Первый пример сверхпроводимости в классе органических полимеров, который проще в производстве и дешевле в эксплуатации.

Анант Додабалапур (справа, вместе с Кристиной Клок и Женаном Бао), сотрудник Bell Labs, считает, что сверхпроводники найдут применение в квантовых компьютерах, что в конечном итоге должно привести к более производительным вычислениям

Недавно открытый сверхпроводящий пластик мог бы стать относительно недорогим и простым в производстве дополнением к уже существующим сверхпроводникам. Но, к сожалению, по мнению экспертов, наладить выпуск подобных материалов удастся еще не скоро.

«Хочется верить, что наступит день, когда пластиковый сверхпроводник, полученный исследователями Bell Labs, найдет применение в телекоммуникационном оборудовании, в коммунальных службах, на транспорте, в квантовых вычислениях, в сверхпроводящих электронных устройствах, — заметил директор Центра исследований сверхпроводимости Университета штата Мэриленд Ричард Грин. — Сверхпроводники, изготавливаемые на основе органических полимеров (например, из пластика), обещают быть дешевле в производстве и проще в использовании по сравнению с существующими сверхпроводниками, которые изготавливаются из чистых металлов и керамики».

«Это первый пример сверхпроводимости в данном классе материалов, — подчеркнул нобелевский лауреат и профессор Калифорнийского университета Алан Хигер. — Теперь, когда у нас уже имеется эффективно действующий опытный образец и появились первые достижения, можно попытаться понять, что нужно сделать на молекулярном уровне для увеличения показателей проводимости».

«Нынешний прорыв связан с преодолением целого ряда очень сложных физических и технологических барьеров», — отметил Грин.

Сверхпроводниками называются материалы, коэффициент сопротивления которых при сверхнизких температурах падает практически до нуля. Когда по сверхпроводнику идет ток, тепло не выделяется и не происходит никаких энергетических потерь.

Электрические провода, трансформаторы и двигатели, будучи сделаны из подобных материалов, обладали бы гораздо более высокой эффективностью по сравнению с другими проводниками электричества.

Очень холодное начало

Явление сверхпроводимости впервые было продемонстрировано в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлингом Оннесом, охладившим ртуть при помощи жидкого гелия до 4°К (-269°C). Электрическое сопротивление металла оказалось практически равным нулю при температуре лишь несколько градусов выше абсолютного нуля.

В дальнейшем ученым удалось создать материалы, обладающие эффектом сверхпроводимости при температуре около 92°К. В качестве охлаждающего реагента использовался жидкий азот. Их коммерческая жизнеспособность оказалась гораздо выше, чем у материалов, охлаждаемых с помощью жидкого гелия.

Сегодня высокотемпературные сверхпроводники используются в целом ряде различных областей, начиная от исследовательских приборов, использующих явление магнитного резонанса, и заканчивая поездами на магнитной подвеске.

Сверхпроводящие материалы позволяют экономить электроэнергию на миллиарды долларов за счет использования новых линий высокого напряжения, проведения реакции ядерного синтеза, электрических генераторов и двигателей.

«Одним из будущих применений данной технологии являются квантовые компьютеры», — заметил сотрудник Bell Labs Анант Додабалапур, принимавший участие в проекте сверхпроводящего пластика.

В отличие от обычных основу квантовых компьютеров образуют логические системы, базирующиеся на обработке ячеек данных, которые могут представлять не только нули и единицы, но и их разнообразные «суперпозиции».

В результате скорость вычислений на определенном типе задач заметно возрастет. Ведь в современных логических схемах минимальным информационным элементом может быть либо ноль, либо единица.

«Все это ведет к новым методам построения электронных схем, — пояснил Додабалапур. — Весьма интересным представляется сочетание обычных и ?квантовых? вычислений с использованием полимерных материалов».

Прорыв в Bell Labs стал возможен благодаря двадцатилетним поискам органических материалов, обладающих свойством сверхпроводимости.

Одно из важных преимуществ органических полимеров над другими сверхпроводящими материалами заключается в том, что они гораздо более эластичны в сравнении с хрупкими металлами и керамикой. Их проще изготовить, они обходятся значительно дешевле.

Исследователям давно известна способность некоторых органических полимеров хорошо проводить электричество, но до последних месяцев создать сверхпроводник из пластика никому не удавалось. Основные трудности здесь обусловлены тем, что полимеры имеют молекулярную структуру, которая препятствует взаимодействию электронов, необходимому для сверхпроводимости.

Упорядоченные молекулы

Чтобы получить сверхпроводящий пластик, ученые из Bell Labs трансформировали его внутреннюю структуру. В результате молекулы полимера выстроились одна напротив другой. Вместо использования химических добавок, часто применяемых для изменения свойств электрической проводимости, ученые сделали ставку на новую технологию, позволяющую удалять электроны из материала, который называется политиофен.

«Но к коммерческому применению пластик будет готов еще не скоро, — подчеркнул Грин. — Дело в том, что температура, при которой политиофен стал сверхпроводником, была очень низкой — около 3?К. Охладить материал до такой температуры сейчас крайне сложно, поэтому речи о каком-либо коммерческом его использовании пока не идет».

Чтобы перевести свое открытие в практическую плоскость, ученым нужно обеспечить сверхпроводимость полимеров при гораздо более высоких температурах.

«Если сверхпроводник удастся получить при комнатной температуре, это действительно будет величайшим достижением, — заметил Грин. — Но такое, по всей видимости, произойдет не ранее чем через десять лет упорного труда».

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями