🆘 😳 🚳 Opini Ahli: Superkonduktivitas Suhu Tinggi 🐸 😨 👨‍🎨

Untuk mengantisipasi laporan besar tentang laboratorium "Metamaterial Superkonduktor" , yang kami siapkan sesuai dengan hasil pemungutan suara umum , kami terus berbicara tentang superkonduktivitas.
Seminggu yang lalu, kami menerbitkan sebuah artikel oleh Alexei Basharin tentang "anapole" yang tidak memancar , setelah itu diskusi ilmiah yang sebenarnya dimulai dengan partisipasi penulis artikel tersebut. Artikel itu mengumpulkan lebih dari seratus komentar, banyak proposal yang diterima mengenai format materi yang disajikan dalam publikasi. Kami memperhitungkan semua keinginan dan menanyakan ilmuwan terkemuka K. B. Efetova menulis untuk kami pendapat ahli dalam format sains populer tentang superkonduktivitas suhu tinggi, untuk penemuan superkonduktivitas suhu tinggi cuprates, Hadiah Nobel dianugerahi sekitar 30 tahun yang lalu.

Konstantin Borisovich Efetov adalah Direktur Ilmiah proyek "Fenomena Kolektif dalam Materi Kuantum" NUST "MISiS" sebagai bagian dari hibah untuk mendukung penelitian dalam program TOP 5-100. K.B. Efetov adalah peninjau yang luar biasa dari American Physical Society, Direktur Institut Fisika Teoritis dari Universitas Ruhr Ketiga Bochum di Jerman, seorang anggota kehormatan American Physical Society , seorang peneliti terkemuka dari tiga proyek yang didanai oleh Kementerian Riset Ilmiah Jerman, penulis lebih dari 170 publikasi, pemenang French Blaise Pascal Prizedidirikan oleh pemerintah Prancis dan Landau-Weizman Research Award, yang didirikan oleh Weizmann Institute di Israel. Konstantin Efetov adalah "resensi yang luar biasa dari American Physical Society." Penghargaan ini diberikan atas kontribusinya yang terkenal untuk artikel yang diulas sejawat dalam jurnal seperti Physical Review Letters, Physical Review, Ulasan of Modern Physics, dan lainnya.

Sebuah magnet melayang di atas superkonduktor suhu tinggi yang didinginkan oleh nitrogen cair

Konstantin Borisovich Efetov,
Direktur Ilmiah proyek “Fenomena Kolektif dalam Materi Kuantum” HANYA “MISiS”

Superkonduktivitas adalah salah satu fenomena fisika kuantum yang paling indah. Itu ditemukan oleh fisikawan Belanda Kamerlingh-Onnes pada tahun 1911, yang belajar cara mendinginkan bahan menggunakan helium cair hingga suhu 1,5 K (-271,5 C). Mempelajari sifat listrik dari logam dingin, Kammerling-Onnes menemukan bahwa resistansi merkuri padat yang direndam dalam helium cair menghilang, dan dengan demikian konduktivitas menjadi tak terbatas. Properti ini disebut superkonduktivitas, dan Kammerling-Onnes menerima Hadiah Nobel pada tahun 1913.

Superkonduktivitas kemudian ditemukan di banyak logam, tetapi teori mikroskopis dari fenomena misterius ini hanya dibangun pada tahun 1957 oleh fisikawan Amerika Bardin, Cooper dan Schriffer (Bardeen, Cooper, Schrieffer), yang menerima Hadiah Nobel untuk pekerjaan ini pada tahun 1972.

Perlu disebutkan bahwa teori fenomenologis superkonduktivitas yang benar diajukan oleh fisikawan Soviet Ginzburg dan Landau pada tahun 1950. Fenomena menarik dalam superkonduktor diprediksi menggunakan teori Ginzburg-Landau oleh Alexei Abrikosov, ketiganya juga pemenang Hadiah Nobel. Penting untuk dicatat bahwa selama bertahun-tahun Abrikosov adalah kepala Departemen Fisika Teoritis di MISiS. Sekarang departemen ini disebut "Departemen Fisika Teoritis dan Teknologi Quantum", di mana saya bekerja dalam kerangka proyek "Top5-100".

