Hva om ... vi får høytemperatursuperledere? Bindinger av håp

Tapsfrie overføringslinjer, lavtemperaturelektroteknikk, superelektromagneter, til slutt skånsomt komprimering av millioner av grader plasma i termonukleære reaktorer, en stillegående og rask maglevskinne. Vi har så mange forhåpninger til superledere...

Superledningsevne den materielle tilstanden null elektrisk motstand kalles. Dette oppnås i enkelte materialer ved svært lave temperaturer. Han oppdaget dette kvantefenomenet Kamerling Onnes (1) i kvikksølv, i 1911. Klassisk fysikk klarer ikke å beskrive det. I tillegg til null motstand, er en annen viktig egenskap ved superledere skyve magnetfeltet ut av volumetden såkalte Meissner-effekten (i type I-superledere) eller fokuseringen av magnetfeltet til "virvler" (i type II-superledere).

De fleste superledere fungerer bare ved temperaturer nær absolutt null. Det er rapportert å være 0 Kelvin (-273,15 °C). Bevegelsen av atomer ved denne temperaturen er det nesten ikke-eksisterende. Dette er nøkkelen til superledere. Som vanlig elektroner beveger seg i lederen kolliderer med andre vibrerende atomer, forårsaker energitap og motstand. Imidlertid vet vi at superledning er mulig ved høyere temperaturer. Gradvis oppdager vi materialer som viser denne effekten ved lavere minus Celsius, og nylig til og med ved pluss. Imidlertid er dette igjen vanligvis forbundet med påføring av ekstremt høyt trykk. Den største drømmen er å lage denne teknologien i romtemperatur uten gigantisk trykk.

Det fysiske grunnlaget for utseendet til tilstanden av superledning er dannelse av par med lastfangere - den såkalte Cooper. Slike par kan oppstå som et resultat av foreningen av to elektroner med lignende energier. Fermi energi, dvs. den minste energien som energien til et fermionisk system vil øke med etter tilsetning av ett element til, selv når energien til interaksjonen som binder dem er veldig liten. Dette endrer de elektriske egenskapene til materialet, siden enkeltbærerne er fermioner og parene er bosoner.

Samarbeide derfor er det et system av to fermioner (for eksempel elektroner) som samhandler med hverandre gjennom vibrasjoner av krystallgitteret, kalt fononer. Fenomenet er beskrevet Leona samarbeider i 1956 og er en del av BCS-teorien om lavtemperatursuperledning. Fermionene som utgjør Cooper-paret har halve spinn (som er rettet i motsatte retninger), men det resulterende spinnet av systemet er fullt, det vil si at Cooper-paret er en boson.

Superledere ved visse temperaturer er noen grunnstoffer, for eksempel kadmium, tinn, aluminium, iridium, platina, andre går over i superledningstilstanden bare ved svært høyt trykk (for eksempel oksygen, fosfor, svovel, germanium, litium) eller i form av tynne lag (wolfram, beryllium, krom), og noen er kanskje ikke superledende ennå, for eksempel sølv, kobber, gull, edelgasser, hydrogen, selv om gull, sølv og kobber er blant de beste lederne ved romtemperatur.

"Høy temperatur" krever fortsatt svært lave temperaturer

I 1964 år William A. Little antydet muligheten for eksistensen av høytemperatursuperledning i organiske polymerer. Dette forslaget er basert på eksitonmediert elektronparing i motsetning til fononmediert paring i BCS-teori. Begrepet "høytemperatursuperledere" har blitt brukt for å beskrive en ny familie av perovskittstrukturert keramikk oppdaget av Johannes G. Bednorz og C.A. Müller i 1986, som de mottok Nobelprisen for. Disse nye keramiske superlederne (2) ble laget av kobber og oksygen blandet med andre grunnstoffer som lantan, barium og vismut.

2. Keramisk plate som svever over kraftige magneter

Fra vårt synspunkt var "høytemperatur"-superledning fortsatt svært lav. For normale trykk var grensen -140°C, og selv slike superledere ble kalt "høytemperatur". Superledningstemperaturen på -70°C for hydrogensulfid er nådd ved ekstremt høye trykk. Imidlertid krever høytemperatur-superledere relativt billig flytende nitrogen i stedet for flytende helium for avkjøling, noe som er avgjørende.

