Что такое сверхпроводник

Это крайне сложная штука, которую тем не менее довольно просто объяснить одной фразой: «Сверхпроводник — это материал, который способен проводить электрический ток без сопротивления и потерь электроэнергии». То есть один провод из сверхпроводника толщиной с человеческий волос способен пропустить ток силой в сотни раз больше, чем стандартный медный кабель. В теории при своей абсолютной энергоэффективности устройства со сверхпроводниками не потребуют охлаждения для сохранения электропроводимости.

Если углубиться самую малость, то объяснение для тех, кто далек от физики, уже начинает звучать куда сложнее. Но мы попробуем, рискуя навлечь гнев физиков, уложиться в пару абзацев. Итак, при протекании тока по обычному (например, медному) проводу последний нагревается. Это так называемый эффект Джоуля, вызванный электрическим сопротивлением, которое возникает из-за столкновения движущихся электронов с атомами металла.

В сверхпроводниках электроны могут вызвать колебания в атомной решетке металла, в результате чего электроны с противоположными импульсами объединяются в пары. Эти «куперовские пары» (названы по имени физика Леона Купера) крайне необычные. Дело в том, что на самом деле два электрона не могут соединиться. Однако в случае сверхпроводника их как бы склеивает фонон — квант энергии тепловых колебаний атомов металла. Такие пары электронов взаимодействуют с другими парами, двигаются как единое целое и беспрепятственно проходят через кристаллическую решетку металла.

Пусть звучит непросто, но важно здесь одно: в ходе сложного взаимодействия куперовские пары синхронизируют свое движение с колебаниями атомов, благодаря чему и обеспечивается сверхпроводимость с нулевым сопротивлением.

Помимо нулевого электрического сопротивления, сверхпроводник получил еще одно крайне полезное свойство. Это магнитная левитация, то есть способность сверхпроводника парить над магнитной поверхностью. Все благодаря тому, что под воздействием магнита внутри сверхпроводника возникают электрические токи, формирующие свое магнитное поле, зеркальное полю внешнего магнита. Под действием силы тяжести сверхпроводник вроде как «хочет» упасть на магнитную поверхность, но его собственное магнитное поле отталкивается от магнита. Тем самым достигается равновесие.

Сверхпроводник — идеальная «волшебная палочка», способная на удивительные вещи. Повсеместное распространение поездов на простой магнитной подушке со скоростью, сравнимой с самолетами? Пожалуйста. Дешевое сверхточное и доступное чуть ли не в каждом доме мобильное МРТ? Почему бы и нет. Большой адронный коллайдер за сущие копейки в любой стране? Да, если хочется. Чуть ли не бесконечный источник энергии в рамках термоядерного синтеза? Сверхпроводники упростят процесс и сделают его дешевым. По квантовому компьютеру в каждый дом? Давно пора. Электромобили с мгновенной зарядкой и запасом хода на тысячи километров? Наконец-то. Смартфоны с автономностью пару месяцев вместо пары дней? Само собой.

Сверхпроводники уже давно существуют, но где же научный прорыв?

Явление сверхпроводимости было открыто довольно давно. Первым можно назвать открытие 1911 года, когда ученые Корнелис Дорсман и Гиллес Хольст обнаружили, что электрическое сопротивление ртути равно нулю при ее охлаждении до 4 кельвинов (то есть примерно до –270°C). Это было удивительное открытие, противоречившее царившим в то время научным представлениям.

Ученое сообщество принялось активно изучать открытие и расширять его. В последующие несколько лет выяснилось, что сверхпроводящими свойствами также обладают свинец, олово, таллий, уран. Увы, и здесь вся польза и невероятная мощь раскрывались только при сверхнизких температурах.

На протяжении более века физики бились над решением проблемы. За все это время несколько физиков получили Нобелевские премии за разные открытия, связанные со сверхпроводниками. Последний прорыв случился в 1986 году, когда сотрудники научного подразделения IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли явление высокотемпературной сверхпроводимости.

Несмотря на название «высокотемпературная», до по-настоящему высоких температур было далеко. Мюллер и Беднорц заставили сложное соединение La2-xBaxCuO4 раскрыть сверхпроводимые свойства при –238°C. На первый взгляд небольшая разница с –270°C, но это была первая реальная демонстрация работы сверхпроводников при более высокой температуре. А значит, их все-таки можно использовать (хотя бы когда-нибудь) в реальной жизни.

Все последующие годы разные группы физиков по всему миру занимались тем, что ставили все новые и новые рекорды с работой сверхпроводников при все более и более высокой температуре. К началу 1990-х сверхпроводники работали уже при –180°C. И все же до прорывной мечты о сверхпроводниках комнатной температуры было очень далеко.

Казалось, в начале XXI века загадку решили. Ученые то тут, то там начали сообщать о тех самых полумифических проводниках, способных работать при условно комнатной температуре от –13 до +15°C. Революция была на пороге и стучалась в двери человечества. Однако было одно но. Сверхпроводник проявлял свои свойства при комфортной температуре, но для этого его надо было поместить между парой алмазных «наковален», да еще под давлением 300 гигапаскалей — это 3 миллиона атмосфер, то есть 75% давления в земном ядре. В общем, решив одну проблему, ученые столкнулись с еще большей условностью, никак не приблизившей повсеместное внедрение сверхпроводников.

Сверхнизкие температуры или сверхвысокое давление — это и есть проблема, которую физики пытаются решить на протяжении более века и которая считается одной из самых сложных и важных в научном сообществе. Увы, но до сих пор все открытые проводники проявляли свои чудесные свойства только в условиях, которые невозможно или крайне сложно воспроизвести в обычной жизни вне дорогущих лабораторий.

Революция уже на пороге?

И все же, несмотря на главную проблему, использование сверхпроводников — слишком заманчивая перспектива, чтобы ее не опробовать. Поэтому кое-где они применяются. Правда, с рядом оговорок и ограничений. Например, сверхпроводники используются в работе Большого адронного коллайдера, в некоторых турбогенераторах, в МРТ, даже на нескольких линиях электропередачи и тестируются на маглевах (поезда на магнитной подушке). Увы, все это дорого и непрактично из-за необходимости постоянного охлаждения жидким азотом или, что еще хуже и дороже, жидким гелием.

Так что большинство базирующихся на сверхпроводниках систем — это либо экспериментальные технологии, либо дорогие, но крайне необходимые аппараты, целесообразность создания которых превосходит их дороговизну и слабую практичность. Выше вы можете посмотреть видеоролик с испытания маглева на сверхпроводниках в Японии. Работы над этим поездом ведутся уже 50 лет, и только к 2027 году должна быть готова первая коммерческая линия Токио — Нагоя.

Но не исключено, что все изменится в ближайшие недели. На днях корейские ученые Сокпэ Ли и Чжихун Ким сообщили о создании первого в истории настоящего сверхпроводника при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Некоторые пишут чуть ли не о случайном и внезапном открытии. Однако это не так. Ли и Ким работали над своим сверхпроводником 25 лет, а важность их открытия начала подниматься в СМИ благодаря громким публикациям в авторитетных научных изданиях.

Несколько слов предыстории. В 1990-е годы Ли и Ким учились в Корейском университете под началом профессора Чой, который еще в 1994 году опубликовал научную работу о сверхпроводнике комнатной температуры. Считается, что все трое теоретически обосновали возможность существования такого сверхпроводника в 1999 году. На тот момент еще гипотетический материал назвали LK-99. Название образовано от первых букв фамилий Ли и Кима, а также от года открытия.

На протяжении еще нескольких лет трое ученых работали над открытием на базе Корейского университета. За это время Ли и Ким защитили докторские диссертации. В 2008 году Сокпэ Ли основал Q-Centre — Исследовательский центр квантовой энергии, где Ким занял должность директора по исследованиям и разработкам. В 2017 году наставник двух ученых умер, перед смертью призвав их продолжить исследования LK-99.

По словам Ли и Кима, первый кристалл LK-99 они выделили во время пандемии в 2020 году. В 2021 году было несколько публикаций в корейских СМИ, также поданы заявки на несколько патентов, связанных с LK-99. В конце июля 2023 года вышла серия академических публикаций о новом сверхпроводнике, которая и всколыхнула научное сообщество.

Что за LK-99?

Это вещество серо-черного цвета на основе апатита с содержанием свинца. Химический состав можно приблизительно описать формулой Pb9Cu1(PO4)6O. По словам Ли и Кима, сверхпроводящие свойства материала раскрываются при комнатной температуре и держатся вплоть до достижения 127°C при сохранении нормального атмосферного давления. Этого более чем достаточно для того, чтобы перевернуть жизнь всего человечества.

Тем более, что, по словам корейских исследователей, получить LK-99 очень просто. В качестве сырья используются доступные и дешевые медь, фосфор, сульфат и оксид свинца.

Итак, мы стоим на пороге революционного, даже фантастического, события сродни изобретению вечного двигателя. Если верить Ли и Киму, LK-99 способен в считаные годы полностью изменить устоявшиеся представления о науке, машиностроении, медицине, бытовой электронике, авиационной отрасли, транспорте, да и вообще, чуть ли не обо всех сферах жизни человечества.

Мировое научное сообщество стоит на ушах. Однако далеко не все воодушевлены открытием Сокпэ Ли и Чжихун Кима. К ученым есть вопросы.

Что не так с LK-99

Во-первых, смущает не очень высокая известность Ли и Кима. Да, они долгие годы работали над сверхпроводниками, у них были соответствующие публикации, однако в международное поле они не попадали, экспертной рецензии их работы не проходили, независимых подтверждений выводов ученых пока нет.

Во-вторых, у многих возникли вопросы к сути реакций и процессов, описываемых в препринте статей корейских ученых. Так, странно выглядит график вольт-амперных характеристик LK-99, а химическая реакция для получения Pb9Cu1(PO4)6O противоречит закону сохранения вещества. Есть и несколько других ошибок, на которые указывают химики и физики. Все это может быть намеренным, а может, и случайным введением в заблуждение.

В-третьих, скандальную публикацию действительно преследуют разные неприятности. Так, спустя несколько дней после выхода препринта и последовавшей критики Сокпэ Ли заявил, что научные работы по LK-99 не закончены, а препринт статьи попал в сеть без разрешения других авторов.

Многие не сомневаются в существовании LK-99, однако считают, что материал не показывает свойства сверхпроводников, а демонстрируемая левитация является признаком не сверхпроводящего диамагнетизма.

Как бы то ни было, после привлечения внимания научного сообщества сразу несколько крупных лабораторий по всему миру объявили о начале собственных экспериментов по синтезу LK-99 и изучению его свойств. Благо все ответы мы получим уже в ближайшие несколько недель или даже дней, потому что синтез вещества недорогой и довольно простой. Так что нам остается только совсем немного подождать, чтобы понять, гении перед нами или мистификаторы (вольные или невольные).

---

P.S. На момент публикации появилось несколько откликов из разных лабораторий. Увы, ясности они не вносят. Одни пишут об успешной репликации LK-99 с доказательствами, по крайней мере, частичных сверхпроводящих свойств. Другие постят твиты с намеками на разочарование.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by