Теги → сверхпроводимость
Быстрый переход

Физики придумали элемент памяти для работы при сверхнизких температурах

Международная группа учёных из МФТИ и Стокгольмского университета предложила миниатюрное устройство, способное стать элементом памяти, способным работать при сверхнизких температурах. Открытие может лечь в основу как квантовых вычислительных систем, так и помочь в создании более производительной электроники с минимальным потреблением энергии и даже в условиях сверхпроводимости.

 Источник изображения: Nano Letters

Источник изображения: Nano Letters

Учёные проводили эксперименты с так называемым джозефсоновским переходом (контактом). Джозефсоновский переход представляет собой два сверхпроводника, разделённых тонким диэлектриком. По строению это как конденсатор с двумя обкладками, разделёнными диэлектриком, только в случае джозефсоновского перехода при пропускании тока через обкладки, через диэлектрик начинает течь сверхпроводящий ток.

Величину сверхпроводящего тока устанавливает разность фаз между волновыми функциями электронов с обеих сторон барьера (диэлектрика). Примечательно, что электроны с каждой стороны барьера действуют как единое целое с точки зрения этой характеристики, а разница фаз между ними возникает в результате туннельного обмена через диэлектрик. И именно возможность управляемого изменения разности фаз, что в серии экспериментов показали физики, позволяет задавать настройки сверхпроводящим переходам. В одних условиях ток течёт достаточно сильно и его можно считать «1», в других условиях он мал и состояние элемента можно считать «0».

Более того, учёные смогли дистанционно управлять сверхпроводящим элементом без каких либо проводов, что особенно важно для сверхчувствительных квантовых систем. Сделано это оригинальным образом через систему искусственно выстроенных ловушек в кристалле. Как известно, магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник. Физики обошлись тем, что инициировали на кристалле так называемые вихри Абрикосова. Эти вихри интересны тем, что они представляют собой вихреобразную циркуляцию сверхпроводящего тока вокруг нормального ядра. При определенных условиях в области абрикосовского вихря магнитное поле может проникать в сверхпроводник отдельными квантами, в целом не нарушая сверхпроводимости.

Управляя этими вихрями — заставляя с помощью импульсов перескакивать их из одной ловушки в другую — учёные доказали, что могут управлять разностью фаз волновых функций в ближайшем джозефсоновском переходе или, говоря иначе, заставляют сверхпроводящий ток через переходы течь с разной и управляемой интенсивностью. Немного подробнее об этом эксперименте можно прочесть в издании «За науку» или детально в статье в издании Nano Letters.

Ключом к сверхпроводимости при комнатной температуре может стать свет

Учёные из США, Германии, Японии и Южной Кореи провели исследование, которое даёт надежду на обеспечение сверхпроводимости при комнатной температуре. Потребление электроэнергии быстро растёт, и мир начинает нуждаться в линиях передачи без потерь. Оказалось, что лазерные импульсы способны запускать сверхпроводимость не хуже электромагнитного поля, что открывает новый путь к созданию сверхпроводимости при комнатной температуре.

 Источник изображения: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Источник изображения: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Учёные провели сложнейшее исследование классического высокотемпературного сверхпроводника YBCO — оксида соединения иттрия, бария и меди. Эксперименты показали, что при определённых условиях выведение его из равновесия с помощью лазерного импульса запускает эффект сверхпроводимости при температуре гораздо ближе к комнатной, чем ожидали исследователи. Другое дело, что оставалось неясным, как продлить это неравновесное или нестабильное сверхпроводящее состояние для длительного практического использования, например, в линиях электропередачи?

«Люди думали, что, несмотря на полезность такого рода исследований, они не очень перспективны для будущих применений, — сказал Джун-Сик Ли (un-Sik Lee), сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и руководитель международной исследовательской группы, проводившей исследование. — Но теперь мы показали, что фундаментальная физика этих нестабильных состояний очень похожа на физику стабильных состояний. Это открывает огромные возможности, включая возможность того, что другие материалы также могут быть переведены в переходное сверхпроводящее состояние с помощью света. Это интересное состояние, которое мы не можем увидеть никаким другим способом».

В серии экспериментов учёные доказали идентичность физических процессов переключения материала YBCO из сверхпроводящего состояния в нормальное как с помощью классического инструмента — электромагнитного поля, так и с помощью импульсов лазера. Это даёт надежду, что сверхпроводимость при комнатной температуре может быть достигнута с использованием новых механизмов, но эта дверь только приоткрылась и не факт, что откроется настежь.

Японцы проложили самый длинный в мире сегмент сверхпроводящего силового кабеля

По данным японских источников, в префектуре Миядзаки подрядчик протянул самый длинный в мире сегмент сверхпроводящего силового кабеля для передачи электричества почти с нулевыми потерями. Кабель охлаждается сравнительно недорогим жидким азотом, а его длина составляет 1,5 км. Перевод электроснабжения поездов на сверхпроводящие кабели позволит сохранить средства на обслуживание силовых подстанций и избежать затрат на компенсацию потери мощности.

