Kaj če ... dobimo visokotemperaturne superprevodnike? Vezi upanja

Prenosni vodi brez izgub, nizkotemperaturna elektrotehnika, superelektromagneti, končno nežno stiskanje na milijone stopinj plazme v termonuklearnih reaktorjih, tiha in hitra tirnica maglev. Imamo toliko upov za superprevodnike ...

Superprevodnost imenujemo materialno stanje ničelnega električnega upora. To se pri nekaterih materialih doseže pri zelo nizkih temperaturah. Odkril je ta kvantni pojav Kamerling Onnes (1) v živem srebru, leta 1911. Klasična fizika tega ne uspe opisati. Poleg ničelnega upora je še ena pomembna lastnost superprevodnikov potisnite magnetno polje iz njegove prostorninetako imenovani Meissnerjev učinek (pri superprevodnikih tipa I) ali fokusiranje magnetnega polja v "vrtince" (pri superprevodnikih tipa II).

Večina superprevodnikov deluje le pri temperaturah blizu absolutne ničle. Poročajo, da je 0 Kelvinov (-273,15 °C). Gibanje atomov pri tej temperaturi ga skorajda ni. To je ključ do superprevodnikov. Kot vedno elektroni ki se gibljejo v prevodniku, trčijo z drugimi vibrirajočimi atomi, kar povzroči izguba energije in odpornost. Vemo pa, da je superprevodnost mogoča pri višjih temperaturah. Postopoma odkrivamo materiale, ki ta učinek izkazujejo pri nižjih minus Celzija, v zadnjem času pa tudi pri plusu. Vendar je to spet običajno povezano z uporabo izjemno visokega tlaka. Največje sanje so ustvariti to tehnologijo pri sobni temperaturi brez ogromnega pritiska.

Fizikalna osnova za pojav stanja superprevodnosti je tvorba parov zagrabil tovora - tako imenovani Cooper. Takšni pari lahko nastanejo kot posledica združitve dveh elektronov s podobno energijo. Fermijeva energija, tj. najmanjša energija, za katero se bo povečala energija fermionskega sistema po dodatku še enega elementa, tudi če je energija interakcije med njima zelo majhna. To spremeni električne lastnosti materiala, saj so posamezni nosilci fermioni, pari pa bozoni.

Sodelujte gre torej za sistem dveh fermionov (na primer elektronov), ki medsebojno delujeta prek nihanja kristalne mreže, imenovanih fononi. Pojav je bil opisan Leona sodeluje leta 1956 in je del BCS teorije nizkotemperaturne superprevodnosti. Fermioni, ki sestavljajo Cooperjev par, imajo polovične spine (ki so usmerjeni v nasprotni smeri), vendar je nastali spin sistema poln, to pomeni, da je Cooperjev par bozon.

Superprevodniki pri določenih temperaturah so nekateri elementi, na primer kadmij, kositer, aluminij, iridij, platina, drugi preidejo v stanje superprevodnosti šele pri zelo visokem tlaku (na primer kisik, fosfor, žveplo, germanij, litij) oz. obliki tankih plasti (volfram, berilij, krom), nekateri pa morda še niso superprevodni, kot so srebro, baker, zlato, žlahtni plini, vodik, čeprav so zlato, srebro in baker med najboljšimi prevodniki pri sobni temperaturi.

"Visoka temperatura" še vedno zahteva zelo nizke temperature

V letu 1964 William A. Little predlagal možnost obstoja visokotemperaturne superprevodnosti organski polimeri. Ta predlog temelji na združevanju elektronov, ki ga posreduje eksciton, v nasprotju s združevanjem, posredovanim s fononi, v teoriji BCS. Izraz "visokotemperaturni superprevodniki" je bil uporabljen za opis nove družine perovskitne keramike, ki sta jo odkrila Johannes G. Bednorz in C.A. Müller leta 1986, za kar sta prejela Nobelovo nagrado. Ti novi keramični superprevodniki (2) so bili izdelani iz bakra in kisika, pomešanega z drugimi elementi, kot so lantan, barij in bizmut.

2. Keramična plošča lebdi nad močnimi magneti

Z našega vidika je bila "visokotemperaturna" superprevodnost še vedno zelo nizka. Za normalne tlake je bila meja -140°C in tudi takšne superprevodnike so imenovali »visokotemperaturni«. Temperatura superprevodnosti -70 °C za vodikov sulfid je bila dosežena pri izjemno visokih tlakih. Vendar pa visokotemperaturni superprevodniki za hlajenje potrebujejo razmeroma poceni tekoči dušik namesto tekočega helija, kar je bistveno.

