A co jeśli… otrzymamy nadprzewodniki wysokotemperaturowe? Wiązania nadziei

Bezstratne linie przesyłowe, niskotemperaturowa elektrotechnika, superelektromagnesy, wreszcie delikatne sprężanie milionów stopni plazmy w reaktorach termojądrowych, cicha i szybka szyna magnetyczna. Pokładamy tyle nadziei w nadprzewodnikach...

Nadprzewodnictwo nazywamy stan materialny o zerowym oporze elektrycznym. Osiąga się to w przypadku niektórych materiałów w bardzo niskich temperaturach. Odkrył to zjawisko kwantowe Kamerling Onnes (1) w rtęci, w 1911. Fizyka klasyczna tego nie opisuje. Oprócz zerowej rezystancji kolejną ważną cechą nadprzewodników jest wypchnąć pole magnetyczne z jego objętościtzw. efekt Meissnera (w nadprzewodnikach typu I) lub skupienie pola magnetycznego w „wirach” (w nadprzewodnikach typu II).

Większość nadprzewodników działa tylko w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Podaje się, że wynosi 0 kelwinów (-273,15 ° C). Ruch atomów w tej temperaturze prawie nie istnieje. To jest klucz do nadprzewodników. Jak zwykle elektrony poruszające się w przewodniku zderzają się z innymi drgającymi atomami, powodując strata energii i rezystancja. Wiemy jednak, że nadprzewodnictwo jest możliwe w wyższych temperaturach. Stopniowo odkrywamy materiały, które wykazują ten efekt przy niższych minusowych stopniach Celsjusza, a ostatnio nawet przy dodatnich. Jednak to znowu jest zwykle związane z zastosowaniem bardzo wysokiego ciśnienia. Największym marzeniem jest stworzenie tej technologii w temperaturze pokojowej bez gigantycznego ciśnienia.

Fizyczną podstawą pojawienia się stanu nadprzewodnictwa jest tworzenie par chwytaków ładunku - tak zwany Bednarz. Takie pary mogą powstać w wyniku połączenia dwóch elektronów o podobnych energiach. energia Fermiego, tj. najmniejsza energia, o jaką zwiększy się energia układu fermionowego po dodaniu jeszcze jednego pierwiastka, nawet gdy energia oddziaływania między nimi jest bardzo mała. Zmienia to właściwości elektryczne materiału, ponieważ pojedyncze nośniki to fermiony, a pary to bozony.

Współpracować jest to zatem układ dwóch fermionów (np. elektronów) oddziałujących ze sobą poprzez drgania sieci krystalicznej, zwane fononami. Zjawisko zostało opisane Leona współpracuje w 1956 roku i jest częścią teorii nadprzewodnictwa niskotemperaturowego BCS. Fermiony tworzące parę Coopera mają półspiny (skierowane w przeciwnych kierunkach), ale wynikowy spin układu jest pełny, to znaczy, że para Coopera jest bozonem.

Nadprzewodnikami w określonych temperaturach są niektóre pierwiastki, np. kadm, cyna, glin, iryd, platyna, inne przechodzą w stan nadprzewodnictwa dopiero pod bardzo wysokim ciśnieniem (np. tlen, fosfor, siarka, german, lit) lub postaci cienkich warstw (wolfram, beryl, chrom), a niektóre mogą jeszcze nie być nadprzewodnikami, jak srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne, wodór, chociaż złoto, srebro i miedź należą do najlepszych przewodników w temperaturze pokojowej.

„Wysoka temperatura” nadal wymaga bardzo niskich temperatur

W 1964 roku William A. Mały zasugerował możliwość istnienia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w polimery organiczne. Ta propozycja opiera się na parowaniu elektronów za pośrednictwem ekscytonów, w przeciwieństwie do parowania za pośrednictwem fononów w teorii BCS. Termin „nadprzewodniki wysokotemperaturowe” został użyty do opisania nowej rodziny ceramiki perowskitowej odkrytej przez Johannesa G. Bednorza i C.A. Müllera w 1986 roku, za co otrzymali Nagrodę Nobla. Te nowe nadprzewodniki ceramiczne (2) zostały wykonane z miedzi i tlenu zmieszanego z innymi pierwiastkami, takimi jak lantan, bar i bizmut.

2. Płytka ceramiczna unosząca się nad potężnymi magnesami

Z naszego punktu widzenia nadprzewodnictwo „wysokotemperaturowe” było nadal bardzo niskie. Dla ciśnień normalnych granica wynosiła -140°C i nawet takie nadprzewodniki nazywano „wysokotemperaturowymi”. Temperatura nadprzewodnictwa -70°C dla siarkowodoru została osiągnięta przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach. Jednak nadprzewodniki wysokotemperaturowe wymagają stosunkowo taniego ciekłego azotu zamiast ciekłego helu do chłodzenia, co jest niezbędne.

