Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χιούστον πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη υπεραγωγιμότητας θέτοντας νέο ρεκόρ θερμοκρασίας για υπεραγωγούς που λειτουργούν υπό συνθήκες πίεσης περιβάλλοντος. Η πρόοδος θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στη δημιουργία πιο αποτελεσματικών ηλεκτρικών δικτύων, προηγμένων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, ταχύτερων ηλεκτρονικών και νέων τεχνολογιών για την ενέργεια σύντηξης και την ιατρική απεικόνιση.
Οι επιστήμονες του Κέντρου Υπεραγωγιμότητας του Τέξας (TcSUH) και του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον έφτασαν σε θερμοκρασία μετάπτωσης υπεραγώγιμου (Tc) 151 Kelvin (περίπου μείον 122 βαθμούς Κελσίου). Αυτός είναι ο υψηλότερος Tc μέχρι στιγμής για έναν υπεραγωγό που λειτουργεί υπό πίεση περιβάλλοντος από τότε που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά η υπεραγωγιμότητα το 1911.
Η θερμοκρασία μετάβασης σηματοδοτεί το σημείο στο οποίο ένα υλικό μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Η αύξηση αυτής της θερμοκρασίας είναι ένας από τους μεγαλύτερους στόχους της έρευνας υπεραγωγιμότητας, επειδή οι υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας μπορούν να κάνουν τις τεχνολογίες υπεραγωγιμότητας πιο πρακτικές και προσιτές.
Δημοσιεύτηκαν τα ευρήματα των φυσικών Ching-wu Chu και Liangzhi Deng Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Η χρηματοδότηση για το έργο προήλθε από την Intellectual Ventures, την Πολιτεία του Τέξας μέσω του TcSUH και πολλά ιδρύματα.
«Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο χάνει περίπου το 8% της ηλεκτρικής ενέργειας», δήλωσε ο Chu, καθηγητής φυσικής, ιδρυτικός διευθυντής του TcSUH και ανώτερος συγγραφέας της εργασίας. «Αν εξοικονομήσουμε αυτήν την ενέργεια, εξοικονομούμε δισεκατομμύρια δολάρια και μας εξοικονομεί μεγάλη προσπάθεια και μειώνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις».
Γιατί οι υπεραγωγοί έχουν σημασία
Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει χωρίς αντίσταση. Επειδή δεν σπαταλάται ενέργεια ως θερμότητα, μπορούν να βελτιώσουν δραματικά την απόδοση του ηλεκτρικού συστήματος. Οι επιστήμονες βλέπουν τους υπεραγωγούς ως σημαντικούς για τεχνολογίες όπως η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI), οι αντιδραστήρες σύντηξης, η κβαντική τεχνολογία και τα εξαιρετικά γρήγορα ηλεκτρονικά.
Η πρόκληση είναι ότι οι περισσότεροι υπεραγωγοί λειτουργούν μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, απαιτώντας ακριβά συστήματα ψύξης που περιορίζουν την ευρεία χρήση.
«Μόλις φέρουμε το υλικό σε πίεση περιβάλλοντος, γίνεται πολύ πιο προσιτό για τους επιστήμονες να χρησιμοποιούν καλά ανεπτυγμένα όργανα για να το διερευνήσουν και να αναπτύξουν περισσότερες τεχνολογίες για λειτουργία σε συνθήκες περιβάλλοντος», δήλωσε ο Deng, επίκουρος καθηγητής φυσικής, κύριος ερευνητής στο TcSUH και κύριος συγγραφέας της εργασίας.
Το νέο ρεκόρ σπάει ένα φράγμα δεκαετιών
Οι ερευνητές έχουν περάσει δεκαετίες αναζητώντας υπεραγώγιμα υλικά με ολοένα και πιο υψηλές θερμοκρασίες μετάβασης.
Ένα σημαντικό ορόσημο ήρθε το 1987 όταν ο Chu και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι ένα υλικό γνωστό ως YBCO θα μπορούσε να γίνει υπεραγώγιμο στους μείον 180 βαθμούς Κελσίου, ή 93 Κ. Αυτή η ανακάλυψη βοήθησε να ξεκινήσει ένας παγκόσμιος αγώνας για την ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.