Po drugi strani pa je večinoma krhka keramika, ki ni zelo praktična za uporabo v električnih sistemih.

Znanstveniki še vedno verjamejo, da obstaja boljša možnost, ki čaka na odkritje, čudovit nov material, ki bo izpolnjeval merila, kot so superprevodnost pri sobni temperaturicenovno dostopen in praktičen za uporabo. Nekatere raziskave so se osredotočile na baker, kompleksen kristal, ki vsebuje plasti atomov bakra in kisika. Nadaljuje se raziskava nekaterih nenormalnih, a znanstveno nerazložljivih poročil, da lahko grafit, prepojen z vodo, pri sobni temperaturi deluje kot superprevodnik.

Zadnja leta so bila pravi tok »revolucij«, »prebojev« in »novih poglavij« na področju superprevodnosti pri višjih temperaturah. Oktobra 2020 so poročali o superprevodnosti pri sobni temperaturi (pri 15 °C). ogljikov disulfid hidrid (3) pa pri zelo visokem tlaku (267 GPa), ki ga ustvarja zeleni laser. Svetega grala, ki bi bil razmeroma poceni material, ki bi bil pri sobni temperaturi in normalnem tlaku superprevoden, je treba še najti.

3. Material na osnovi ogljika, ki je superprevoden pri 15 °C.

Zora magnetne dobe

Naštevanje možnih aplikacij visokotemperaturnih superprevodnikov lahko začnemo z elektroniko in računalniško tehniko, logičnimi napravami, pomnilniškimi elementi, stikali in povezavami, generatorji, ojačevalniki, pospeševalniki delcev. Naslednji na seznamu: visoko občutljive naprave za merjenje magnetnih polj, napetosti ali tokov, magneti za MRI medicinski pripomočki, magnetne naprave za shranjevanje energije, lebdeči vlaki s kroglami, motorji, generatorji, transformatorji in električni vodi. Glavne prednosti teh sanjskih superprevodnih naprav bodo nizka disipacija moči, visoka hitrost delovanja in ekstremna občutljivost.

za superprevodnike. Obstaja razlog, zakaj so elektrarne pogosto zgrajene v bližini prometnih mest. Celo 30 odstotkov. ki so jih ustvarili Električna energija lahko se izgubi na prenosnih vodih. To je pogosta težava z električnimi napravami. Večina energije gre za ogrevanje. Zato je precejšen del površine računalnika rezerviran za hladilne dele, ki pomagajo odvajati toploto, ki jo proizvajajo vezja.

Superprevodniki rešujejo problem izgub energije za toploto. V okviru eksperimentov se znanstvenikom na primer uspe preživeti električni tok znotraj superprevodnega obroča več kot dve leti. In to brez dodatne energije.

Edini razlog, zakaj se je tok ustavil, je bil, ker ni bilo dostopa do tekočega helija, ne zato, ker tok ne bi mogel nadaljevati s tokom. Naši poskusi nas vodijo k prepričanju, da lahko tokovi v superprevodnih materialih tečejo več sto tisoč let, če ne več. Električni tok v superprevodnikih lahko teče večno in brezplačno prenaša energijo.

в brez odpora skozi superprevodno žico je lahko stekel ogromen tok, ki je nato ustvaril magnetna polja neverjetne moči. Uporabljajo se lahko za levitacijo vlakov maglev (4), ki že dosegajo hitrosti do 600 km/h in temeljijo na superprevodni magneti. Ali pa jih uporabite v elektrarnah in nadomestite tradicionalne metode, pri katerih se turbine vrtijo v magnetnih poljih za proizvodnjo električne energije. Zmogljivi superprevodni magneti bi lahko pomagali pri nadzoru fuzijske reakcije. Superprevodna žica lahko deluje kot idealna naprava za shranjevanje energije, namesto baterije, in potencial v sistemu se bo ohranil tisoč in milijon let.

V kvantnih računalnikih lahko v superprevodniku tečete v smeri urnega kazalca ali nasprotni smeri urnega kazalca. Ladijski in avtomobilski motorji bi bili desetkrat manjši, kot so danes, dragi medicinski diagnostični MRI aparati pa bi bili na dlani. Sončno energijo, zbrano na kmetijah v prostranih puščavah po vsem svetu, je mogoče shraniti in prenašati brez izgube.

4. Japonski vlak maglev

Po mnenju fizika in znanega popularizatorja znanosti, Kakutehnologije, kot so superprevodniki, bodo začele novo dobo. Če bi še vedno živeli v dobi elektrike, bi superprevodniki pri sobni temperaturi prinesli s seboj dobo magnetizma.