Fakta bahwa butuh 46 tahun untuk menjelaskan superkonduktivitas bukanlah kebetulan. Fenomena ini ditemukan bahkan sebelum penciptaan mekanika kuantum dan tidak dapat dijelaskan dengan cara apa pun berdasarkan mekanika Newton klasik dan elektrodinamika Maxwell klasik. Teori superkonduktivitas didasarkan pada konsep kondensasi Bose-Einstein. Menurut konsep ini, partikel dengan bilangan bulat kuantum (boson) harus membentuk keadaan di mana semua partikel koheren (kondensat) atau, dengan kata lain, mereka merasakan satu sama lain di seluruh volume sistem. Pergerakan kondensat ini secara keseluruhan mengarah pada fakta bahwa kondensat tidak dihambat oleh berbagai ketidakmurnian atau ketidakhomogenan dalam logam, yang mengarah pada ketahanan nol.

Tampaknya ini adalah penjelasan superkonduktivitas? Tapi ini tidak benar.

Arus listrik dalam logam muncul karena pergerakan elektron, dan ini adalah partikel elementer dengan putaran satu detik. Tetapi partikel dengan putaran setengah bilangan bulat (fermion) tidak membentuk kondensat, dan tidak ada partikel bergerak lainnya dalam logam. Bagaimana kondensat dapat diperoleh? Ternyata dua elektron dengan putaran berlawanan dapat membentuk pasangan yang memiliki total putaran nol, dan pasangan ini sudah boson dan dapat membentuk kondensat Bose. Pasangan elektron semacam itu disebut pasangan Cooper (Cooper, salah satu pencipta teori superkonduktivitas, menciptakan mereka), dan kondensasi mereka mengarah ke fenomena superkonduktivitas. Tapi itu belum semuanya. Sangat mudah untuk membayangkan bahwa untuk pasangan elektron, ketertarikan mereka satu sama lain diperlukan. Tetapi diketahui dari elektrodinamika klasik bahwa dua partikel yang bermuatan sama mengusir,tidak tertarik.

Ada jalan keluar dari kontradiksi ini. Ternyata tarik-menarik antar elektron dapat terjadi melalui pertukaran fonon - getaran kuantum dari kisi atom logam, dan fakta ini telah memungkinkan untuk menyelesaikan konstruksi teori superkonduktivitas. Sekarang mudah untuk memahami mengapa 46 tahun telah berlalu antara penemuan fenomena superkonduktivitas dan penjelasannya. Setiap langkah dalam membangun teori adalah revolusioner, dan ada banyak langkah. Dan semua ini dilakukan untuk menjelaskan fenomena, yang dapat diamati di laboratorium kecil, ini tidak memerlukan akselerator kuat atau penerbangan ke luar angkasa.

Sekarang bayangkan bahwa mungkin saja membuat kawat dari bahan superkonduktor. Dalam hal ini, energi tidak akan hilang selama transmisi pada jarak berapa pun, dan mengapa tidak mencobanya?

Sayangnya, ada satu "tetapi" dalam hal ini: seperti yang telah kami sebutkan, superkonduktivitas muncul pada suhu yang sangat rendah, kawat superkonduktor seperti itu harus didinginkan dengan helium cair. Pada saat yang sama, pendinginan helium itu sendiri membutuhkan energi yang sangat tinggi (dan, dengan demikian, biaya), dan penggunaan kabel superkonduktor akan jauh lebih mahal daripada biaya kehilangan energi. Sangat mudah untuk memahami bahwa upaya yang cukup besar dalam studi lebih lanjut tentang sifat-sifat superkonduktor dihabiskan untuk mempelajari kemungkinan memperoleh superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi. Idealnya, tentu saja, saya ingin mendapatkan superkonduktivitas pada suhu "ruang" 300 K (27 C). Tetapi superkonduktor dengan suhu transisi di atas titik pencairan nitrogen (77 K) akan sangat membantu,karena produksi nitrogen cair jauh lebih murah daripada produksi helium cair.

Namun, berbagai upaya untuk mendapatkan superkonduktor dengan suhu setinggi itu tidak mengarah pada kesuksesan hingga pertengahan tahun delapan puluhan. Selain itu, perkiraan teoritis diberikan untuk model yang didasarkan pada mekanisme elektron-phonon dari pasangan elektron, suhu transisi tidak melebihi 25 K, yang tidak cukup untuk aplikasi industri.

, 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .

Saat ini, suhu transisi superkonduktor dalam cuprates mencapai 140 K (-137 C) . Itu masih jauh di bawah suhu kamar, tetapi sudah jauh di atas titik didih nitrogen. Keadaan terakhir telah menyebabkan aplikasi praktis superkonduktor suhu tinggi. Sudah ada perusahaan yang memproduksi kabel yang dilapisi dengan logam konvensional dengan "cuprate filling."