Το 1993, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα κεραμικό οξειδίου του χαλκού με βάση τον υδράργυρο που ονομάζεται Hg1223 που έφτασε σε υπεραγωγιμότητα στους μείον 140 βαθμούς Κελσίου, ή 133 Κ. Αυτό το υλικό διατηρεί ρεκόρ πίεσης περιβάλλοντος για περισσότερα από 30 χρόνια.
Το νέο επίτευγμα του Πανεπιστημίου του Χιούστον έσπρωξε το ρεκόρ 18 βαθμών Κελσίου στους 151 Κ.
Η ανακούφιση του στρες παράγει σταθερή υπεραγωγιμότητα
Η πρόοδος εξαρτάται από μια διαδικασία γνωστή ως ανακούφιση από το στρες. Αν και οι τεχνικές πίεσης χρησιμοποιούνται συνήθως σε άλλους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής διαμαντιών, η μέθοδος είναι σχετικά νέα στην έρευνα υπεραγωγιμότητας.
Οι ερευνητές υπέβαλαν αρχικά το υλικό σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, οι οποίες ενίσχυσαν την υπεραγώγιμη συμπεριφορά του και αύξησαν τη θερμοκρασία μετάβασης. Ενώ ήταν υπό πίεση, το υλικό ψύχθηκε σε μια προσεκτικά επιλεγμένη θερμοκρασία πριν αφαιρεθεί ξαφνικά η πίεση.
Αυτή η γρήγορη απελευθέρωση διατήρησε αποτελεσματικά τις βελτιωμένες υπεραγώγιμες ιδιότητες, επιτρέποντας στο υλικό να παραμείνει σταθερό ακόμα και μετά την επιστροφή στις κανονικές συνθήκες καταπόνησης.
«Άλλοι ερευνητές έχουν δείξει ότι είναι δυνατό να επιτευχθεί υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου υπό πίεση», είπε ο Τσου. «Η μέθοδός μας δείχνει ότι είναι δυνατό να διατηρήσουμε αυτή την κατάσταση χωρίς να διατηρούμε άγχος».
Ένα βήμα προς τους υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου
Αν και η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου σε πίεση περιβάλλοντος παραμένει απρόσιτη, οι ερευνητές λένε ότι το νέο ρεκόρ είναι ένα σημαντικό βήμα προς αυτόν τον στόχο. Η θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου 300 K, αφήνοντας ένα κενό περίπου 140 °C από το πρόσφατα επιτευχθέν ρεκόρ.
«Αυτό το εύρημα έχει μεγάλες δυνατότητες», είπε ο Τσου. «Πιστεύουμε, με αρκετούς ανθρώπους που εργάζονται σε αυτό και με αρκετό χρόνο, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε τις δυνατότητες».
Οι Chu και Deng συνέβαλαν επίσης σε μια συνοδευτική προοπτική εργασία που χρηματοδοτήθηκε από την Intellectual Ventures και δημοσιεύτηκε στο PNAS. Το έγγραφο συζητά έξι διαφορετικές προσεγγίσεις που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι ερευνητές για να αυξήσουν περαιτέρω τη θερμοκρασία του υπεραγώγιμου, συμπεριλαμβανομένης της απόσβεσης πίεσης.
«Η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου θεωρείται από τους επιστήμονες ως το «ιερό δισκοπότηρο» για περισσότερο από έναν αιώνα», δήλωσε ο Rohit Prasankumar, διευθυντής έρευνας υπεραγωγιμότητας στην Intellectual Ventures. “Τα αποτελέσματα της ομάδας UH δείχνουν ότι αυτός ο στόχος είναι πιο κοντά από ποτέ. Ωστόσο, η απόσταση μεταξύ του νέου ρεκόρ που σημειώθηκε σε αυτή τη μελέτη και της θερμοκρασίας δωματίου εξακολουθεί να είναι περίπου 140 βαθμοί Κελσίου. Η κάλυψη αυτού του χάσματος θα απαιτήσει μια συντονισμένη, σκόπιμη προσπάθεια από την ευρύτερη επιστημονική κοινότητα, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων υλικών, χημικών και μηχανικών, καθώς και φυσικών.”