 Источник изображения: Kotaro Fukuoka/Nikkei

Источник изображения: Kotaro Fukuoka/Nikkei

Сверхпроводимость в энергетике — это назревшее решение. Потребление и нагрузки растут, что также увеличивает потери. Новый класс материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью позволяет вместо жидкого гелия использовать для охлаждения сравнительно недорогой жидкий азот, который позволяет охлаждать кабель до температуры –196 °C. Затраты на охлаждение компенсируются выигрышем от предотвращения потерь уже с 1-км сегмента кабеля, что должно найти подтверждение при эксплуатации опытного сегмента.

Кроме того, сегодня для компенсации потерь на каждые 3 км силового кабеля необходимо строить подстанцию, эксплуатация каждой из которых обходится японским железнодорожным компаниям до $170 тыс. ежегодно. Суммы набегают приличные, плюс 4 % от прямых потерь электричества в кабелях на всех магистралях. Тем самым переход на сверхпроводящее снабжение сулит прямые выгоды для всех.

Проблемами передачи электричества по сверхпроводящим кабелям заняты во всех ведущих странах. В ноябре прошлого года в Китае завершены работы по прокладке 1,2-км сегмента силового сверхпроводящего кабеля. Существует проект прокладки 2,5-км сверхпроводящего кабеля для соединения малого энергокольца Санкт-Петербурга. Под Мюнхеном в прошлом году начали прокладывать 12-км сверхпроводящую энерготрассу, а также ряд других проектов.

Способность графена сохранять сверхпроводимость в сильных магнитных полях выведет медицину и квантовые вычисления на новый уровень

Физики Массачусетского технологического института (MIT) заметили признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, который называется «повёрнутый под "магическим углом" трёхслойный графен». Материал сохранял сверхпроводимость в магнитном поле силой 10 Тесла, что невозможно для обычных сверхпроводников. Подобное свойство может помочь значительно улучшить разрешение сканеров МРТ и привести к появлению помехоустойчивых квантовых компьютеров.

 Сверхпроводимость в графене в представлении художника. Источник изображения: MIT

Сверхпроводимость в графене в представлении художника. Источник изображения: MIT

Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 Тесла. Если бы они могли быть построены из сверхпроводников с более сильной устойчивостью к магнитным полям, то сканеры МРТ могли бы получать более чёткие и глубокие изображения человеческого тела. То же самое относится к квантовым компьютерам. Сильные магнитные поля разрушают квантовые состояния кубитов и делают невозможным значительное масштабирование систем. Поможет ли с этим новое открытие, пока неясно, но надежда на прорыв всегда остаётся.

В своём эксперименте учёные из МИТ и их коллеги из японского Национального института материаловедения, проверили воздействие магнитного поля на три уложенных друг на друга слоя графена. Средний слой графена физики повернули на угол 1,56 градуса по отношению к внешним слоям. Это так называемый «магический» угол, при котором графен приобретает новые свойства, например, становится сверхпроводником. Применив к этому бутерброду постоянный магнит, учёные обнаружили, что магнитное поле постепенно подавляет эффект сверхпроводимости, но позже она возвращается и не пропадает вплоть до напряжённости 10 Тесла (более сильного магнита в лаборатории не нашлось, так что это может быть не предел материала).

Физики считают, но пока не уверены в этом, что электроны в повёрнутом под «магическим углом» трехслойном графене приобретают спин-триплетный характер — они образуют куперовские пары с полным спином равным 1. В обычном сверхпроводнике электроны в куперовских парах отталкиваются (их полный спин равен 0) и плохо сопротивляются внешнему магнитному полю. В спин-триплетных сверхпроводниках — редчайшем типе сверхпроводников — куперовские пары за счёт более сильного сцепления электронов остаются устойчивы к внешним магнитным полям и не теряют сверхпроводимости до довольно сильных значений напряжённости.

Если физикам удастся доказать, что повёрнутый под «магическим углом» трехслойный графен — это спин-триплетный сверхпроводник, то это откроет путь к новым сверхпроводящим материалам, что расширит область применения этого эффекта.

Учёные синтезировали новый высокотемпературный сверхпроводник и удивились полученному результату

Международная группа под руководством российских учёных экспериментально исследовала новый высокотемпературный сверхпроводник — гидрид иттрия (YH6). Обычно предварительные теоретические расчёты подтверждаются экспериментально с погрешностью не более 15 %. В случае гидрида иттрия условия поддержки высокотемпературной сверхпроводимости в два раза разошлись с теорией, что оставило простор для новых исследований.

 Источник изображения: Сколтех

Источник изображения: Сколтех

Исследовательская работа, данные о которой опубликованы в Advanced Materials, велась под руководством профессора Сколтеха и НИТУ МИСиС Артема Оганова и доктора Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН. Сверхпроводимость YH6 была предсказана китайскими учёными в 2015 году. Она достигается при температуре 224 K (–49,15 °C). Согласно теоретическим расчётам, сверхпроводимость в гидриде иттрия возникает при давлении 1,4–1,7 млн атмосфер.

Также расчёты показывают критические значения магнитных полей, при которых происходит явление сверхпроводимости. «В случае гидрида иттрия YH6 теория и эксперимент плохо согласуются, — сообщается в пресс-релизе Сколтеха. — Например, экспериментальное критическое магнитное поле оказывается в 2–2,5 раза выше теоретических предсказаний. С таким учёные сталкиваются впервые и объяснение им ещё предстоит найти. Возможно, в этом веществе присутствуют дополнительные физические эффекты, не учтённые прежними теоретическими работами».

Значительные расхождения между теоретическими и практическими результатами, которые получили физики, могут существенно изменить подход к поиску материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Дело в том, что в этих изысканиях теория играет ключевую роль, позволяя одному научному коллективу за год провести компьютерное моделирование полсотни–сотни веществ, чтобы выбрать то единственное, которое окажется достойным практических испытаний, ведь на каждый эксперимент с синтезом вещества уходит несколько лет. Поэтому расхождение теории и практики должно быть минимальным, а полученная аномалия должна быть изучена.

В Германии разрабатывается квантовый процессор на сверхпроводящих кубитах

Сообщается, что в Германии ряд институтов начал работать над национальным проектом по созданию квантового процессора на сверхпроводящих кубитах. Это проект GeQCoS, который так и расшифровывается — «Немецкий квантовый компьютер на основе сверхпроводящих кубитов». Проект GeQCoS финансируется Федеральным министерством образования и науки в размере 14,5 млн евро, из которых более 3 млн евро будут выделены Технологическому институту Карлсруэ (KIT).

 Визуализация «немецкого» квантового процессора на сверхпрводящих кубитах. Источник изображения: Christoph Hohmann

Визуализация «немецкого» квантового процессора на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: Christoph Hohmann

Институт Карлсруэ играет важную роль в проекте. Исследователи из KIT будут заняты поиском лучших материалов для сверхпроводящих кубитов. В частности, в пресс-релизе сказано: «Основные компоненты квантового компьютера, квантовые биты или кубиты, будут реализованы посредством токов нулевого сопротивления в сверхпроводящих цепях. Эти токи относительно устойчивы к внешним возмущениям и могут сохранять квантовые состояния во время работы».

Ожидается, что применение новых материалов для изготовления кубитов приведет к лучшей воспроизводимости и более высокому качеству кубитов, включая лучшую связность многих кубитов и увеличение числа кубитов в составе процессоров. Связанные с использованием сверхпроводящих кубитов ошибки затрудняют квантовые расчёты — снижают точность вычислений, поэтому немецкие учёные ставят перед собой главной целью создание устойчивых к помехам квантовых архитектур.

По словам экспертов, сегодня квантовые компьютеры уже способны решать небольшие конкретные задачи и выполнять базовые операции. В долгосрочной перспективе работа направлена на разработку так называемого универсального квантового компьютера, который вычисляет важные задачи экспоненциально быстрее, чем классический компьютер. Архитектура, подходящая для расчета практически важных задач, требует существенного улучшения как аппаратного, так и программного обеспечения.

Для достижения этой цели в рамках проекта будут разработаны масштабируемые производственные процессы и оптимизированные корпуса для микросхем. В конце концов, прототип квантового процессора будет установлен в Институте Вальтера Мейснера Баварской академии наук. Ожидается, что разработанные технологии приведут не только к новым научным открытиям — тесная взаимосвязь с компаниями укрепит квантовую экосистему в Германии и Европе. Учёные обещают, что сделают всё возможное, чтобы создать прототип и обеспечить к нему доступ на программном и аппаратном уровне как можно раньше.

Начался этап наземных отработок самолёта-лаборатории с российским авиационным сверхпроводящим электродвигателем

Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) сообщил, что на аэродроме новосибирского ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского») начался этап наземных отработок самолета-летающей лаборатории с демонстратором гибридной силовой установки (ГСУ), в состав которого входит сверхпроводящий электрический авиадвигатель.

 Источник изображения: ЦИАМ

Источник изображения: ЦИАМ

Как мы сообщали ранее, сверхпроводящий двигатель прошёл финальные стендовые испытания летом прошлого года, а в конце года поступил в Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина и был установлен на самолёт-лабораторию на базе Як-40. Тогда же электродвигатель был испытан на раме с винтом в ряде режимов. Вчера начался этап наземных отработок, в ходе которых, в частности, самолёт-лаборатория проверил работу систем и провёл испытания совместных режимов работы сверхпроводящего электродвигателя с хвостовым турбовальным газотурбинным двигателем и генератором.

