Wyobraź sobie, że Twój komputer mógłby być zasilany prądem, który płynie w nieskończoność bez przegrzania. To nie magia: to potencjalna przyszłość prawdziwego zjawiska zwanego nadprzewodnictwem, które dzisiaj stanowi podstawę wszystkiego, od najnowocześniejszych badań magnetycznych po rezonans magnetyczny.

Teraz naukowcy odkryli, że mogą stworzyć nadprzewodnik, który różni się od innych, które pojawiły się wcześniej. Umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku: jak pociąg jadący w dół, ślizga się swobodnie w jedną stronę, ale w drugą mierzy się z trudnym podjazdem. Brzmi to tajemniczo, ale ta umiejętność ma kluczowe znaczenie dla tworzenia obwodów elektronicznych, takich jak te, które zasilają komputer. Jeśli wyniki tych naukowców się utrzymają, może to przybliżyć przyszłość o jeden krok.

„Jest teraz dostępnych tak wiele zabawnych możliwości”, mówi Mazhar Ali, fizyk z Delft University of Technology w Holandii i jeden z autorów, którzy opublikowali swoją pracę w czasopiśmie Nature 27 kwietnia

Nadprzewodnictwo jest sprzeczne z tym, jak powinna działać fizyka. Normalnie, gdy prąd płynie wzdłuż przewodu, elektrony znajdujące się w środku napotykają sztywny opór, ocierając się o atomy tworzące przewód. Energia elektryczna jest tracona, często w postaci ciepła. To w dużej mierze dlatego Twoja elektronika może być gorąca w dotyku. To także ogromny spadek wydajności.

Ale jeśli głęboko schłodzisz materiał, który przewodzi elektryczność, osiągniesz punkt, który naukowcy nazywają temperaturą krytyczną. Dokładna temperatura krytyczna zależy od substancji, ale zwykle znajduje się ona w sferze kriogenicznej, tuż powyżej zera absolutnego, najzimniejszej temperaturze dozwolonej przez fizykę. W punkcie krytycznym opór materiału spada z klifu do praktycznie zera. Teraz stworzyłeś nadprzewodnik.

Jak wygląda elektryczność bez oporu? Oznacza to, że prąd może płynąć przez drut, teoretycznie przez całą wieczność, bez rozpraszania się. To zaskakujące osiągnięcie w fizyce, gdzie nieustanny ruch nie powinien być możliwy.

„To narusza nasze obecne zrozumienie, w jaki sposób może wystąpić jednokierunkowe nadprzewodnictwo”.

Mazhar Ali

Wiemy o tym magicznie brzmiącym dziwaku fizyki kwantowej, odkąd roku natknął się na nią . Dziś naukowcy wykorzystują nadprzewodnictwo do obserwacji niezwykle maleńkich pól magnetycznych, takich jak te w mózgu myszy . Owijając nadprzewodzące druty wokół magnesu, inżynierowie mogą wytwarzać niskoenergetyczne elektromagnesy o dużej mocy, które napędzają wszystko, od aparatów do rezonansu magnetycznego w szpitalach po następną generację japońskich pociągów pociskowych .

Pociągi pociskowe prawdopodobnie nie były w głowach Alego i jego kolegów, kiedy zabierali się do pracy. „Moja grupa nie podchodziła do tych badań w celu osiągnięcia jednokierunkowego nadprzewodnictwa”, mówi Ali.

Grupa Ali, kilka lat temu, zaczęła badać właściwości metalu nazwanego sugestywnie Nb3Br8, wykonanego z atomów niobu (metalu często używanego w niektórych rodzajach stali i specjalistycznych magnesach) i bromu (halogen, podobny do chloru lub jodu). , który często znajduje się w środkach zmniejszających palność).

Gdy zespół badawczy wykonywał coraz cieńsze arkusze Nb3Br8, odkryli, że faktycznie staje się on coraz bardziej przewodzący. To niespotykane. Aby dokładniej zbadać, zwrócili się do wypróbowanej techniki: robienia kanapki. Chlebem były dwa kawałki znanego nadprzewodnika, a nadzieniem Nb3Br8. Naukowcy mogli dowiedzieć się więcej o Nb3Br8 na podstawie tego, jak wpłynął na kanapkę. A kiedy spojrzeli, odkryli, że stworzyli jednokierunkowy nadprzewodnik.

