Список из десяти самых важных научных открытий прошедшего года. Сразу скажем, что этот список отражает мнение экспертов, привлеченных журналом, и часто субъективен. Впрочем, на этот раз в Топ-10 был пункт, по поводу которого специалисты оказались на редкость единодушны.
Это открытие нового класса сверхпроводников на основе железа, сделанное учеными из Токийского технологического института. Воодушевленные их примером, исследователи из множества лабораторий мира тут же бросились на поиски подобных материалов - и немало уже нашли. Судя по всему, мы являемся свидетелями наступления нового "железного века" - века высокотемпературных сверхпроводников.
В чем суть революционного открытия? Сверхпроводимость сама по себе имеет давнюю историю. Все началось в 1908 году, когда голландский физик Камерлинг-Оннес сумел получить жидкий гелий - газ, упорно сопротивлявшийся попыткам ученых перевести его в жидкость. Но при температуре адского холода в 4,2 Кельвина (это –269 градусов Цельсия), то есть почти при абсолютном нуле, гелий все же сдался. Будучи единственным на Земле обладателем этой жидкости, Камерлинг-Оннес немедленно начал проводить с ней самые различные эксперименты. И уже в 1911 году сделал удивительное, поистине феноменальное открытие - погруженная в жидкий гелий ртуть полностью теряла электрическое сопротивление. Из точки А в точку Б, где бы ни находились эти точки, электрический ток по "проводам" из ртути в жидком гелии приходил без потерь.
Известие о новом свойстве было принято с энтузиазмом. Это неудивительно: при передаче электроэнергии на расстояния сейчас теряется значительное ее количество, в некоторых случаях до четверти и даже трети. И если бы удалось ликвидировать эти потери, а также разработать сверхэкономичные электрические устройства на сверхпроводниках, то вопрос дефицита энергии еще долго не стоял бы перед человечеством. Казалось бы, проблема была решена еще в 1911 оду. Принципиально - да, но практически лишь в некоторых весьма специфических случаях. Ведь передавать электрическую энергию по проводам из ртути, погруженной в жидкий гелий, невозможно. Именно это стало препятствием широкому распространению сверхпроводимости. Однако исследователи не оставили попыток найти открытию практическое применение.
Сотни ученых перебрали тысячи металлов, которые переходили бы в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре - хотя бы уже не в жидком гелии, а в дешевом жидком азоте (с температурой кипения –77,4 °С). Очень долго ничего не выходило, удалось достигнуть температуры перехода лишь 23,2 К на соединении ниобия и германия. Выяснилось, что из таких соединений уже можно сделать проводник и лишить его сопротивления, погрузив в жидкий гелий. На знаменитом Большом адронном коллайдере под Женевой витки сверхпроводящих магнитов изготовлены из соединения ниобия и титана. Кстати, знаменитая авария 19 сентября прошлого года, из-за которой проект был временно приостановлен, произошла именно из-за выброса шести тонн жидкого гелия, охлаждающего магниты.
В 1986 году случилось второе великое открытие в области сверхпроводимости. Ученые Беднорц и Мюллер на базе цюрихской исследовательской лаборатории обнаружили, что у керамики - сложного соединения оксидов лантана, бария и меди - температура перехода в состояние сверхпроводимости составляет 30 К (–243 °С). Несмотря на небольшое превышение предыдущего рекорда, это была революция - сверхпроводящие свойства открыли не у металлов, а у керамики, которая традиционно считается диэлектриком. Тогда же было доказано, что сверхпроводящие свойства веществу придают слои оксида меди CuO. Уже в следующем году Беднорц и Мюллер получили за свое открытие Нобелевскую премию, что само по себе уникально. Обычно такие награды дают ой как не сразу! Тут стоит заметить, что еще в 1978 году аналогичные оксиды были синтезированы в СССР, причем наши исследователи догадались испытать их на электрическую проводимость, но довели дело только до температуры жидкого азота и сверхпроводимости не нашли. Говорят, что жидкого гелия у них просто не было…
Дальше сверхпроводники посыпались, как из керамической сахарницы. Уже в 1987 году был преодолен "азотный" барьер, и вскоре на прилавках появились школьные наборы для демонстрации высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Собственно говоря, именно тогда и возник этот термин. А сам опыт очень красив - кусочек металла парит в воздухе над сверхпроводником, погруженным в жидкий азот. Этот эффект Мейснера (левитации) объясняется особыми свойствами ВТСП и назван "гробом Мухаммеда" - по преданию, гроб с телом мусульманского пророка висел в воздухе без поддержки. Так даже школьники могли познакомиться с экзотическими способами использования сверхпроводников - например, поезда на сверхпроводящих магнитах в состоянии буквально летать над землей, как Гарри Поттер во время игры в квиддич, и даже метла этим поездам не потребуется.
