Hvad hvis ... vi får højtemperatur-superledere? Forbindelser af håb

Tabsfri transmissionsledninger, lavtemperaturelektroteknik, superelektromagneter, endelig forsigtigt at komprimere millioner af grader af plasma i termonukleare reaktorer, en stille og hurtig maglev-skinne. Vi har så mange forhåbninger til superledere...

Superledningsevne den materielle tilstand nul elektrisk modstand kaldes. Dette opnås i nogle materialer ved meget lave temperaturer. Han opdagede dette kvantefænomen Camerling Onnes (1) i kviksølv, i 1911. Klassisk fysik formår ikke at beskrive det. Ud over nul modstand er en anden vigtig egenskab ved superledere skubbe magnetfeltet ud af dets volumenden såkaldte Meissner-effekt (i type I-superledere) eller fokuseringen af ​​magnetfeltet til "hvirvler" (i type II-superledere).

De fleste superledere virker kun ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Det er rapporteret at være 0 Kelvin (-273,15 °C). Atomernes bevægelse ved denne temperatur er det næsten ikke-eksisterende. Dette er nøglen til superledere. Som sædvanligt elektroner bevæger sig i lederen kolliderer med andre vibrerende atomer, hvilket forårsager energitab og modstand. Vi ved dog, at superledning er mulig ved højere temperaturer. Gradvist opdager vi materialer, der viser denne effekt ved en lavere minus Celsius og for nylig endda ved plus. Dette er dog igen normalt forbundet med påføring af ekstremt højt tryk. Den største drøm er at skabe denne teknologi ved stuetemperatur uden gigantisk tryk.

Det fysiske grundlag for fremkomsten af ​​tilstanden af ​​superledning er dannelse af par af lastfangere - den såkaldte Cooper. Sådanne par kan opstå som et resultat af foreningen af ​​to elektroner med lignende energier. Fermi energi, dvs. den mindste energi, hvormed energien i et fermionisk system vil stige efter tilføjelse af et element mere, selv når energien af ​​interaktionen mellem dem er meget lille. Dette ændrer materialets elektriske egenskaber, da de enkelte bærere er fermioner, og parrene er bosoner.

Samarbejde derfor er det et system af to fermioner (for eksempel elektroner), der interagerer med hinanden gennem vibrationer af krystalgitteret, kaldet fononer. Fænomenet er blevet beskrevet Leona samarbejder i 1956 og er en del af BCS-teorien om lavtemperatursuperledning. De fermioner, der udgør Cooper-parret, har halve spins (som er rettet i modsatte retninger), men det resulterende spin af systemet er fuldt, det vil sige, at Cooper-parret er en boson.

Superledere ved visse temperaturer er nogle grundstoffer, f.eks. cadmium, tin, aluminium, iridium, platin, andre går kun over i superledningstilstanden ved meget højt tryk (f.eks. oxygen, fosfor, svovl, germanium, lithium) eller i form af tynde lag (wolfram, beryllium, krom), og nogle er muligvis endnu ikke superledende, såsom sølv, kobber, guld, ædelgasser, brint, selvom guld, sølv og kobber er blandt de bedste ledere ved stuetemperatur.

"Høj temperatur" kræver stadig meget lave temperaturer

I 1964 år William A. Lille foreslog muligheden for eksistensen af ​​højtemperatursuperledning i organiske polymerer. Dette forslag er baseret på exciton-medieret elektronparring i modsætning til phonon-medieret parring i BCS-teori. Udtrykket "højtemperatur-superledere" er blevet brugt til at beskrive en ny familie af perovskit-keramik opdaget af Johannes G. Bednorz og C.A. Müller i 1986, som de modtog Nobelprisen for. Disse nye keramiske superledere (2) blev lavet af kobber og oxygen blandet med andre grundstoffer såsom lanthan, barium og vismut.

2. Keramisk plade svæver over kraftige magneter

Fra vores synspunkt var superledning ved høj temperatur stadig meget lav. For normale tryk var grænsen -140°C, og selv sådanne superledere blev kaldt "højtemperatur". Superledningstemperaturen på -70°C for svovlbrinte er nået ved ekstremt høje tryk. Højtemperatur-superledere kræver imidlertid relativt billigt flydende nitrogen frem for flydende helium til afkøling, hvilket er vigtigt.