To, co stworzyła grupa Ali, jest bardzo podobne do diody: elementu, który przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Diody są wszechobecne we współczesnej elektronice, co ma kluczowe znaczenie dla podbudowania logiki umożliwiającej działanie komputerów.

Jednak Ali i jego koledzy nie do końca wiedzą, jak działa ten efekt w stworzonym przez siebie obiekcie. Okazuje się również, że „narusza nasze obecne zrozumienie, w jaki sposób może wystąpić jednokierunkowe nadprzewodnictwo”, mówi Ali. „Należy również przeprowadzić wiele podstawowych badań”, aby odkryć ukrytą nową fizykę.

Nie po raz pierwszy fizycy zbudowali jednokierunkową drogę nadprzewodzącą, ale poprzednie konstrukcje generalnie potrzebowały pól magnetycznych. Jest to powszechne w przypadku manipulacji nadprzewodnikami, ale komplikuje życie inżynierów.

„Stosowanie pól magnetycznych jest kłopotliwe”, mówi Anand Bhattacharya , fizyk z Argonne National Laboratory na przedmieściach Chicago, który nie był jednym z autorów artykułu. Jeśli inżynierowie chcą na przykład manipulować różnymi częściami w nadprzewodniku, pola magnetyczne stanowią ogromne wyzwanie. „Tak naprawdę nie można zastosować pola magnetycznego, bardzo lokalnie, jednemu małemu facetowi”.

Dla osób, które marzą o konstruowaniu elektroniki z nadprzewodnikami, możliwość przesyłania prądu w jednym kierunku jest potężną inspiracją. „Można sobie wyobrazić bardzo fajne zastosowania urządzeń w niskich temperaturach” — mówi Bhattacharya.

Niektórzy naukowcy uważają, że takie urządzenia mają oczywistego gospodarza: komputery kwantowe , które wykorzystują cząsteczki, takie jak atomy, do tworzenia urządzeń, które robią rzeczy, których konwencjonalne komputery nie potrafią. Problem polega na tym, że niewielkie ilości ciepła mogą wyrzucić komputery kwantowe, więc inżynierowie muszą budować je w zamrażarkach kriogenicznych, które utrzymują je ledwo powyżej zera absolutnego. Problem ponownie się składa: normalna elektronika nie działa zbyt dobrze w tych temperaturach. Z drugiej strony, bardzo zimna dioda nadprzewodząca może się dobrze rozwijać.

Konwencjonalne komputery też mogą na tym skorzystać: najprawdopodobniej nie komputer osobisty lub laptop, ale większe olbrzymy, takie jak superkomputery przemysłowe. Innymi beneficjentami mogą być kolosalne szafy serwerowe, w których znajdują się centra danych na całym świecie. Odpowiadają za ogromny 1 procent światowego zużycia energii , porównywalnie do całych krajów średniej wielkości. Wprowadzenie nadprzewodników do serwerów danych może sprawić, że będą one tysiące razy bardziej energooszczędne.

Jest jeszcze droga, zanim to się stanie. Kolejnym krokiem jest znalezienie sposobu wytwarzania wielu diod nadprzewodzących jednocześnie. Innym jest ustalenie, jak sprawić, by działały powyżej -321°F, czyli temperatury wrzenia ciekłego azotu: ta temperatura wydaje się ekstremalnie niska, ale jest łatwiejsza do osiągnięcia niż jeszcze niższe temperatury, dostarczane przez ciekły wodór, których mogą potrzebować obecne urządzenia.

Mimo tych wyzwań Ali jest podekscytowany przyszłością badań swojej grupy. „Mamy bardzo konkretne pomysły na atakowanie obu tych dróg i mamy nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku lat zobaczymy więcej przełomowych wyników”, mówi.

Komentarze

Dodaj komentarz

Zaloguj się

Zarejestruj się

Reset hasła

Proszę wpisać nazwę użytkownika lub adres e-mail, a otrzymasz e-mail z linkiem do ustawienia nowego hasła.