Namun demikian, pertanyaan tentang menciptakan superkonduktor pada suhu kamar tetap belum terpecahkan sejauh ini. Penghitungan sederhana dari berbagai senyawa kimia tidak terlihat seperti cara yang menjanjikan untuk mendapatkan superkonduktivitas pada suhu kamar, karena jumlah senyawa yang mungkin sangat besar. Akan jauh lebih masuk akal untuk memahami mengapa suhu transisi dalam cuprates jauh lebih tinggi daripada suhu yang sesuai pada logam "biasa".

Apakah pertukaran fonon merupakan alasan utama untuk memasangkan elektron dalam cuprates, seperti halnya pada logam biasa?

Untuk menjawab pertanyaan ini, sejumlah besar ahli teori dan peneliti melakukan penelitian untuk mempelajari mekanisme pembentukan superkonduktivitas dalam cuprates. Saat ini, sebagian besar ilmuwan percaya bahwa mekanisme fonon pasangan elektron tidak mungkin. Jumlah proposal yang diajukan saat ini sangat besar dan semuanya sulit didaftar. Secara alami, mereka semua menjanjikan suhu tinggi dari transisi superkonduktor. Tetapi apa yang perlu dilakukan untuk memilih satu mekanisme tunggal yang akan menjelaskan asal-usul superkonduktivitas, dan tindakan siapa yang dapat ditingkatkan dengan memeriksa dan mengubah senyawa kimia?

Tentu saja, perhitungan yang akurat dari suhu transisi untuk masing-masing senyawa cuprate dan untuk semua mekanisme yang diusulkan, dan perbandingan lebih lanjut dengan data eksperimen, dapat membantu untuk memilih mekanisme yang "benar". Sayangnya, metode ini menggunakan "kekuatan kasar" secara praktis tidak mungkin, karena tidak memiliki kekuatan yang cukup dari komputer yang ada di Bumi.

Seperti biasa, lebih baik untuk memikirkannya, ahli teori di seluruh dunia dan, khususnya, kelompok di NUST "MISiS", yang saya pimpin. Ide dasarnya adalah bahwa model yang wajar untuk superkonduktivitas seharusnya menjelaskan tidak hanya superkonduktivitas, tetapi juga sejumlah fenomena lain dalam cuprates. Ada banyak fenomena seperti itu di cuprates. Sebagai contoh, beberapa tahun yang lalu, keberadaan modulasi muatan elektronik ditemukan. Oleh karena itu, teori yang benar juga harus menjelaskan fenomena ini, yang secara signifikan mengurangi jumlah kandidat untuk peran mekanisme pasangan elektron. Bekerja pada masalah superkonduktivitas suhu tinggi, kita mulai dengan model elektron yang berinteraksi melalui pertukaran fluktuasi magnetisasi. Asumsi ini dapat dibenarkan oleh fakta bahwa cuprates, ketika didoping dengan atom oksigen, menjalani transisi logam normal-antiferromagnet.Superkonduktivitas hanya dapat muncul dalam keadaan logam, tetapi kedekatannya dengan antiferromagnet membuat asumsi pertukaran fluktuasi antiferromagnetik cukup memungkinkan.

— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

Dengan menggunakan asumsi ini, kami telah berhasil menjelaskan beberapa fenomena penting dalam cuprate, tetapi sepanjang waktu kami harus melacak data eksperimental baru yang memungkinkan kami untuk memperbaiki atau memperbaiki hasil teoritis yang diperoleh. Tampaknya bagi kita bahwa kita berada di jalur yang benar, dan pekerjaan kita akan membantu mengatasi fenomena yang diamati dalam cuprate. Setelah itu, sudah dimungkinkan untuk memikirkan arah mana yang harus digunakan untuk meningkatkan suhu transisi. Berkat kerja sama yang erat dengan para peneliti dari berbagai negara, tugas ini tampaknya tidak larut.

Opini Ahli: Superkonduktivitas Suhu Tinggi

Tampaknya ini adalah penjelasan superkonduktivitas? Tapi ini tidak benar.

Sekarang bayangkan bahwa mungkin saja membuat kawat dari bahan superkonduktor. Dalam hal ini, energi tidak akan hilang selama transmisi pada jarak berapa pun, dan mengapa tidak mencobanya?

Apakah pertukaran fonon merupakan alasan utama untuk memasangkan elektron dalam cuprates, seperti halnya pada logam biasa?

More articles: