IBM отмечает 25-летие открытия высокотемпературной сверхпроводимости

Статья ученых о своем открытии, озаглавленная "Possible High Tc Superconductivity in the Ba - La - Cu - O System" («Возможность высокотемпературной сверхпроводимости в системе Ва—La—Cu—О»)[2], которая сегодня считается основополагающей, была напечатана в авторитетном европейском физическом журнале Zeitschrift fur Physik (номер от 17 апреля 1986 года).

Это замечательное открытие нового свойства у материалов, ранее считавшихся малоперспективными, вызвало мощный импульс активности физиков, которые увидели новые привлекательные сферы применения сверхпроводимости в измерительной технике, прикладной электрофизике и микроэлектронике.

«Это открытие сделано совсем недавно, менее 2-х лет назад, но оно уже привело в действие беспрецедентные по своим масштабам научные исследования и разработки по всему миру», — отметил профессор Госта Экспонг (Gosta Ekspong) в своей речи на церемонии вручения Нобелевских премий, которая состоялась 10 декабря 1987 года в Шведской королевской академии наук (Royal Swedish Academy of Sciences).[3]

Сверхпроводимости уже почти сто лет

Сверхпроводимость, открытая в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (Heike Kamerlingh Onnes), по сей день остается одним из наиболее ярких и интригующих физических явлений. Этот эффект возникает, когда некоторые металлы, такие как олово или свинец, охлаждают до температуры, всего на несколько градусов отличающейся от «абсолютного нуля» (который составляет -273,15 градуса по Цельсию или -459,67 градуса по Фаренгейту). Для сравнения: самая низкая температура, когда-либо зафиксированная на Земле, составляет -85 градусов по Цельсию (или -121 градус по Фаренгейту).

Когда это происходит, электрический ток может протекать по проводнику с нулевым сопротивлением; при этом полностью отсутствуют потери энергии в виде тепла. На момент открытия сверхпроводимости ученые уже размышляли о потенциальном использовании данного явления для передачи электроэнергии, однако до его применения вне лабораторной среды должны были еще пройти десятилетия.

Основной тест на сверхпроводимость вещества называется эффектом Мейснера. При проведении испытаний ученые охлаждают проводник, находящийся в слабом внешнем магнитном поле, ниже температуры его сверхпроводящего состояния, и наблюдают, как магнитные силовые линии вытесняются из его объёма. Этот впечатляющий результат подобен левитации (подъему, парению) небольшого постоянного магнита над поверхностью такого сверхпроводника.

Открытие, которое стимулирует научную активность во всем мире

В течение более 75 лет большинство ученых только мечтали о том, чтобы найти вещество, сохраняющее сверхпроводимость при температуре выше -253,15 градуса по Цельсию (-423,67 градуса по Фаренгейту). За все эти годы успехи на данном направлении были более чем скромными. Даже тогда, когда были найдены новые вещества (из которых наиболее перспективными были металлы), они повысили температурный максимум лишь на долю градуса.

В 1983 году ученые Беднорц и Мюллер, работавшие в IBM, сконцентрировали свои исследования на оксидах, которые включали в своем составе медь и один или несколько редкоземельных металлов. Их революционная идея заключалась в том, что атомы меди могут быть использованы для переноса электронов, которые взаимодействуют с окружающим кристаллом сильнее, чем в обычных электрических проводниках. Для того чтобы получить химически стойкое вещество, ученые добавили барий в кристаллы оксида лантана-меди. В конечном итоге, керамический материал на основе барий-лантан-медного оксида стал первым удачным образцом высокотемпературного сверхпроводника.

Открытие Беднорца и Мюллера послужило мощным катализатором исследовательской активности ученых по всему миру. Эта активность достигла своей наивысшей точки на форуме Американского физического общества (American Physical Society), который проходил в Нью-Йорке с 16 по 20 марта 1987 года. На этой уникальной в своем роде научной конференции-марафоне, которую некоторые из ее 2000 участников назвали «Вудстоком для физиков» ("Woodstock of Physics")[4], более 50 ученых представили свои недавно открытые вещества, сохранявшие сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем удавалось достичь ранее. Успехи этих ученых основывались на открытии Беднорца и Мюллера.