В 1988 году сначала было получено соединение с температурой повыше: 108 К, затем и 125 К. Лет пятнадцать назад российские ученые на соединениях ртути достигли сверхпроводимости при температуре 135 К, а при повышенном давлении даже 164 К. Последние успехи - на оксидах с добавками олова и индия достигнут новый результат: 212 К (–61 °С). Впрочем, эти данные носят предварительный характер, и вообще изготовить реальный провод не из металла довольно сложно.
Так почему же вызвали такой огромный интерес у научной общественности именно сверхпроводники на основе железа, открытые японскими учеными Иоити Камихарой, Такуми Ватанабэ и другими, синтезировавшими оксидное соединение LaO1-xFxFeAs, переходящее в сверхпроводящее состояние при температуре "всего" 26 К? Кстати, вскоре китайские исследователи Чжи Рэн, Вэй Лу и другие из Национальной лаборатории сверхпроводимости Института физики Китайской академии наук получили сверхпроводник SmO1-xFxFeAs, имевший температуру сверхпроводимости 55 К. Заменив элемент самарий на родственный ему гадолиний и введя в керамику элемент торий, специалисты физического факультета университета Ханчжоу довели температуру сверхпроводимости до 56 К. Великолепное достижение, но все равно это намного меньше, чем температура перехода у известных ВТСП. В чем же дело?
Прежде всего в том, что это первые некупратные сверхпроводники: в их составе нет меди (латинское название меди - Cuprum), а значит, это действительно совершенно новый класс сверхпроводящей керамики. Впрочем, не просто из-за отсутствия меди "железные" сверхпроводники вызвали такой огромный интерес ученых. Железо - ферромагнетик и обладает свойством самопроизвольно намагничиваться. Поэтому-то из него изготавливают школьные и огромные промышленные магниты. При протекании тока по сверхпроводнику, как известно из той же школьной программы, возникает магнитное поле и железо намагничивается. Однако магнетизм и сверхпроводимость "не дружат", и при некотором значении напряженности поля сверхпроводимость исчезает. Так что при обычном давлении железо никогда не становится сверхпроводником - заставить железо перестать сопротивляться току удается только при давлении около 15 тысяч атмосфер. А у новых веществ сверхпроводимость почему-то не исчезает: вот это и открывает широкие перспективы. "Природу высокотемпературной проводимости мы до сих пор до конца не понимаем, - говорит главный научный сотрудник Института химической физики имени Н. Н. Семенова Андрей Лундин. - И появление нового класса веществ позволит понять причины возникновения сверхпроводимости и вести направленный синтез необходимых соединений".
Кстати, несколько лет назад сверхпроводимость была обнаружена не у сложных смешанных оксидов, а у вещества очень простого строения - диборида магния MgB2, причем температура сверхпроводимости была довольно велика: 39 К. Этот факт поразил исследователей, ведь диборид магния является обычным лабораторным веществом, его можно просто "снять с полки". Но вот в конце прошлого года снова китайские ученые, но уже с Тайваня (Фонг Су Чи и другие из Национального университета нового Китая), обнаружили сверхпроводящие свойства у совсем простого соединения железа FeSe (селенид железа). Больше того, выяснилось, что сверхпроводниками могут быть все соединения этого металла не только с селеном, но и с теллуром, серой и - страшно подумать! - просто с кислородом. Почему страшно? Скорее поразительно и даже отдает мистикой. Если сверхпроводимость будет обнаружена у оксидов железа, да еще и высокотемпературная, а вдруг и вообще при комнатной температуре, опять придется вспомнить про "гроб Мухаммеда". Ведь оксиды железа - это обычная железная руда, встречающаяся в количестве миллиардов тонн повсюду на нашей планете. Неужели все эти сказки основаны на каких-то реальных историях, связанных с естественной, природной сверхпроводимостью? Например, настоящий гроб Мухаммеда находится в Медине на Аравийском полуострове. Нет ли там месторождений сверхпроводящей железной руды?