På den anden side er det for det meste skørt keramik, ikke særlig praktisk til brug i elektriske systemer.

Forskere mener stadig, at der er en bedre mulighed, der venter på at blive opdaget, et vidunderligt nyt materiale, der vil opfylde kriterier som f.eks. superledning ved stuetemperaturoverkommelig og praktisk at bruge. Nogle undersøgelser har fokuseret på kobber, en kompleks krystal, der indeholder lag af kobber og oxygenatomer. Forskning fortsætter på nogle unormale, men videnskabeligt uforklarlige rapporter om, at vandgennemblødt grafit kan fungere som en superleder ved stuetemperatur.

De seneste år har været en sand strøm af "revolutioner", "gennembrud" og "nye kapitler" inden for superledningsevne ved højere temperaturer. I oktober 2020 blev superledningsevne ved stuetemperatur (ved 15°C) rapporteret i kulstofdisulfidhydrid (3), dog ved meget højt tryk (267 GPa) genereret af den grønne laser. Den hellige gral, som ville være et relativt billigt materiale, der ville være superledende ved stuetemperatur og normalt tryk, er endnu ikke fundet.

3. Kulstofbaseret materiale, der er superledende ved 15°C.

Daggry af den magnetiske tidsalder

Opregningen af ​​mulige anvendelser af højtemperatur-superledere kan begynde med elektronik og computerteknologi, logiske enheder, hukommelseselementer, kontakter og forbindelser, generatorer, forstærkere, partikelacceleratorer. Næste på listen: meget følsomme enheder til måling af magnetiske felter, spændinger eller strømme, magneter til MR medicinsk udstyr, magnetiske energilagringsenheder, svævende kugletog, motorer, generatorer, transformere og elledninger. De vigtigste fordele ved disse drømmesuperledende enheder vil være lavt effekttab, højhastighedsdrift og ekstrem følsomhed.

til superledere. Der er en grund til, at kraftværker ofte bygges i nærheden af ​​travle byer. Selv 30 pct. skabt af dem Elektrisk energi det kan gå tabt på transmissionsledninger. Dette er et almindeligt problem med elektriske apparater. Det meste af energien går til varme. Derfor er en betydelig del af computerens overflade reserveret til køledele, der hjælper med at sprede den varme, der genereres af kredsløbene.

Superledere løser problemet med energitab for varme. Som en del af eksperimenter lykkes det for eksempel forskerne at tjene til livets ophold elektrisk strøm inde i den superledende ring over to år. Og dette er uden yderligere energi.

Den eneste grund til at strømmen stoppede var fordi der ikke var adgang til flydende helium, ikke fordi strømmen ikke kunne fortsætte med at løbe. Vores eksperimenter får os til at tro, at strømme i superledende materialer kan strømme i hundredtusinder af år, hvis ikke mere. Elektrisk strøm i superledere kan flyde for evigt og overføre energi gratis.

в ingen modstand en enorm strøm kunne strømme gennem den superledende ledning, som igen genererede magnetiske felter med utrolig kraft. De kan bruges til at svæve maglev-tog (4), som allerede kan nå hastigheder på op til 600 km/t og er baseret på superledende magneter. Eller brug dem i kraftværker, der erstatter traditionelle metoder, hvor turbiner spinder i magnetiske felter for at generere elektricitet. Kraftige superledende magneter kan hjælpe med at kontrollere fusionsreaktionen. En superledende ledning kan fungere som en ideel energilagringsenhed i stedet for et batteri, og potentialet i systemet vil blive bevaret i tusind og en million år.

I kvantecomputere kan du flyde med eller mod uret i en superleder. Skibs- og bilmotorer ville være ti gange mindre, end de er i dag, og dyre medicinske diagnostiske MR-maskiner ville passe i din håndflade. Indsamlet fra gårde i de store ørkenørkener rundt om i verden, kan solenergi lagres og overføres uden tab.

4. Japansk maglev-tog

Ifølge fysikeren og den berømte popularisator af videnskab, Kakuteknologier såsom superledere vil indlede en ny æra. Hvis vi stadig levede i elektricitetens æra, ville superledere ved stuetemperatur bringe magnetismens æra med sig.