Сферы практического применения

В настоящее время технологии, в основу которых положено открытие высокотемпературной сверхпроводимости, проходят испытания или уже используются в ряде прикладных областей, однако нас все еще отделяют годы от многообразия и широкого распространения подобных технологий:

° В некоторых странах уже начинают использоваться энергосберегающие силовые кабели питания от компании American Superconductor (NASDAQ: AMSC), изготовленные из электрического провода на основе высокотемпературного сверхпроводника (High-Temperature Superconductor, HTS). Первая и самая протяженная на сегодняшний день кабельная линия HTS была проложена в 2008 году на острове Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк. Сегодня по этой сети передается электроэнергия мощностью 774 МВт, что достаточно для энергоснабжения 300000 домов. На юго-западе США в настоящее время реализуется проект Tres Amigas Project, который должен связать три электроэнергетические сети страны и создать первый национальный рыночный центр возобновляемой энергии ("renewable energy market hub"). Кроме того, крупнейший на сегодняшний день в мире заказ на поставку кабелей HTS недавно размещен компанией LS Cable в Южной Корее.

° Магниторезонансные (MRI) сканеры, которые можно найти почти в каждой больнице по всему миру, используют небольшие магнитные катушки со сверхпроводимой обмоткой для создания вращающегося магнитного поля, которое, затем, формирует детальные изображения человеческого тела. Производители изучают возможности применения высокотемпературной сверхпроводимости для создания в будущем более эффективных MRI-сканеров нового поколения.

° Магнитолевитирующие поезда (Magnetic Levitating Trains, Maglev), проходящие сейчас испытания в Азии, используют мощные бортовые магниты, которые «приподнимают» поезд над стальными рельсами, делая этот т.н. вид «транспорта на магнитном подвешивании» более скоростным и энергетически эффективным.

° В металлообрабатывающей индустрии огромные механизмы, называемые «устройствами для нагрева заготовок» ("billet heater"), используют электроэнергию для разогрева металла до температуры 1100 градусов по Цельсию (2012 градусов по Фаренгейту), чтобы смягчить металл перед обработкой. Применяя высокотемпературную сверхпроводимость, немецкие компании Bultmann GmbH и Zenergy Power совместно разработали магнитное устройство для нагрева заготовок, которое продемонстрировало 80%-ный выигрыш в энергетической эффективности по сравнению с существующими механизмами подобного назначения, обеспечивая ежегодную экономию энергоресурсов, эквивалентную 800 баррелям нефти.

° Инженеры, работающие на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Швейцарии, разработали специализированные кабели с HTS-проводами для подключения электромагнитов к источнику питания. Эти электромагниты помогают ученым манипулировать триллионами протонов, которые «проносятся» со скоростью, близкой к скорости света, по почти 27-километровому коллайдеру.

100-летний юбилей IBM: 100 символов прогресса

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости является одним из «100 символов прогресса» (100 Icons of Progress) – самых значительных достижений IBM за всю столетнюю историю компании. Отмечая столетний юбилей (www.ibm100.com), IBM особо подчеркивает свою лидирующую роль в преобразовании бизнеса, науки и общества, и, в то же время, прогнозирует новые замечательные достижения для своего следующего столетия.

Графический символ высокотемпературной сверхпроводимости в серии "100 Icons of Progress" (http://www.ibm.com/ibm100/us/en/icons/hightempsuperconductors/) изображает стилизованную кристаллическую структуру перовскита (минерала подкласса сложных оксидов), изучение которого привело к открытию высокотемпературной сверхпроводимости [в центре] и фотографию эффекта Мейснера [справа], на которой объект, представляющий из себя небольшой постоянный магнит, «парит» над поверхностью подложки сверхпроводника.

[1] если отсчитывать от абсолютного нуля

[2] Оригинал статьи можно получить по запросу

[2] из архивных материалов Web-сайта nobelprize.org

[4] Газета «Нью-Йорк таймс», статья "Discoveries Bring a 'Woodstock' for Physics" («Открытия создают "Вудсток" для физиков») от 20 марта 1987 года; автор Джеймс Глейк (James Gleick)