Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χιούστον κατέρριψαν το παγκόσμιο ρεκόρ υπεραγωγιμότητας σε κανονική πίεση, επιτυγχάνοντας θερμοκρασία μετάβασης 151 Κέλβιν (περίπου -122°C) — ένα επίτευγμα που έσπασε το προηγούμενο ρεκόρ που διατηρούνταν για περισσότερα από 30 χρόνια.
Η ανακάλυψη προέρχεται από το Texas Center for Superconductivity (TcSUH) και το τμήμα φυσικής του πανεπιστημίου, υπό την καθοδήγηση των φυσικών Ching-Wu Chu και Liangzi Deng. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences.
Γιατί έχει σημασία η υπεραγωγιμότητα
Τα υπεραγώγιμα υλικά επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει χωρίς καμία αντίσταση. Επειδή δεν χάνεται ενέργεια υπό μορφή θερμότητας, μπορούν να βελτιώσουν δραματικά την απόδοση των ηλεκτρικών συστημάτων. Οι επιστήμονες θεωρούν τα υπεραγώγιμα κρίσιμα για τεχνολογίες όπως η μαγνητική τομογραφία (MRI), οι αντιδραστήρες σύντηξης, οι κβαντικές τεχνολογίες και τα υπερταχέα ηλεκτρονικά.
«Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο χάνει περίπου το 8% της ηλεκτρικής ενέργειας», δήλωσε ο Τσου, καθηγητής φυσικής και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Αν εξοικονομήσουμε αυτή την ενέργεια, μιλάμε για δισεκατομμύρια δολάρια σε εξοικονόμηση, ενώ παράλληλα μειώνουμε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις».
Η πρόκληση είναι ότι τα περισσότερα υπεραγώγιμα υλικά λειτουργούν μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, απαιτώντας ακριβά συστήματα ψύξης που περιορίζουν την ευρεία χρήση τους.
Νέο ρεκόρ σπάει φράγμα δεκαετιών
Οι ερευνητές πέρασαν δεκαετίες αναζητώντας υλικά με ολοένα υψηλότερες θερμοκρασίες μετάβασης. Ένα σημαντικό ορόσημο ήρθε το 1987, όταν ο Τσου και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι ένα υλικό γνωστό ως YBCO μπορούσε να γίνει υπεραγώγιμο στους -180°C (93 Κ). Αυτή η ανακάλυψη πυροδότησε έναν παγκόσμιο αγώνα για την ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.
Το 1993, επιστήμονες ανακάλυψαν ένα κεραμικό με βάση τον υδράργυρο, το Hg1223, που έφτανε σε υπεραγωγιμότητα στους -140°C (133 Κ). Αυτό το υλικό κράτησε το ρεκόρ σε κανονική πίεση για περισσότερα από 30 χρόνια. Το νέο επίτευγμα του Χιούστον το ξεπερνά κατά 18 βαθμούς Κελσίου, φτάνοντας τους 151 Κ.
Pressure Quenching: Η τεχνική που άλλαξε το παιχνίδι
Η ανακάλυψη βασίστηκε σε μια διαδικασία γνωστή ως «pressure quenching» (απόσβεση πίεσης). Αν και οι τεχνικές πίεσης χρησιμοποιούνται ευρέως σε άλλους τομείς, όπως η παραγωγή διαμαντιών, η μέθοδος είναι σχετικά νέα στην έρευνα υπεραγωγιμότητας.
Οι ερευνητές υπέβαλαν πρώτα το υλικό σε εξαιρετικά υψηλή πίεση, ενισχύοντας τη συμπεριφορά υπεραγωγιμότητάς του και αυξάνοντας τη θερμοκρασία μετάβασης. Υπό πίεση, το υλικό ψύχθηκε σε μια προσεκτικά επιλεγμένη θερμοκρασία, πριν η πίεση αφαιρεθεί απότομα. Αυτή η ταχεία απελευθέρωση διατήρησε ουσιαστικά τις ενισχυμένες υπεραγώγιμες ιδιότητες, επιτρέποντας στο υλικό να παραμείνει σταθερό ακόμα και μετά την επιστροφή σε κανονικές συνθήκες πίεσης.
«Άλλοι ερευνητές έχουν δείξει ότι η επίτευξη υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου υπό πίεση είναι εφικτή», είπε ο Τσου. «Η μέθοδός μας δείχνει ότι είναι δυνατό να διατηρηθεί αυτή η κατάσταση χωρίς να διατηρείται η πίεση».
Ένα βήμα προς τους υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου
Παρόλο που η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου και κανονική πίεση παραμένει άπιαστη — η θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου 300 Κ, αφήνοντας ένα χάσμα περίπου 149 βαθμών από το νέο ρεκόρ — οι ερευνητές θεωρούν την επίτευξη αυτή σημαντική πρόοδο προς αυτόν τον στόχο.
«Αυτό το εύρημα έχει μεγάλες δυνατότητες», δήλωσε ο Τσου. «Πιστεύουμε ότι, με αρκετό κόσμο να εργάζεται πάνω σε αυτό και με αρκετό χρόνο, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε αυτή τη δυνατότητα».
Οι επιπτώσεις ενός πρακτικού υπεραγωγού θερμοκρασίας δωματίου θα ήταν επαναστατικές: δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες, τρένα μαγνητικής αιώρησης, ταχύτεροι και αποδοτικότεροι υπολογιστές, και πρωτοφανείς δυνατότητες στην ιατρική απεικόνιση και την έρευνα σύντηξης.
Η χρηματοδότηση για την έρευνα προήλθε από την Intellectual Ventures, την πολιτεία του Τέξας μέσω του TcSUH και διάφορα ιδρύματα.