Спросите Итана: ЛК?

В нашу жизнь в современную эпоху доминируют технологии электроники и электрической энергии. Наша всемирная потребность в больших объемах непрерывной электроэнергии подчеркивает необходимость повышения эффективности по всем направлениям: от производства энергии до ее передачи и потребления. На каждом этапе этого процесса потеря энергии является проблемой, поскольку сам акт проталкивания электронов через провод с током приводит к потере энергии из-за электрического явления сопротивления. Есть только одно физическое обстоятельство, при котором ток может передаваться без сопротивления: когда ваш материал является сверхпроводящим. Сегодня сверхпроводники имеют самые разнообразные применения: от аппаратов МРТ до ускорителей частиц, устройств магнитного синтеза и многих, многих других.

Однако в настоящее время известны только материалы, обладающие сверхпроводимостью в экстремальных условиях: при очень низких температурах. «Святой Грааль» исследований сверхпроводимости — найти материал, который будет сверхпроводящим при нормальных условиях: при комнатной температуре и давлении окружающей среды. Если бы мы могли найти его и внедрить в широком масштабе, мы могли бы устранить все проблемы потерь энергии и рассеянного тепла: проблемы, с которыми в настоящее время должен считаться каждый потребитель и производитель устройств. В конце июля 2023 года появилось заявление о том, что новый материал, известный как LK-99, на самом деле является тем самым долгожданным сверхпроводником при комнатной температуре. Но реально ли это? Многие из вас писали мне об этом, в том числе Роб Чепмен-Смит и Клинт Сирс, которые спрашивали:

«Где мы сейчас находимся с точки зрения того, как это выглядит, потому что это были американские горки в реальном времени, полные надежд и неудач… [С]научным языком, как бы вы пошли и воспроизвели это, как бы мы узнали, что копирование правильное? откуда нам знать, что это неправильно?»

Всякий раз, когда делается какое-либо утверждение, которое, если оно верно, могло бы изменить мир, очень важно понимать не только то, что мы знаем в настоящее время, но и то, что нам нужно знать, чтобы точно определить, что является правдой, а что нет. Давайте погрузимся в науку и узнаем!

Каждый материал, когда вы пытаетесь пропустить через него электрический ток (т. е. когда вы пытаетесь заставить электроны двигаться внутри него), проявляет некоторую форму сопротивления. Это потому, что каждый материал, естественно, обладает свойством, известным как удельное сопротивление: удельное сопротивление вашего материала, умноженное на его длину и разделенное на площадь его поперечного сечения, равно тому, что мы обычно называем сопротивлением. (Для тех из вас, кто изучил закон Ома, V = IR, V — напряжение, I — ток, а R — сопротивление.) Если вы сделаете более короткий и толстый провод, сопротивление уменьшится; если вы сделаете более длинный и тонкий провод, сопротивление увеличится.

Но удельное сопротивление в большинстве случаев не является абсолютным свойством любого такого материала, а скорее зависит от температуры этого материала. При более высоких температурах молекулы, атомы и даже субатомные частицы внутри атомов движутся быстрее, и чем выше становится температура, тем больше удельное сопротивление. Однако верно и обратное: при более низких температурах внутренние частицы внутри него движутся медленнее, имеют меньшую энергию на частицу и в целом меньше взаимодействуют, и удельное сопротивление падает.

Для большинства материалов это конец истории: вам нужно будет достичь абсолютного нуля — физически недостижимого состояния — чтобы получить нулевое удельное сопротивление и, следовательно, нулевое сопротивление независимо от других свойств вашего материала. Но для некоторых материалов существует критический порог, до которого вы можете охладить их до или ниже, и когда вы достигаете этого порога, удельное сопротивление и сопротивление одновременно падают до нуля. Эти материалы являются сверхпроводниками, и состояние нулевого удельного сопротивления и сопротивления является сверхпроводящим состоянием.

Вместо того, чтобы углубляться в кроличью нору того, что вы можете сделать и создать, имея сверхпроводник (поскольку большинство этих возможностей еще не открыты), я бы лучше помог вам понять, что позволяет материалу быть сверхпроводящим с точки зрения физики. В обычных обстоятельствах, даже внутри проводника, простое движение по нему электрических зарядов не позволяет материалу достичь сверхпроводящего состояния.