Представьте себе мир, в котором электричество передается по проводам без малейших потерь. Не нужно строить угольные электростанции рядом с заводами, можно заряжать электромобиль за секунды, а поезда парят над землей, удерживаемые мощью магнитных полей. Инженеры рисуют эту картину уже почти век, но каждый раз упираются в одну и ту же проблему: чтобы ток пошел без сопротивления, материалы приходится охлаждать до космического холода или сжимать до давлений, какие бывают разве что в ядре Юпитера. И вот группа исследователей из Хьюстонского университета под руководством профессора Чу Чингу сделала то, на что многие уже перестали надеяться. Они взяли рекордсмена 1993 года — сложный пирог из ртути, бария, кальция, меди и кислорода — и заставили его работать при температуре на 18 градусов выше прежнего предела. При этом давление осталось обычным, атмосферным. В пересчете на человеческий язык это минус 122 градуса Цельсия, что всего на пару градусов холоднее, чем в самых лютых зимних уголках Антарктиды. Согласитесь, для мира сверхпроводимости это звучит почти как комнатная температура.
Как ртутный пирог поставил ученых в тупик на три десятилетия
Чтобы понять, почему новость из Хьюстона вызвала такой ажиотаж, нужно нырнуть в историю. В конце восьмидесятых физики переживали настоящую эйфорию. После открытия так называемых ВТСП (высокотемпературных сверхпроводников) рекорды сыпались как из рога изобилия. Ученые наловчились создавать керамики, которые теряли сопротивление при температурах жидкого азота (минус 196 градусов), и это было колоссальным достижением — азот дешев и доступен. Венцом той гонки стал 1993 год, когда группа исследователей синтезировала сложное соединение HgBa2Ca2Cu3O8+d — ртутный купрат с уникальной слоистой структурой. При атмосферном давлении он переходил в сверхпроводящее состояние при минус 140 градусах Цельсия. Тогда казалось, что еще чуть-чуть, и мы доползем до минус ста, а там и до реального тепла рукой подать. «Однако при обычном давлении подобных результатов не наблюдалось с 1993 года», — констатируют авторы новой разработки, и в этой фразе слышится горечь целого поколения физиков .
Тридцать лет ученые бились как рыбы об лед. Они знали, что потенциал у ртутного пирога огромный: если сжать его до чудовищных 350 тысяч атмосфер, температура перехода подскакивала до минус 109 градусов. Но стоило убрать пресс, и материал снова становился капризным. Это как пытаться удержать снежинку в руке — зажмешь покрепче, она растает, отпустишь — улетит. Команда Чу Чингу подошла к проблеме с другой стороны. Они решили не искать новое чудо-вещество с нуля, а досконально изучить старого знакомого. Профессор Чу, кстати, считается живым классиком в своей области, он посвятил изучению купратов десятилетия и, видимо, знает о них то, что не написано в учебниках. Его команда заметила важную деталь: при сверхвысоком давлении кристаллическая решетка материала перестраивается таким образом, что исчезают все препятствия на пути электронов. Вопрос был в том, как сохранить эту идеальную структуру, когда пресс убирают.
Хитрый трюк с давлением и температурой, который сработал
Идея, которую выдвинули физики, была одновременно простой и дьявольски сложной в реализации. Они предположили, что если сжать материал до нужного состояния при экстремально низкой температуре, а потом резко сбросить давление, атомы просто не успеют вернуться в исходное положение. Представьте себе, что вы разогнали толпу людей в разные стороны, а потом заморозили их на месте — даже если вы уберете ограждения, они так и останутстя стоять. В науке это называют «закалкой» высокобарической фазы. Как сообщается в исследовании, ученые поместили образец в алмазную наковальню и создали давление в 186 тысяч атмосфер. Для понимания: это примерно как если бы на кончик вашего пальца поставили Эйфелеву башню. Одновременно они охладили систему до минус 268 градусов Цельсия — температуры, при которой большинство материалов впадают в состояние квантового оцепенения. А затем давление резко убрали.
«Нам удалось достичь нового рекорда в этой области и создать материал на базе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который остается сверхпроводником при температурах до 122 градусов Цельсия», — рассказывают авторы разработки, и за этими скупыми словами стоит множество бессонных ночей и проверок . Когда образец достали из криостата и подключили к измерительным приборам, стрелки показали невероятное: нулевое сопротивление стабильно держалось при минус 122 градусах. То есть они подняли планку сразу на 18 пунктов выше исторического рекорда 1993 года. Причем никакого дополнительного давления уже не требовалось, материал жил и работал в обычной атмосфере земной лаборатории. Самое забавное, что изначально это соединение (Hg-1223) хорошо известно и изучено вдоль и поперек. Но никто раньше не додумался применить к нему такую варварскую, на первый взгляд, процедуру «закалки». Получилось как в кулинарии: все знают рецепт, но только один повар догадался, что ингредиенты нужно не просто смешать, а резко охладить после варки, чтобы текстура стала идеальной.
Что дальше: от лабораторной диковинки к настоящей технике
Конечно, обыватель вправе спросить: минус 122 градуса — это все еще адский холод, и при чем тут моя квартира и счет за электричество? Но для физиков этот скачок на 18 градусов — как выигранный марафонский забег на последних метрах. Он доказывает, что потенциал купратов далеко не исчерпан. «Аналогичный подход можно применить и к другим материалам», — делятся своими мыслями исследователи . Теперь, когда технология «закалки» под давлением опробована, ученые собираются проверить, как она сработает на других сложных оксидах. Возможно, удастся заставить работать при нормальных условиях какие-то из тех соединений, которые раньше требовали сжатия. Например, существуют никелаты, о которых много говорят в последние пару лет. В 2025 году китайские ученые из Южного университета науки и технологии сообщили о создании никелевого сверхпроводника, работающего при минус 233 градусах в обычных условиях. Это тоже прогресс, но до ртутного рекордсмена пока далеко.
Если говорить совсем просто, то работа хьюстонской команды открывает дорогу к инженерному искусству. Мы учимся не просто находить сверхпроводники методом тыка, а целенаправленно допиливать их свойства под нужные нам параметры. Следующая цель, о которой пока стесняются говорить вслух, — это достижение сверхпроводимости при температуре сухого льда (минус 78 градусов) или даже при обычном морозе, который бывает зимой в умеренных широтах. Тогда передача энергии без потерь перестанет быть лабораторным курьезом и станет основой новой энергетики. Понятно, что до промышленного производства кабелей из хрупкой ртутной керамики еще далеко, материал сложен в обработке и токсичен. Но главное сделано: доказано, что стена, в которую упирались тридцать лет, не бесконечна. И теперь уже не фантасты, а инженеры начинают прикидывать, как бы приспособить этот «закаленный» пирог для реальных дел.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