Z drugiej strony jest to głównie krucha ceramika, mało praktyczna do zastosowania w instalacjach elektrycznych.

Naukowcy wciąż wierzą, że czeka na odkrycie lepsza opcja, wspaniały nowy materiał, który spełni takie kryteria, jak m.in nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowejniedrogi i praktyczny w użyciu. Niektóre badania koncentrowały się na miedzi, złożonym krysztale zawierającym warstwy atomów miedzi i tlenu. Trwają badania nad niektórymi anomalnymi, ale naukowo niewytłumaczalnymi doniesieniami, że grafit nasączony wodą może działać jako nadprzewodnik w temperaturze pokojowej.

Ostatnie lata to istny strumień „rewolucji”, „przełomów” i „nowych rozdziałów” w dziedzinie nadprzewodnictwa w wyższych temperaturach. W październiku 2020 r. odnotowano nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej (15°C). wodorek dwusiarczku węgla (3), jednak przy bardzo wysokim ciśnieniu (267 GPa) generowanym przez zielony laser. Święty Graal, który byłby stosunkowo tanim materiałem, który byłby nadprzewodzący w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu, nie został jeszcze znaleziony.

3. Materiał na bazie węgla, który jest nadprzewodzący w temperaturze 15°C.

Świt ery magnetycznej

Wyliczanie możliwych zastosowań nadprzewodników wysokotemperaturowych można rozpocząć od elektroniki i techniki komputerowej, układów logicznych, elementów pamięci, przełączników i połączeń, generatorów, wzmacniaczy, akceleratorów cząstek. Następne na liście: bardzo czułe przyrządy do pomiaru pól magnetycznych, napięć lub prądów, magnesy do Urządzenia medyczne do rezonansu magnetycznego, urządzenia do magazynowania energii magnetycznej, lewitujące pociągi pociskowe, silniki, generatory, transformatory i linie energetyczne. Głównymi zaletami tych wymarzonych urządzeń nadprzewodnikowych będą niskie rozpraszanie mocy, duża szybkość działania i ekstremalna wrażliwość.

dla nadprzewodników. Nie bez powodu elektrownie są często budowane w pobliżu ruchliwych miast. Nawet 30 proc. stworzone przez nich Energii Elektrycznej może zostać utracony na liniach przesyłowych. Jest to częsty problem z urządzeniami elektrycznymi. Większość energii idzie na ciepło. Dlatego znaczna część powierzchni komputera jest zarezerwowana dla części chłodzących, które pomagają rozpraszać ciepło wytwarzane przez obwody.

Nadprzewodniki rozwiązują problem strat energii na ciepło. W ramach eksperymentów naukowcom udaje się np. zarobić na życie prąd elektryczny wewnątrz pierścienia nadprzewodzącego ponad dwa lata. I to bez dodatkowej energii.

Jedynym powodem zatrzymania prądu był brak dostępu do ciekłego helu, a nie fakt, że prąd nie mógł dalej płynąć. Nasze eksperymenty doprowadziły nas do przekonania, że ​​prądy w materiałach nadprzewodzących mogą płynąć przez setki tysięcy lat, jeśli nie dłużej. Prąd elektryczny w nadprzewodnikach może płynąć w nieskończoność, przenosząc energię za darmo.

в brak oporu przez nadprzewodzący drut mógł płynąć ogromny prąd, który z kolei generował pola magnetyczne o niewiarygodnej mocy. Mogą one służyć do lewitowania pociągów maglev (4), które mogą już osiągać prędkość do 600 km/h i bazują na magnesy nadprzewodzące. Lub użyj ich w elektrowniach, zastępując tradycyjne metody, w których turbiny obracają się w polach magnetycznych w celu wytworzenia energii elektrycznej. Potężne magnesy nadprzewodzące mogą pomóc w kontrolowaniu reakcji syntezy jądrowej. Drut nadprzewodzący może działać jako idealne urządzenie do magazynowania energii, a nie bateria, a potencjał w systemie zostanie zachowany przez tysiąc i milion lat.

W komputerach kwantowych w nadprzewodniku można płynąć zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Silniki statków i samochodów byłyby dziesięć razy mniejsze niż obecnie, a drogie medyczne aparaty diagnostyczne MRI mieściłyby się w dłoni. Energia słoneczna, zebrana z farm na rozległych pustynnych pustyniach na całym świecie, może być przechowywana i przesyłana bez żadnych strat.

4. Japoński pociąg maglev

Według fizyka i słynnego popularyzatora nauki, Kakutechnologie takie jak nadprzewodniki zapoczątkują nową erę. Gdybyśmy nadal żyli w epoce elektryczności, nadprzewodniki w temperaturze pokojowej przyniosłyby ze sobą erę magnetyzmu.