Учёные изучают пределы сверхпроводимости при комнатной температуре

Под сверхпроводимостью между двумя или более объектами понимают отсутствие потерь электроэнергии. В природе встречаются элементы и минералы, которые обладают свойствами сверхпроводимости. Например, ртуть, свинец и др. Сейчас востребованы различные устройства, в которых применяются материалы со сверхпроводящими свойствами. Например, генераторы, электродвигатели, медицинское оборудование, поезда на магнитной подвеске.

Если бы эффективность сверхпроводников при комнатной температуре можно было использовать в масштабах создания высокоэффективных систем передачи электроэнергии для промышленности, торговли и транспорта, это было бы настоящей революцией. Специалисты заявляют, что развёртывание технологии сверхпроводников при комнатной температуре и при атмосферном давлении ускорит электрификацию в целях устойчивого развития. Такая технология позволит выполнять больше полезной работы и использовать меньше природных ресурсов, а также создавать меньшее количество отходов и снижать воздействие на окружающую среду.

Сейчас на разных стадиях разработки находятся несколько систем сверхпроводящих материалов для передачи электроэнергии. Исследовательская группа из Хьюстонского университета занимается поиском сверхпроводимости при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Авторы исследования Пол Чу и Лянцзи Дэн выбрали для своих экспериментов селенид железа FeSe. Он привлёк их своей простой структурой, а также большой сверхпроводящей критической температурой, усиливаемой под давлением. Учёные разработали процесс закалки под давлением (PQP). Сначала они прикладывают давление к созданным образцам при комнатной температуре для повышения сверхпроводимости. Потом они охлаждают образцы до определённой более низкой температуры и сбрасывают приложенное давление. При этом материал сохраняет улучшенные сверхпроводящие свойства.

Концепция PQP далеко не новая, но в исполнении Чу и Дэна впервые использовалась высокое давление в высокотемпературном сверхпроводнике для сохранения повышенной сверхпроводимости. Результаты проведённой работе они опубликовали тут. Чу говорит, что на передачу электроэнергии тратится около 10% от используемого объёма. Это огромное количество, которое могло бы пойти на полезную работу. При использовании сверхпроводников для передачи энергии можно было бы обеспечить нулевые потери. Это реально изменило бы транспортную сферу, электроэнергетику и многие другие отрасли. С помощью таких материалов можно будет передавать электричество на тысячи километров без потерь.

На разработку этой методики учёных вдохновил покойный Пол Дувез. Он был инженером, материаловедом и металлургом из Калифорнийского технологического института. В своё время он указал, что большинство сплавов, применяемых в промышленности, являются метастабильными или химически нестабильными при атмосферном давлении и комнатной температуре. Метастабильные фазы обладают желаемыми и/или улучшенными свойствами, которых нет у их стабильных аналогов, говорят Чу и Дэн в своей работе.

В качестве примеров таких материалов можно назвать алмазы, высокотемпературные материалы для 3D-печати, черный фосфор и даже бериллиевую медь. Последний материал  используется для изготовления инструментов, которые применяются во взрывоопасных средах (буровые вышки, элеваторы зерна).

Чу говорит, что конечной целью эксперимента было поднятие температуры выше комнатной и сохранение при этом сверхпроводящих свойств материала. Если этого удастся добиться, то в работе оборудования, где используются сверхпроводящие материалы, больше не потребуется криогеника.