В чем суть революционного открытия? Сверхпроводимость сама по себе имеет давнюю историю. Все началось в 1908 году, когда голландский физик Камерлинг-Оннес сумел получить жидкий гелий - газ, упорно сопротивлявшийся попыткам ученых перевести его в жидкость. Но при температуре адского холода в 4,2 Кельвина (это –269 градусов Цельсия), то есть почти при абсолютном нуле, гелий все же сдался. Будучи единственным на Земле обладателем этой жидкости, Камерлинг-Оннес немедленно начал проводить с ней самые различные эксперименты. И уже в 1911 году сделал удивительное, поистине феноменальное открытие - погруженная в жидкий гелий ртуть полностью теряла электрическое сопротивление. Из точки А в точку Б, где бы ни находились эти точки, электрический ток по "проводам" из ртути в жидком гелии приходил без потерь.
Известие о новом свойстве было принято с энтузиазмом. Это неудивительно: при передаче электроэнергии на расстояния сейчас теряется значительное ее количество, в некоторых случаях до четверти и даже трети. И если бы удалось ликвидировать эти потери, а также разработать сверхэкономичные электрические устройства на сверхпроводниках, то вопрос дефицита энергии еще долго не стоял бы перед человечеством. Казалось бы, проблема была решена еще в 1911 оду. Принципиально - да, но практически лишь в некоторых весьма специфических случаях. Ведь передавать электрическую энергию по проводам из ртути, погруженной в жидкий гелий, невозможно. Именно это стало препятствием широкому распространению сверхпроводимости. Однако исследователи не оставили попыток найти открытию практическое применение.
Сотни ученых перебрали тысячи металлов, которые переходили бы в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре - хотя бы уже не в жидком гелии, а в дешевом жидком азоте (с температурой кипения –77,4 °С). Очень долго ничего не выходило, удалось достигнуть температуры перехода лишь 23,2 К на соединении ниобия и германия. Выяснилось, что из таких соединений уже можно сделать проводник и лишить его сопротивления, погрузив в жидкий гелий. На знаменитом Большом адронном коллайдере под Женевой витки сверхпроводящих магнитов изготовлены из соединения ниобия и титана. Кстати, знаменитая авария 19 сентября прошлого года, из-за которой проект был временно приостановлен, произошла именно из-за выброса шести тонн жидкого гелия, охлаждающего магниты.
В 1986 году случилось второе великое открытие в области сверхпроводимости. Ученые Беднорц и Мюллер на базе цюрихской исследовательской лаборатории обнаружили, что у керамики - сложного соединения оксидов лантана, бария и меди - температура перехода в состояние сверхпроводимости составляет 30 К (–243 °С). Несмотря на небольшое превышение предыдущего рекорда, это была революция - сверхпроводящие свойства открыли не у металлов, а у керамики, которая традиционно считается диэлектриком. Тогда же было доказано, что сверхпроводящие свойства веществу придают слои оксида меди CuO. Уже в следующем году Беднорц и Мюллер получили за свое открытие Нобелевскую премию, что само по себе уникально. Обычно такие награды дают ой как не сразу! Тут стоит заметить, что еще в 1978 году аналогичные оксиды были синтезированы в СССР, причем наши исследователи догадались испытать их на электрическую проводимость, но довели дело только до температуры жидкого азота и сверхпроводимости не нашли. Говорят, что жидкого гелия у них просто не было…
Дальше сверхпроводники посыпались, как из керамической сахарницы. Уже в 1987 году был преодолен "азотный" барьер, и вскоре на прилавках появились школьные наборы для демонстрации высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Собственно говоря, именно тогда и возник этот термин. А сам опыт очень красив - кусочек металла парит в воздухе над сверхпроводником, погруженным в жидкий азот. Этот эффект Мейснера (левитации) объясняется особыми свойствами ВТСП и назван "гробом Мухаммеда" - по преданию, гроб с телом мусульманского пророка висел в воздухе без поддержки. Так даже школьники могли познакомиться с экзотическими способами использования сверхпроводников - например, поезда на сверхпроводящих магнитах в состоянии буквально летать над землей, как Гарри Поттер во время игры в квиддич, и даже метла этим поездам не потребуется.
