263
Фізики зі швейцарського ETH Zurich створили надпровідні магніти, які вміщуються на долоні, але генерують поле у 42 тесла — рівень, раніше досяжний лише для споруд розміром із будівлю. Про відкриття, що може демократизувати доступ до потужних наукових інструментів, повідомляє журнал Nature, посилаючись на дослідження, опубліковане в Science Advances. Для порівняння: магнітне поле Землі складає близько 0,00005 тесла, тобто новий прилад потужніший за нашу планету більш ніж у 800 000 разів.
Що відомо коротко
- Команда ETH Zurich побудувала два компактних магніти зовнішнім діаметром лише 63 мм і внутрішнім отвором 3,1 мм — приблизно ширина олівця.
- Перший магніт із двома котушками досяг 38 тесла, другий із чотирма — 42,3 тесла.
- Попередній рекорд для всіх-надпровідникових магнітів становив 26 тесла — новий пристрій перевершив його більш ніж на 60%.
- Пристрій споживає менше одного вата — тоді як рекордний магніт Національної лабораторії у Флориді потребує понад 20 мегавт.
- Команда вже провела успішні NMR-експерименти всередині 3,1-міліметрового отвору, довівши придатність пристрою для реальних наукових вимірювань.
Що це за явище
Надпровідність — стан деяких матеріалів, за якого електричний опір зникає повністю при охолодженні до критичної температури. У таких умовах через матеріал можна пропустити величезний електричний струм без будь-яких втрат енергії. Саме це робить надпровідники ідеальним матеріалом для потужних магнітів: звичайний мідний дріт перегрівся б і розплавився задовго до досягнення подібних полів.
Дослідники використали так звані високотемпературні надпровідники (HTS) — матеріали, що зберігають надпровідні властивості при порівняно вищих температурах, ніж класичні надпровідники. Конкретно у цьому експерименті застосовувалась REBCO-стрічка — оксид рідкоземельного елемента, барію та міді. Ці матеріали дорожчі у виробництві, але дозволяють досягати значно вищих магнітних полів за значно менших розмірів. Схожий принцип — поєднання виняткової сили в надзвичайно малому об’ємі — лежить в основі магнетарів, нейтронних зірок із найсильнішими магнітними полями у Всесвіті.
Деталі відкриття
Дослідження опубліковане в журналі Science Advances командою Чукуна Гао з ETH Zurich. Головна технічна проблема полягала у намотуванні REBCO-стрічки навколо дуже малого отвору. Стандартні методи намотування вимагають щонайменше 14 міліметрів у діаметрі, щоб надпровідний шар не тріскався від надмірного вигину. Команда розробила особливу методику, за якою точка з’єднання між котушками виноситься назовні, а не всередину отвору, — це дозволяє зберегти цілісність стрічки навіть за такого малого радіусу вигину.
Додатково застосовано метод намотування без ізоляції з пайкою по всій котушці. Це підвищує як щільність струму, так і механічну міцність конструкції. В результаті досягнуто щільності струму до 2 257 ампер на квадратний міліметр — суттєво вище, ніж у більшості великих надпровідних систем. Об’єм котушок при цьому більш ніж у 1000 разів менший, ніж у порівнянних за потужністю систем.
Що показали нові вимірювання
Команда не обмежилась демонстрацією рекордних полів. Вчені провели справжні ядерно-магнітно-резонансні (ЯМР) вимірювання всередині 3,1-міліметрового отвору. ЯМР-спектроскопія — потужний метод дослідження молекулярних структур, який лежить і в основі медичного МРТ: чим сильніше магнітне поле, тим вища чутливість і роздільна здатність. Сьогодні проведення ЯМР-досліджень вище 28 тесла означає запис на час у одній із небагатьох національних лабораторій світу — процедура, доступна лише обраним науковим групам.
Пристрій розміром із кулак, що може відтворити подібне поле з витратою менше одного вата, здатен кардинально змінити цю ситуацію. Університетські лабораторії та дослідницькі лікарні, які не можуть дозволити собі будівництво мегаватних установок, отримають доступ до фізики, що раніше була привілеєм кількох установ на планеті. Дослідники також вказують на потенційне застосування у квантовому матеріалознавстві та в мікро-ЯМР-системах із котушками менше 1 міліметра в діаметрі.
Чому це важливо для науки
Демократизація наукового обладнання — рідкісний феномен. Зазвичай прогрес рухається у протилежному напрямку: прилади стають складнішими, дорожчими і доступнішими лише для найбільших центрів. Відкриття ETH Zurich потенційно ламає цей тренд у галузі магнітної фізики.
Порівняння виразне: рекордний магніт Національної лабораторії сильних магнітних полів у Флориді досягає 45,5 тесла, але потребує понад 20 мегавт потужності та багатомільйонної інфраструктури. Новий пристрій досягає 42,3 тесла, витрачаючи менше одного вата. Це приблизно те саме, що замінити вантажний потяг самокатом, який їздить з тією самою швидкістю. Крім того, магнітні поля такої інтенсивності відкривають нові горизонти для досліджень квантових матеріалів, в яких електрони поводяться несподіваним чином саме за екстремальних умов.
Команда визнає, що однорідність поля по всьому отвору залишається викликом — і це наступна мета. Патентна заявка на технологію вже подана.
Цікаві факти
- Поточний світовий рекорд стаціонарного магнітного поля — 45,5 тесла — встановлено в Національній лабораторії сильних магнітних полів у Флориді. Для його підтримання потрібно понад 20 мегавт безперервного живлення — більше, ніж споживає невелике місто.
- Стандартний апарат МРТ у лікарні працює на 1,5–3 тесла. Новий мініатюрний магніт ETH Zurich генерує поле, що в 14–28 разів перевершує потужність клінічного МРТ, — і при цьому вміщується в руці.
- REBCO-стрічка, використана у дослідженні, є одним із найперспективніших високотемпературних надпровідників: він зберігає надпровідні властивості при температурі до мінус 196°C, що дає змогу охолоджувати його рідким азотом замість набагато дорожчого рідкого гелію.
- ЯМР-спектроскопія стала однією з найважливіших аналітичних технологій у хімії і біохімії і лежить в основі МРТ-діагностики. Чутливість методу зростає пропорційно квадрату напруженості магнітного поля, тобто збільшення поля вдвічі дає вчетверо кращий сигнал.
FAQ
Що таке тесла і чому 42 тесла — це багато? Тесла — одиниця вимірювання магнітної індукції. Магнітне поле Землі становить близько 0,00005 тесла. Звичайний магніт на холодильнику — близько 0,01 тесла. МРТ-апарат у лікарні — 1,5–3 тесла. Досягти 42 тесла раніше можна було лише у спеціалізованих установках, які займають цілий поверх будівлі і споживають мегавати енергії.
Як працює надпровідний магніт? При охолодженні до певної температури деякі матеріали втрачають електричний опір. Струм у таких котушках тече без втрат, що дозволяє нарощувати щільність до неможливих для звичайних провідників значень. Саме висока щільність струму в котушці і створює потужне магнітне поле.
Де можна буде застосувати цей магніт? Насамперед — у ЯМР-спектроскопії та дослідженнях квантових матеріалів. Але перспективи ширші: компактні потужні магніти потрібні для нових типів прискорювачів частинок, медичних сканерів нового покоління та систем зберігання енергії на основі надпровідності.
WOW-факт: Новий мініатюрний магніт ETH Zurich витрачає менше одного вата — тобто він приблизно у 20 000 000 разів економніший за рекордний магніт у Флориді при порівнянній потужності поля. Якби автомобіль мав такий самий коефіцієнт ефективності, він міг би об’їхати навколо Землі на одному літрі бензину.
Магніт розміром із олівець перевершив гігантські установки з’явилася спочатку на Цікавості.