Электричество к двигателю в носовой части будет вырабатывать как генератор в связке с газотурбинным двигателем, так и блок литиевых батарей. Такая гибридная схема, как считают разработчики, будет экономить до 70 % топлива, что делает гибридную авиационную двигательную систему экологичной и малошумящей. А поскольку к авиационной технике самые жёсткие требования, отработанная технология сможет легко найти применение в других отраслях промышленности при создании новой техники. Это огромный задел на будущее.

Проект гибридной силовой установки стартовал в 2016 году. В основу проекта лёг инновационный электрический авиадвигатель на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), мощностью 500 кВт, созданный компанией «СуперОкс» в рамках контракта с Фондом перспективных исследований (шифр «Контур»). До установки на самолет он прошел комплекс испытаний на наземных стендах в ЦИАМ. Электрический генератор для гибридной системы разработан также в ЦИАМ совместно с Уфимским государственным авиационным техническим университетом (УГАТУ). Генератор имеет выходную мощность 400 кВт, весит 100 кг и прошёл как стендовые испытания, так и испытания в составе турбогенератора (на базе серийного турбовального авиадвигателя).

 Источник изображения: ЦИАМ

Источник изображения: ЦИАМ

В 2018 году было принято решение использовать для испытаний гибридной силовой установки самолет Як-40. Для этого самолёт-лаборатория на базе Як-40 был значительно модифицирован. В хвостовой части фюзеляжа вместо штатного двигателя АИ-25 был установлен турбовальный газотурбинный двигатель с электрическим генератором. Для оснащения электродвигателем Як-40 был ремоторизирован (два из трех маршевых двигателей были заменены на современные двигатели с большей тягой), доработана конструкция планера, произведены детали и сборочные единицы, с помощью которых демонстратор установили на борт летающей лаборатории.

После серии наземных испытаний систем и гибридной силовой установки позже в этом году планируются лётные испытания, а сдача проекта в эксплуатацию ожидается в следующем году.

Новейший российский сверхпроводниковый электроракетный двигатель прошёл стендовые испытания

Российская частная компания «СуперОкс», работающая в области высокотемпературной сверхпроводимости, в сотрудничестве с кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ создала и завершила стендовые испытания электроракетного двигателя с эффективностью 54 %. По словам компании, он позволит снизить затраты на выведение и доставку космических аппаратов на целевые орбиты, сделав космос доступнее.

 Реактивная струя плазмы ЭРД с ВТСП-магнитом, мощность 25 кВт, реактивная тяга 1 Н, КПД 54 %

Реактивная струя плазмы ЭРД с ВТСП-магнитом, мощность 25 кВт, реактивная тяга 1 Н, КПД 54 %

В ходе трёхлетнего проекта компания впервые продемонстрировала, что сверхпроводимость может быть применена для создания космической техники с большим практическим эффектом. Такой двигатель может стать ключевым элементом аппаратов или разгонных блоков, предназначенных для исследования Луны, Марса и дальнего космоса.

 Концепция выведения спутников на орбиты при помощи межорбитального буксира с ЭРД высокой мощности

Концепция выведения спутников на орбиты при помощи межорбитального буксира с ЭРД высокой мощности

Двигатель использует принцип ускорения плазмы внешним магнитным полем, создаваемым сверхпроводниками. Применение последних позволило добиться рекордных характеристик. Созданный образец сверхпроводникового ЭРД может предложить мощность в десятки киловатт. Для сравнения: ЭРД, применяемые в космической технике сегодня, крайне редко имеют мощность выше 10 кВт.

 Концепция выведения спутников на орбиты при помощи межорбитального буксира с ЭРД высокой мощности

«Сопло» электроракетного двигателя на сверхпроводниках во время испытаний

Для создания тяги в двигателе используется превращённый в плазму инертный газ, который разгоняется электромагнитным полем. Он использует в 10 раз меньше топлива (по массе), чем «химические» реактивные двигатели. Это позволит дольше работать и увеличивает срок эксплуатации потенциальных космических аппаратов.

 Вакуумный стенд «СуперОкс» для испытания ЭРД мощностью до 100 кВт

Вакуумный стенд «СуперОкс» для испытания ЭРД мощностью до 100 кВт

Применение сверхпроводимости позволило достичь существенных для применения в космосе практических результатов:

  • масса магнита снижена в 4 раза относительно медного аналога;
  • габариты магнитной системы снижены в 3 раза;
  • энергопотребление магнита снижено более чем в 20 раз по сравнению с медным аналогом;
  • достигнуто значение КПД двигателя 54 %;
  • показано, что применение магнитного поля увеличивает эффективность работы двигателя в 7 раз, а удельный импульс и тягу — в 3 раза.
 Рабочая часть ЭРД мощностью 25 кВт

Рабочая часть ЭРД мощностью 25 кВт

«За три года исследований нами достигнута эффективность работы реактивной тяги электрического ракетного двигателя 54 % и получена реактивная тяга силой 1 Ньютон при мощности двигателя 30 киловатт, — отметил заместитель главы «СуперОкс» Алексей Воронов, — Разработанная технология позволяет проектировать двигатель с реактивной тягой вплоть до 5 Ньютонов и более без потери качества преобразования энергии. Этот результат стал возможен только благодаря высокому магнитному полю в нашем двигателе, которое создаётся магнитом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП)».

 Сверхпроводниковый электромагнит с магнитным полем до 1 Тл, изготовленный «СуперОкс» для испытания модели ЭРД

Сверхпроводниковый электромагнит с магнитным полем до 1 Тл, изготовленный «СуперОкс» для испытания модели ЭРД

В Китае представлен прототип маглев-поезда с использованием сверхпроводимости и максимальной скоростью 620 км/ч

Исследователи из Юго-западного университета Цзяотун (Southwest Jiaotong University) представили на днях прототип поезда на магнитном подвесе (магнитная левитация), который дополнительно использует сверхпроводимость для питания электромагнитов вдоль трассы. Это обещает существенно удешевить передвижение на данном виде транспорта и сделать его широкодоступным.

 Прототип маглев-поезда с использлванием высокотемпературной сверхпрводимости. Источник изображения: globaltimes.cn/IC

Прототип маглев-поезда с использованием высокотемпературной сверхпроводимости. Источник изображения: globaltimes.cn/IC

Для экономии при производстве и снижения расходов энергии на передвижение новый маглев предлагается делать в основном из углеволокна. Представленный прототип сделан именно так. Что касается эффекта сверхпроводимости, то китайцы также предлагают более дешёвый подход, чем, например, японские разработчики.

Ожидается, что в 2027 году в Японии между Токио и Нагоей откроется одна из самых быстрых в мире линий на магнитной подвеске со сверхпроводящей технологией, поезда на которой будут двигаться со скоростью 500 км/ч. На этой линии для охлаждения будет применяться жидкий гелий. Китайский «сверхпроводящий» маглев будет использовать для охлаждения жидкий азот, что будет существенно дешевле.

Согласно расчётам, маглев-поезда с использованием сверхпроводимости смогут разгоняться до 620 км/ч, а в перспективе — до 800 км/ч, что уже сравнимо с крейсерской скоростью авиалайнеров. Сегодня самая быстрая в мире коммерческая служба поездов на магнитной подвеске — это китайская Shanghai Transrapid, которая начала работу в 2002 году и позволяет поездам развивать максимальную скорость 430 км/ч. В мае прошлого года в Китае создан прототип обычного маглев-поезда со скоростью движения до 600 км/ч, но он пока не принят в эксплуатацию.

 Торжественное мероприятие по поводу запуска прототипа маглева в среду. Источник изображения: AFP

Торжественное мероприятие по поводу запуска прототипа маглева в среду. Источник изображения: AFP

Для испытаний маглева со сверхпроводимостью в Китае построена опытная линия длиной 165 метров. При строительстве магистралей новая технология потребует несколько больших затрат. Разработчики говорят, что один километр транспортной линии со сверхпроводимостью будет стоить от 250 до 300 млн юаней (от $38,65 млн), тогда как строительство обычной маглев-трассы обходится в 200 млн юаней. Трасса со сверхпроводимостью условно будет дороже на 30 %, но в перспективе это должно быстро окупиться.

Впрочем, до завершения разработки необходимо ещё около шести лет исследований, так что до практического использования сверхпроводимости на высокоскоростных железнодорожных линиях пройдёт ещё прилично времени.

Российский сверхпроводниковый двигатель установили на самолёт и испытали в разных режимах

На днях в Сибирском научно-исследовательском институте авиации имени С.А. Чаплыгина (СибНИА, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»; г. Новосибирск) на летательный аппарат был установлен электрический двигатель на сверхпроводниках и выполнены его пробные запуски с воздушным винтом. В новом году после серии наземных испытаний самолёт с инновационным двигателем поднимется в воздух и откроет новую главу в истории авиации.

 Источник изображения: ЦИАМ

Источник изображения: ЦИАМ

Инновационный электродвигатель на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт (679 л.с.) создан компанией «СуперОкс». Летом этого года двигатель и другие узлы и системы демонстратора гибридной силовой установки, прошли комплекс испытаний на наземных стендах. Теперь на очереди следующий важный этап — лётные испытания, для чего на базе самолёта Як-40 создаётся летающая лаборатория.

Но ещё до первого взлёта предстоит много работы. Необходимо провести всесторонние проверки работы электродвигателя на специально созданной для него мотораме на всех режимах работы и определить его влияние на оборудование самолёта.

Высокотемпературная сверхпроводимость позволяет добиться близкого к нулю сопротивления в обмотках электродвигателя при относительно высоких температурах, хотя эти температуры всё равно остаются очень и очень низкими — до -200 °С. Низкое сопротивление току означает высокий КПД и низкий расход заряда батарей, что для авиации на электрической тяге является критическим фактором.

Разработчики российского сверхпроводникового двигателя утверждают, что в перспективе расход энергии можно будет снизить до 75 %. Это будущее авиации, и оно постепенно приближается.

Получен первый сверхпроводник в условиях комнатной температуры

Группа учёных из Университета Рочестера экспериментально доказала существование эффекта сверхпроводимости при температуре 15 °C. Это первый раз, когда сверхпроводимость была зафиксирована при положительных и даже более-менее комфортных температурах окружающей среды. До практической реализации открытия ещё далеко, но надежда появилась.

 Алмазная наковальня для создания огромнх давлений (между гранями)

Алмазная наковальня для создания огромных давлений (между гранями)

Главным препятствием для перевода комнатной сверхпроводимости в плоскость практики остаётся необходимость поддерживать огромные давления на искомый материал. В случае рочестерского эксперимента соединение подвергалось давлению в диапазоне от 1,4 до 2,8 миллиона атмосфер. Наиболее высокая температура, при которой наблюдалась сверхпроводимость, была при давлении 2,67 млн атмосфер. В иных случаях она понижалась вплоть до -5 °C.

Пусть вас не пугают давления, которые на нашей планете в естественных условиях можно зафиксировать только ближе к ядру Земли. Алмазы ведь тоже не просто так появляются. Но родившись в адских условиях в недрах планеты они остаются стабильными блестяшками неисчислимые годы. Учёные надеются, что сверхпроводимые материалы можно будет выращивать подобно производству искусственных алмазов, когда после снятия высокого давления они остаются стабильными в обычных условиях.

Пара слов о веществе, которое продемонстрировало «комнатную» сверхпроводимость. Это соединение из трёх элементов: водорода, серы и углерода. Основой для сверхпроводимости является водород, который при огромных температурах и давлении превращается в металлический водород и приобретает сначала свойства проводника, а потом сверхпроводника. Но водород берётся не в чистом виде, в виде соединения с серой — это сероводород (H2S).

Лет пять назад было сделано открытие, которое обнаружило свойство сероводорода превращаться в сверхпроводник при относительно высоких температурах (и при гигантских давлениях). Подбор третьей составляющей заставил остановиться на углероде, но не в чистом виде, а в виде метана (CH4). Сдавливание сероводорода и метана алмазной наковальней привело к тому, что получилось кристаллическое вещество, усиленное кристаллической решёткой углерода с атомами водорода внутри. И такое вещество оставалось сверхпроводимым при температуре 15 °C.

 Суть эксперимента. Изображение Michael Osadciw

Суть эксперимента. Изображение Michael Osadciw

Сделанное открытие учёные сравнивают с замеченной верхушкой айсберга. В целом оно огромно и многообещающе и может принести ещё много неожиданного и интересного. Но предстоит ещё много работы. К счастью, направление для движения вперёд теперь стало хорошо понятно.

В Китае начали прокладывать самый длинный в мире сверхпроводящий кабель

Шанхайская государственная электросеть начала прокладку самого длинного в мире сверхпроводящего кабеля. Это будет как демонстрационный, так и коммерческий проект. Свойство сверхпроводимости рассматривается энергетиками как перспективный путь для эффективного обеспечения растущих потребностей в электроэнергии в мегаполисах.

Завершение прокладки сверхпроводящего кабеля и создание сопутствующей инфраструктуры ожидается к концу этого года. Длина кабеля составит 1,2 км. Он будет проложен между двумя подстанциями. Проект предусматривает передачу тока силой 2000 А с напряжением 35 кВ. Сопротивление току в кабеле будет отсутствовать или быть близким к нулевому значению. Без этого свойства обеспечить настолько выдающиеся характеристики линии передачи было бы крайне дорого и сложно.

Отдельной причиной для гордости китайцев стало то, что сверхпроводящий кабель для проекта разработан и выпускается в Китае. Он представляет собой пакет из 20 или 30 жил толщиной всего 0,4 мм. Проект опирается на так называемое явление высокотемпературной сверхпроводимости, когда для достижения эффекта нулевого сопротивления носитель тока нужно охлаждать не до температуры близкой к абсолютному нулю (–273 °C), а всего лишь до –196 °C. Последнее означает, что для достижения сверхпроводимости кабель можно охлаждать жидким азотом, а это сравнительно просто и недорого.

Будущая сверхпроводимая линия электропередачи поступит в коммерческую эксплуатацию. Это позволит на практике оценить все плюсы и минусы подобной передачи энергии на сравнительно большие расстояния. Полученный опыт поможет приблизить массовое внедрение в городскую среду сверхпроводящих линий электропередачи.