På den annen side er det stort sett sprø keramikk, lite praktisk for bruk i elektriske anlegg.

Forskere tror fortsatt at det er et bedre alternativ som venter på å bli oppdaget, et fantastisk nytt materiale som vil oppfylle kriterier som f.eks. superledning ved romtemperaturrimelig og praktisk å bruke. Noe forskning har fokusert på kobber, en kompleks krystall som inneholder lag av kobber og oksygenatomer. Forskning fortsetter på noen unormale, men vitenskapelig uforklarlige rapporter om at vannvåt grafitt kan fungere som en superleder ved romtemperatur.

De siste årene har vært en veritabel strøm av «revolusjoner», «gjennombrudd» og «nye kapitler» innen superledning ved høyere temperaturer. I oktober 2020 ble det rapportert om superledning ved romtemperatur (ved 15°C). karbondisulfidhydrid (3), imidlertid ved svært høyt trykk (267 GPa) generert av den grønne laseren. Den hellige gral, som ville være et relativt billig materiale som ville være superledende ved romtemperatur og normalt trykk, er ennå ikke funnet.

3. Karbonbasert materiale som er superledende ved 15°C.

Dawn of the Magnetic Age

Oppregningen av mulige anvendelser av høytemperatursuperledere kan begynne med elektronikk og datamaskiner, logiske enheter, minneelementer, brytere og tilkoblinger, generatorer, forsterkere, partikkelakseleratorer. Neste på listen: svært følsomme enheter for måling av magnetiske felt, spenninger eller strømmer, magneter for MR medisinsk utstyr, magnetiske energilagringsenheter, svevende kuletog, motorer, generatorer, transformatorer og kraftledninger. Hovedfordelene med disse drømmesuperledende enhetene vil være lavt effekttap, høyhastighetsdrift og ekstrem følsomhet.

for superledere. Det er en grunn til at kraftverk ofte bygges i nærheten av travle byer. Til og med 30 prosent. skapt av dem Elektrisk energi det kan gå tapt på overføringslinjer. Dette er et vanlig problem med elektriske apparater. Mesteparten av energien går til varme. Derfor er en betydelig del av overflaten på datamaskinen reservert for kjøledeler som hjelper til med å spre varmen som genereres av kretsene.

Superledere løser problemet med energitap for varme. Som en del av eksperimenter klarer forskere for eksempel å tjene til livets opphold elektrisk strøm inne i den superledende ringen over to år. Og dette er uten ekstra energi.

Den eneste grunnen til at strømmen stoppet var fordi det ikke var tilgang til flytende helium, ikke fordi strømmen ikke kunne fortsette å flyte. Eksperimentene våre får oss til å tro at strømmer i superledende materialer kan flyte i hundretusenvis av år, om ikke mer. Elektrisk strøm i superledere kan flyte for alltid, og overføre energi gratis.

в ingen motstand en enorm strøm kunne flyte gjennom den superledende ledningen, som igjen genererte magnetiske felt med utrolig kraft. De kan brukes til å levitere maglev-tog (4), som allerede kan nå hastigheter på opptil 600 km/t og er basert på superledende magneter. Eller bruk dem i kraftverk, og erstatter tradisjonelle metoder der turbiner spinner i magnetiske felt for å generere elektrisitet. Kraftige superledende magneter kan bidra til å kontrollere fusjonsreaksjonen. En superledende ledning kan fungere som en ideell energilagringsenhet, snarere enn et batteri, og potensialet i systemet vil bli bevart i tusen og en million år.

I kvantedatamaskiner kan du strømme med eller mot klokken i en superleder. Skips- og bilmotorer ville vært ti ganger mindre enn de er i dag, og dyre medisinske diagnostiske MR-maskiner ville passet i håndflaten din. Innsamlet fra gårder i de enorme ørkenørkenene rundt om i verden, kan solenergi lagres og overføres uten tap.

4. Japansk maglev-tog

I følge fysikeren og den berømte popularisatoren av vitenskapen, Kakuteknologier som superledere vil innlede en ny æra. Hvis vi fortsatt levde i elektrisitetens æra, ville superledere ved romtemperatur bringe med seg magnetismens æra.