В 1988 году сначала было получено соединение с температурой повыше: 108 К, затем и 125 К. Лет пятнадцать назад российские ученые на соединениях ртути достигли сверхпроводимости при температуре 135 К, а при повышенном давлении даже 164 К. Последние успехи - на оксидах с добавками олова и индия достигнут новый результат: 212 К (–61 °С). Впрочем, эти данные носят предварительный характер, и вообще изготовить реальный провод не из металла довольно сложно.
Так почему же вызвали такой огромный интерес у научной общественности именно сверхпроводники на основе железа, открытые японскими учеными Иоити Камихарой, Такуми Ватанабэ и другими, синтезировавшими оксидное соединение LaO1-xFxFeAs, переходящее в сверхпроводящее состояние при температуре "всего" 26 К? Кстати, вскоре китайские исследователи Чжи Рэн, Вэй Лу и другие из Национальной лаборатории сверхпроводимости Института физики Китайской академии наук получили сверхпроводник SmO1-xFxFeAs, имевший температуру сверхпроводимости 55 К. Заменив элемент самарий на родственный ему гадолиний и введя в керамику элемент торий, специалисты физического факультета университета Ханчжоу довели температуру сверхпроводимости до 56 К. Великолепное достижение, но все равно это намного меньше, чем температура перехода у известных ВТСП. В чем же дело?
Прежде всего в том, что это первые некупратные сверхпроводники: в их составе нет меди (латинское название меди - Cuprum), а значит, это действительно совершенно новый класс сверхпроводящей керамики. Впрочем, не просто из-за отсутствия меди "железные" сверхпроводники вызвали такой огромный интерес ученых. Железо - ферромагнетик и обладает свойством самопроизвольно намагничиваться. Поэтому-то из него изготавливают школьные и огромные промышленные магниты. При протекании тока по сверхпроводнику, как известно из той же школьной программы, возникает магнитное поле и железо намагничивается. Однако магнетизм и сверхпроводимость "не дружат", и при некотором значении напряженности поля сверхпроводимость исчезает. Так что при обычном давлении железо никогда не становится сверхпроводником - заставить железо перестать сопротивляться току удается только при давлении около 15 тысяч атмосфер. А у новых веществ сверхпроводимость почему-то не исчезает: вот это и открывает широкие перспективы. "Природу высокотемпературной проводимости мы до сих пор до конца не понимаем, - говорит главный научный сотрудник Института химической физики имени Н. Н. Семенова Андрей Лундин. - И появление нового класса веществ позволит понять причины возникновения сверхпроводимости и вести направленный синтез необходимых соединений".
Кстати, несколько лет назад сверхпроводимость была обнаружена не у сложных смешанных оксидов, а у вещества очень простого строения - диборида магния MgB2, причем температура сверхпроводимости была довольно велика: 39 К. Этот факт поразил исследователей, ведь диборид магния является обычным лабораторным веществом, его можно просто "снять с полки". Но вот в конце прошлого года снова китайские ученые, но уже с Тайваня (Фонг Су Чи и другие из Национального университета нового Китая), обнаружили сверхпроводящие свойства у совсем простого соединения железа FeSe (селенид железа). Больше того, выяснилось, что сверхпроводниками могут быть все соединения этого металла не только с селеном, но и с теллуром, серой и - страшно подумать! - просто с кислородом. Почему страшно? Скорее поразительно и даже отдает мистикой. Если сверхпроводимость будет обнаружена у оксидов железа, да еще и высокотемпературная, а вдруг и вообще при комнатной температуре, опять придется вспомнить про "гроб Мухаммеда". Ведь оксиды железа - это обычная железная руда, встречающаяся в количестве миллиардов тонн повсюду на нашей планете. Неужели все эти сказки основаны на каких-то реальных историях, связанных с естественной, природной сверхпроводимостью? Например, настоящий гроб Мухаммеда находится в Медине на Аравийском полуострове. Нет ли там месторождений сверхпроводящей железной руды?
Обсуждения Важные научные открытия