В будущем провода будут проходить под океанами, чтобы без труда доставлять электроэнергию с одного континента на другой. Эти кабели будут передавать ток от гигантских ветряных турбин или питать магниты левитирующих высокоскоростных поездов.
Все эти технологии основаны на долгожданном чуде физики - сверхпроводимости, повышенном физическом свойстве, позволяющем металлу проводить электрический ток без потери энергии.
Но сверхпроводимость функционировала только при низких температурах, которые слишком холодны для большинства устройств. Чтобы сделать ее более полезной, ученые должны воссоздать те же условия при обычных температурах. И хотя физики знают о сверхпроводимости с 1911 года, сверхпроводник комнатной температуры все еще ускользает от них, как мираж в пустыне.
Что такое сверхпроводник?
У всех металлов есть точка, называемая "критической температурой". Если охладить металл ниже этой температуры, то удельное электрическое сопротивление практически исчезает, что значительно облегчает перемещение заряженных атомов. Другими словами, электрический ток, проходящий через замкнутую петлю сверхпроводящего провода, может циркулировать вечно.
Сегодня от 8 до 15 процентов электроэнергии в сети теряется между генератором и потребителем, поскольку электрическое сопротивление стандартных проводов естественным образом отводит часть электроэнергии в виде тепла. Сверхпроводящие провода могут устранить все эти потери.
Есть и другой плюс. Когда электричество проходит по свернутому проводу, создается магнитное поле; сверхпроводящие провода усиливают этот магнетизм. Уже сейчас сверхпроводящие магниты питают аппараты МРТ, помогают ускорителям частиц направлять свою добычу по кругу, формируют плазму в термоядерных реакторах и толкают поезда на маглеве, такие как строящийся японский Chūō Shinkansen.
Повышение температуры
Хотя сверхпроводимость - чудесная способность, физика ограничивает ее холодом. Критическая температура большинства известных материалов едва превышает абсолютный ноль (-459 градусов по Фаренгейту). Алюминий, например, имеет температуру -457 градусов по Фаренгейту, ртуть -452 градуса по Фаренгейту, а ковкий металл ниобий -443 градуса по Фаренгейту. Охлаждать что-либо до таких низких температур утомительно и непрактично.
Ученые добились этого - в ограниченном объеме - испытав его на экзотических материалах, таких как купраты, тип керамики, содержащий медь и кислород. В 1986 году два исследователя из IBM обнаружили купрат, который сверхпроводил при температуре -396 градусов по Фаренгейту, что стало прорывом, принесшим им Нобелевскую премию по физике. Вскоре другие исследователи продвинули купратные сверхпроводники выше -321 градуса по Фаренгейту, температуры кипения жидкого азота - гораздо более доступного охлаждающего вещества, чем жидкий водород или гелий, которые в противном случае потребовались бы.
"Это было очень волнующее время", - говорит Ричард Грин, физик из Университета Мэриленда. Люди думали: "Ну, может быть, мы сможем подняться до комнатной температуры".
Сейчас, более 30 лет спустя, поиски сверхпроводника комнатной температуры продолжаются. Вооружившись алгоритмами, позволяющими предсказывать свойства материала, многие исследователи считают, что они близки к цели как никогда. Но некоторые из их идей вызывают споры.
Дилемма репликации
Один из способов добиться успехов в этой области - переключить внимание с купратов на гидраты, или материалы с отрицательно заряженными атомами водорода. В 2015 году исследователи из Майнца, Германия, установили новый рекорд, создав гидрид серы, который сверхпроводил при температуре -94 градуса по Фаренгейту. Затем некоторые из них быстро побили свой собственный рекорд с гидридом редкоземельного элемента лантана, доведя температуру ртути до -9 градусов по Фаренгейту - примерно до температуры домашней морозильной камеры.
Но опять же, здесь есть загвоздка. Критические температуры меняются при изменении окружающего давления, а гидридные сверхпроводники, похоже, требуют нечеловеческих давлений. Гидрид лантана достиг сверхпроводимости только при давлении выше 150 гигапаскалей - что примерно соответствует условиям в ядре Земли и слишком высоко для практического применения в поверхностном мире.
Поэтому представьте себе удивление, когда инженеры-механики из Университета Рочестера на севере штата Нью-Йорк представили гидрид, изготовленный из другого редкоземельного элемента - лютеция. Согласно их результатам, гидрид лютеция сверхпроводящий при температуре около 70 градусов по Фаренгейту и давлении 1 гигапаскаль. Это в 10 000 раз больше атмосферного давления на уровне моря, но достаточно мало, чтобы использовать его в промышленных инструментах.
"Это не очень высокое давление", - говорит Ева Зурек, химик-теоретик из Университета Буффало. "Если его удастся воспроизвести, [этот метод] может оказаться очень важным".
Однако ученые пока не радуются - они уже видели подобные попытки. В 2020 году та же исследовательская группа заявила, что обнаружила сверхпроводимость при комнатной температуре в гидриде углерода и серы. После первоначальной шумихи многие их коллеги указали на то, что они неправильно обработали данные и что их работу невозможно воспроизвести. В конце концов, инженеры Рочестерского университета уступили и отказались от своей работы.
Теперь они сталкиваются с теми же вопросами в отношении своего лютециевого сверхпроводника. "Это действительно необходимо проверить", - говорит Грин. Первые признаки неутешительны: команда из Нанкинского университета в Китае недавно попыталась повторить эксперимент, но безуспешно.
"Многие группы должны быть в состоянии воспроизвести эту работу", - добавляет Грин. "Я думаю, мы очень быстро узнаем, верно это или нет".
Но если новый гидрид действительно станет первым сверхпроводником комнатной температуры - что дальше? Начнут ли инженеры завтра прокладывать линии электропередач по всей планете? Не совсем. Сначала нужно понять, как этот новый материал ведет себя при различных температурах и других условиях, и как он выглядит в небольших масштабах.
"Мы еще не знаем, какова его структура. На мой взгляд, она будет сильно отличаться от гидрида высокого давления", - говорит Зурек.
Если сверхпроводник окажется жизнеспособным, инженерам придется научиться делать его для повседневного использования. Но если им это удастся, результат может стать подарком для технологий, меняющих мир.