Российские и китайские учёные нащупывают путь к «комнатной» сверхпроводимости

Эффект сверхпроводимости сулит качественно иную передачу электроэнергии, когда практически не будет потерь от транспортировки по сетям передачи. Препятствием на этом пути остаётся необходимость значительного охлаждения материалов для появления сверхпроводимости. В идеале необходимо найти металлы, у которых сверхпроводимость проявлялась бы при комнатной температуре. На днях шаг в эту сторону сделала группа российских и китайских учёных.

Учёные из Сколково и Цзилиньского университета (Китай) смогли создать соединение, которое невозможно предсказать или описать классической химией. В ходе серии экспериментов было получено соединение водорода с празеодимом, металлом из группы лантаноидов. Водородные соединения или гидриды, как принято считать в последние полтора десятилетия, могут являться отличными сверхпроводниками. Вот только получить металлический водород можно в условиях огромных давлений свыше 4 миллионов атмосфер.

В поставленном эксперименте металлический празеодим помещался в наполненную водородом среду и сжимался между двумя алмазными конусообразными «наковальнями». При этом образец нагревался с помощью лазера. В условиях нагрева и давления 40 ГПа вещества вступали в реакцию и получалось искомое соединение PrH3. Одна проблема, в таких условиях алмазные «наковальни» вступают в реакцию с водородом и могут разрушаться.

Чтобы избежать разрушения алмазного инструмента, учёные поменяли чистый водород на такое его соединение, как боран аммония. Это вещество содержит много водорода, который выделяется при нагреве и вступает в соединение с празеодимом. Только вот в процессе синтеза получилось соединение PrH9 с намного большим числом атомов водорода, чем может удержать празеодим в рамках классической химии. Такие «невозможные» молекулы описываются с использованием «квантовой» химии.

«Формально электронное строение атома празеодима не позволяет ему образовывать такое большое количество связей с другими атомами. Однако существование подобных «неправильных» соединений можно предсказать сложными квантовыми расчетами и подтвердить экспериментами».

Получение PrH9 не стало неожиданностью. Ранее учёные похожим образом синтезировали соединения водорода с лантаном — металлом из той же группы. Однако изучение нового соединения выявило интересную особенность. Выяснилось, что гидрид празеодима переходит в состояние сверхпроводника при температуре в −264 °С, что намного ниже температуры сверхпроводимости гидрида лантана LaH10. Иными словами, молекулы похожего строения повели себя непредсказуемо.

Выяснилось, что атомы празеодима, кроме того, что они являются донорами электронов, ещё несут с собой небольшие магнитные моменты, которые подавляют сверхпроводимость. Это явление ведёт к тому, что температура появления сверхпроводимости падает. Эффект, на первый взгляд, отрицательный, ведь нам нужно повышать температуру сверхпроводимости. Но выявленное явление чётко указывает, с какими металлами лучше иметь дело для поиска «комнатной» сверхпроводимости, а с какими нет.

В частности, для этого лучше использовать металлы из «пояса лабильности», расположенного между II и III группами таблицы Менделеева, а из лантаноидов ближе всего к «поясу лабильности» лантан и церий. Ждём новых экспериментов.

Южнокорейская компания первой в мире освоила коммерческий выпуск сверхпроводящих кабелей

По сообщению южнокорейского издания Yonhap, южнокорейская компания первой в мире запустила коммерческий выпуск сверхпроводящих кабелей, обойдя на этом пути американцев и японцев. Этим достижением похвасталась компания LS Cable & System Ltd. Это бывшее подразделение группы компаний LG (Lucky Goldstar), LG Cable, которое стало самостоятельным в 2003 году. А уже в 2004 году LS Cable & System стала одним из четырёх среди крупнейших в мире разработчиков сверхпроводящих кабелей.

 Сверхпроводящий кабель

Сверхпроводящий кабель LS Cable & System

Подобные кабели работают с охлаждением примерно до −200 градусов по Цельсию. Это режим так называемых высокотемпературных сверхпроводников. Кабели охлаждаются до этой температуры и становятся способны передавать в 5–10 раз больше электрической мощности (ток) по сравнению с обычными медными кабелями. Также использование сверхпроводящих кабелей за счёт перехода на сравнительно низкие напряжения позволяют отказаться от трансформаторных подстанций и сэкономить место и деньги на передающую и распределительную инфраструктуру.

Потребность в сверхпроводящей инфраструктуре для передачи и распределения электричества с начала века начала возникать в центрах крупнейших городов. Если верить производителю, сверхпроводящие кабели готовы обеспечить возросшие требования к плотности передачи энергии уже сегодня. Для оценки рынка и внедрения таких проектов в жизнь компания LS Cable & System выбрала кооперацию с компанией KEPCO (Korea Electric Power Corp). Вместе они будут изучать глобальный рынок и предлагать готовые решения.

