Важно также то, как они взаимодействуют друг с другом. Понимание взаимодействия приводит к возникновению новых свойств. И они могут быть довольно нелогичными, но мы должны найти способы измерить и понять эти свойства. А также определить параметры для их настройки, такие как давление, температура и так далее.
Люди похожи на эти частицы. Представьте себе ось давление-температура, в пределах которой может выжить человек. Она крайне узкая. И всё же наше взаимодействие друг с другом и с окружающей средой порождает множество культур, языков, способов мышления и, конечно, саму науку.
ЛЕВИ: Есть вопрос, который мы здесь, на радио АСТРА-Х, хотели бы задать нашим гостям, а именно: что из ваших исследований приносит вам радость?
:САКСЕНА Открытие. И делаем мы это вместе с командой, с нашими коллегами. Мы чувствуем единство, когда вместе находим что-то новое. Мне не нравится искать что-то в одиночку. Я понял, что быть частью группы, которая стремится к общей цели, проходить через трудности и испытания, а затем открывать что-то важное — это настоящее удовольствие. И эту радость можно разделить с другими, не деля её на части.
ЛЕВИ: Нет, это прекрасно. В конце концов, наука - это дело рук человека. Мы говорили с физиком Сиддхартом Шанкаром Саксеной, для нас это Монту, о сверхпроводниках и их потенциале изменить мир. Большое спасибо, что присоединился к нам, Монту.
:САКСЕНА Спасибо. Было приятно.
ЛЕВИ: Рад был встречи. Услышимся на радио АСТРА-Х.
РАДИО 24/7:
✯ основной поток МР3 128 Кб/с https://myradio24.com/astrax
✯ ссылка для вашего плеера https://myradio24.org/astrax
✯ поток для экономии трафика и медленного интернета МР3 64 Кб/с (моно) https://astrax.radio12345.com/