Автор: Получение сверхпроводниковых материалов, способных устойчиво работать при комнатной температуре, сродни изобретению колеса. Недавнее объявление исследователей из Университета Рочестера о новом материале, который является сверхпроводником при комнатной температуре, хотя и при высоком давлении, является захватывающей разработкой – если это будет доказано.
Если этот материал или что-то подобное ему будет работать надежно и его можно будет экономично производить массово, это может произвести революцию в электронике.
Стоит напомнить, что сверхпроводник — это материал, который проводит постоянный ток, не встречая никакого электрического сопротивления. Сопротивление — это свойство материала, препятствующее протеканию электричества. Традиционные сверхпроводники должны быть охлаждены до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю.
Сверхпроводящие материалы комнатной температуры открыли бы множество новых возможностей для практического применения, включая сверхэффективные электрические сети, сверхбыстрые и энергоэффективные компьютерные чипы и сверхмощные магниты, которые можно использовать для левитации поездов и управления термоядерными реакторами.
В последние десятилетия исследователи разработали так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые необходимо охлаждать всего лишь до минус 10 градусов по Фаренгейту (минус 23 по Цельсию).
Несмотря на то, что с высокотемпературными сверхпроводниками работать проще, чем с традиционными, они все же требуют специального термического оборудования.
В дополнение к низким температурам, эти материалы требуют очень высокого давления, в 1,67 миллиона раз превышающего атмосферное давление в 14,6 фунтов на квадратный дюйм (1 бар).
Как следует из названия, сверхпроводники комнатной температуры не нуждаются в специальном оборудовании для их охлаждения.
Они действительно нуждаются в давлении, но только до уровня, который примерно в 10 000 раз превышает атмосферное давление.
Такое давление может быть достигнуто за счет использования прочных металлических корпусов.
Сверхпроводящая электроника относится к электронным устройствам и схемам, в которых используются сверхпроводящие материалы для достижения чрезвычайно высоких уровней производительности и энергоэффективности, которые на порядки выше, чем могут быть достигнуты с помощью современных полупроводниковых приборов и схем.
Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих материалах означает, что они могут выдерживать высокие электрические токи без каких-либо потерь энергии из-за сопротивления.
Такая эффективность делает сверхпроводники очень привлекательными для передачи энергии.
Например, поставщик коммунальных услуг Commonwealth Edison установил высокотемпературные сверхпроводящие линии электропередачи и продемонстрировал технологии для обеспечения электроэнергией северной части Чикаго в течение испытательного периода в один год.
По сравнению с обычной медной проволокой модернизированный сверхпроводящий провод может пропускать в 200 раз больший электрический ток.
Однако, затраты на поддержание низких температур и высоких давлений, необходимых для современных сверхпроводников, делают даже такое повышение эффективности в большинстве случаев непрактичным.
Поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, если к сверхпроводящему контуру приложить ток, ток будет сохраняться вечно, если контур не будет разорван. Это явление может быть использовано в различных областях применения для изготовления больших постоянных магнитов.
К слову, современные аппараты магнитно-резонансной томографии используют сверхпроводящие магниты для достижения напряженности магнитного поля в несколько тесла, что необходимо для получения точной визуализации.
Для сравнения, напряженность магнитного поля Земли, или плотность потока, составляет около 50 микротеслас. Магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом в аппарате магнитно-резонансной томографии 1,5 тесла, в 30 000 раз сильнее, чем поле, создаваемое Землей.
Сканер использует сверхпроводящий магнит для создания магнитного поля, которое выравнивает ядра водорода в теле пациента.
Этот процесс в сочетании с радиоволнами позволяет получить изображения тканей для МРТ-исследования. Сила магнита напрямую влияет на силу сигнала магнитно-резонансной томографии.
Аппарату магнитно-резонансной томографии 1,5 тесла требуется больше времени сканирования для получения четких изображений, чем аппарату 3,0 тесла.
Сверхпроводящие материалы излучают магнитные поля изнутри самих себя, что делает их мощными электромагнитами.
Эти супермагниты способны поднимать в воздух поезда.
Сверхпроводящие электромагниты генерируют магнитные поля силой 8,3 тесла, что более чем в 100 000 раз превышает магнитное поле Земли. Электромагниты используют ток в 11 080 ампер для создания поля, а сверхпроводящая катушка позволяет протекать большим токам без потери энергии. Сверхпроводящий поезд на магнитной подвеске «Яманаси» в Японии левитирует на 4 дюйма (10 сантиметров) над своей направляющей и движется со скоростью до 311 миль в час (500 км/ч).
Сверхпроводящие схемы также являются многообещающей технологией для квантовых вычислений, поскольку их можно использовать в качестве кубитов.
Кубиты — это базовые блоки квантовых процессоров, аналогичные транзисторам в классических компьютерах, но гораздо более мощные, чем они. Такие компании, как D-Wave Systems, Google и IBM, создали квантовые компьютеры, использующие сверхпроводящие кубиты.
Хотя сверхпроводящие схемы создают хорошие кубиты, они не лишены некоторых технологических проблем при создании квантовых компьютеров с большим количеством кубитов.
Ключевой проблемой является необходимость поддержания кубитов при очень низких температурах, что требует использования больших криогенных устройств.
Понятно, что сверхпроводники комнатной температуры устранили бы многие проблемы, связанные с высокой стоимостью эксплуатации схем и систем на основе сверхпроводников, и упростили бы их использование в полевых условиях.
Они позволили бы создавать сверхскоростные цифровые соединения для компьютеров следующего поколения и широкополосную беспроводную связь с низкой задержкой, чтобы люди могли пользоваться приборами визуализации с высоким разрешением и новыми датчиками для биомедицинских приложений и систем безопасности, анализа материалов и структур, а также радиоастрофизики дальнего космоса.
Наличие сверхпроводников комнатной температуры прямо отразилось бы на качестве и стоимость передовой медицинской техники: магнитно-резонансные томографы могли бы стать намного дешевле в эксплуатации, поскольку для них не требовался бы жидкий гелиевый хладагент, который является дорогостоящим и находится в дефиците.
В быту, электрические сети были бы по меньшей мере на 20% энергоэффективнее современных, что привело бы к экономии миллиардов долларов в год.
Поезда на магнитной подвеске могли бы перевозиться на большие расстояния с меньшими затратами. Компьютеры работали бы быстрее при на порядки меньшем энергопотреблении.
И квантовые компьютеры могли бы получить элементную базу на десятки кубитов, что позволило бы им решать задачи, которые далеко выходят за рамки возможностей самых мощных современных суперкомпьютеров.
Возможно ли реализовать это многообещающее будущее электроники, и как скоро, частично зависит от того, удастся ли проверить новый сверхпроводящий материал при комнатной температуре и можно ли его экономично производить массово.
Вот почему, работа ученых из Университета Рочестера привлекла внимание специалистов со всего мира.
Оригинал статьи здесь.