На сегодняшний день LS Cable & System предлагает несколько типов сверхпроводящих кабелей для сетей переменного и постоянного тока: для распределительных сетей представлены кабели AC 22,9 кВ (киловольт) 50 МВ·А и AC 22,9 кВ 120 МВ·А, для сетей передачи переменного тока выпускаются кабели AC 154 кВ 600 МВ·А и 1 ГВ·А, для сетей передачи постоянного тока предложены кабели DC 80 кВ 500 МВт.

Представлен сверхпроводящий транзистор из графена

Сказано немного громко, но учёные действительно смогли поставить эксперимент, в котором структура из графена способна переключаться из одного фазового состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. Сразу уточним, что поставленный в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли эксперимент лишь подтвердил представленные ранее теоретические обоснования, что говорит о предельно раннем этапе исследований. Учёным ещё предстоит пройти длинный путь, чтобы транзистор из графена стал коммерческим продуктом.

 Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Статья, посвящённая исследованию, опубликована в журнале Nature. Имитирующая транзистор структура представляет собой три слоя графена, каждый из которых толщиной в один атом, и два слоя нитрида бора по одному сверху и снизу графенового пакета. Также к слоям нитрида бора подведены электроды для создания управляющего поля. Для работы структуру пришлось охладить до температуры около 5 К. Поскольку теория для сверхпроводимости при высоких температурах имеет массу белых пятен, подбирать значения управляющих напряжений и температуру охлаждения пришлось экспериментально, с чем учёные успешно справились.

При одном значении напряжения (силе вертикального электромагнитного поля) «транзистор» прекращал проводить электрический ток ― находился в закрытом состоянии, а при повышении мощности или при дальнейшем снижении температуры (ниже 40 милликельвин) превращался в сверхпроводник и проводил электричество. Физика процесса при этом следующая. Строение нитрида бора шестиугольное, которое напоминает строение графена, но из-за разницы расстояний между атомами совпадает с ним только на определённых участках. При наложении структур (листов) образуется так называемая муаровая сверхрешётка с регулярно чередующимися (примерно через 10 нм) участками почти полного совпадения. «Транзисторные переходы» возможно создавать как раз в таких зонах.

 Сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Муаровая сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

При температуре около 5 К и до определённого значения напряжения структура представляет собой моттовский диэлектрик. В теории она должна проводить электроны, но из-за сильного взаимодействия электронов этого не происходит. Нарушить равновесие и перевести структуру в режим сверхпроводимости можно либо с помощью сильного электромагнитного поля, либо в случае дальнейшего охлаждения структуры. Тогда создадутся условия, при которых электроны локально перестанут удерживать друг друга и устремятся в «колодцы» в зонах совпадения кристаллических решёток, а «транзистор» перейдёт в открытое состояние.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
В Госдуме предложили смягчить нормы о трансграничной передаче личной информации 4 ч.
Twitter передал Илону Маску дополнительные данные, ждём решения миллиардера по сделке 4 ч.
Новая статья: Teenage Mutant Ninja Turtles: Shredder’s Revenge — юные таланты. Рецензия 10 ч.
Экшен Fire Emblem Warriors: Three Hopes получил релизный трейлер и неплохие оценки в прессе 13 ч.
На горизонте замаячил пиратский флаг: проблемную Skull & Bones покажут в начале июля 13 ч.
Разработчики сборника Halo: The Master Chief Collection задумались над добавлением микротранзакций — фанаты против 14 ч.
Симулятор охоты Way of the Hunter с огромным открытым миром выйдет на ПК и консолях 16 августа 15 ч.
Кооперативному шутеру Deep Rock Galactic покорилась новая вершина продаж 15 ч.
Следующая игра FromSoftware уже почти готова, а в глубокой разработке находится ещё несколько 15 ч.
Треть российских компаний в ближайшее время перейдёт на отечественное ПО 16 ч.
OnePlus готовит новые носимые устройства — часы, наушники и фитнес-трекер 2 ч.
Новый российский ДЗЗ-спутник «Электро-Л» проходит испытания — запуск намечен на 2023 год 3 ч.
AMD способна захватить до 40 % рынка серверных процессоров, считают аналитики JPMorgan 3 ч.
Игровой смартфон ASUS ROG Phone 6 может получить тыльный дисплей и LED-индикатор 4 ч.
Большинство функций автопилота теперь доступны покупателям Tesla за доплату в $6000 4 ч.
Innosilicon разогнала память LPDDR5X до 10 000 Мбит/с — это даст 80 Гбайт/с пропускной способности 14 ч.
Cerebras Systems поставила рекорд в области машинного обучения для одиночных систем 15 ч.
Дата-центры стали заложниками новой европейской энергетической политики, а украинский конфликт только усилил проблемы 15 ч.
Инженерный образец Raptor Lake сравнили с флагманом Alder Lake на одной частоте — до 20 % быстрее в многопоточных тестах 16 ч.
Продажи электромобилей в России выросли на 65 %, но дальнейшие перспективы туманны 16 ч.