O kas, jei... gautume aukštos temperatūros superlaidininkus? Vilties apkaustai
Be nuostolių perdavimo linijos, žemos temperatūros elektrotechnika, superelektromagnetai, pagaliau švelniai suspaudžiantys milijonus laipsnių plazmą termobranduoliniuose reaktoriuose, tylus ir greitas maglev bėgis. Su superlaidininkais turime tiek daug vilčių...
Superlaidumas vadinama nulinės elektrinės varžos medžiagos būsena. Tai pasiekiama kai kuriose medžiagose esant labai žemai temperatūrai. Jis atrado šį kvantinį reiškinį Kamerling Onnes (1) gyvsidabriu, 1911 m. Klasikinė fizika nesugeba to apibūdinti. Be nulinio pasipriešinimo, kita svarbi superlaidininkų savybė yra išstumti magnetinį lauką iš jo tūriovadinamasis Meisnerio efektas (I tipo superlaidininkuose) arba magnetinio lauko fokusavimas į „sūkurius“ (II tipo superlaidininkuose).
Dauguma superlaidininkų veikia tik esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui. Pranešama, kad ji yra 0 kelvinų (-273,15 °C). Atomų judėjimas esant tokiai temperatūrai jo beveik nėra. Tai yra superlaidininkų raktas. Kaip visada elektronai judėdami laidininke susiduria su kitais vibruojančiais atomais, sukeldami energijos praradimas ir atsparumas. Tačiau žinome, kad superlaidumas įmanomas esant aukštesnei temperatūrai. Palaipsniui atrandame medžiagų, kurios šį efektą rodo esant žemesnei minus Celsijaus, o pastaruoju metu net ir pliuso temperatūrai. Tačiau tai vėlgi dažniausiai siejama su itin aukšto slėgio taikymu. Didžiausia svajonė – sukurti šią technologiją kambario temperatūroje be milžiniško slėgio.
Superlaidumo būsenos atsiradimo fizinis pagrindas yra krovinių griebtuvų porų formavimas - taip vadinamas Kuperis. Tokios poros gali atsirasti dėl dviejų panašios energijos elektronų sąjungos. Fermi energija, t.y. mažiausia energija, kuria padidės fermioninės sistemos energija, pridėjus dar vieną elementą, net kai jų sąveikos energija yra labai maža. Tai keičia medžiagos elektrines savybes, nes pavieniai nešikliai yra fermionai, o poros yra bozonai.
Bendradarbiauti todėl tai yra dviejų fermionų (pavyzdžiui, elektronų), sąveikaujančių vienas su kitu per kristalinės gardelės virpesius, vadinamą fononais, sistema. Reiškinys buvo aprašytas Leona bendradarbiauja 1956 m. ir yra BCS žemos temperatūros superlaidumo teorijos dalis. Fermionai, sudarantys Cooper porą, turi pusę sukinių (kurie nukreipti priešingomis kryptimis), tačiau gautas sistemos sukimas yra pilnas, tai yra, Cooper pora yra bozonas.
Superlaidininkai esant tam tikroms temperatūroms yra vieni elementai, pavyzdžiui, kadmis, alavas, aliuminis, iridis, platina, kiti pereina į superlaidumo būseną tik esant labai aukštam slėgiui (pavyzdžiui, deguonis, fosforas, siera, germanis, litis) arba plonų sluoksnių (volframo, berilio, chromo), o kai kurie dar gali būti nelaidūs superlaidumui, pavyzdžiui, sidabras, varis, auksas, tauriosios dujos, vandenilis, nors auksas, sidabras ir varis yra vieni geriausių laidininkų kambario temperatūroje.
„Aukštai temperatūrai“ vis tiek reikia labai žemos temperatūros
1964 metų Viljamas A. Mažasis pasiūlė aukštos temperatūros superlaidumo egzistavimo galimybę organiniai polimerai. Šis pasiūlymas grindžiamas eksitono tarpininkaujančiu elektronų poravimu, o ne fononų tarpininkavimu BCS teorijoje. Terminas „aukštos temperatūros superlaidininkai“ buvo vartojamas apibūdinti naujai perovskito keramikos šeimai, kurią atrado Johannesas G. Bednorzas ir C.A. Mülleris 1986 m., už kurį jie gavo Nobelio premiją. Šie nauji keraminiai superlaidininkai (2) buvo pagaminti iš vario ir deguonies, sumaišytų su kitais elementais, tokiais kaip lantanas, baris ir bismutas.
2. Keraminė plokštė, svyranti virš galingų magnetų
Mūsų požiūriu, „aukštos temperatūros“ superlaidumas vis dar buvo labai mažas. Normaliam slėgiui riba buvo –140°C, net tokie superlaidininkai buvo vadinami „aukštatemperatūriniais“. Vandenilio sulfido superlaidumo temperatūra –70°C buvo pasiekta esant itin aukštam slėgiui. Tačiau aukštos temperatūros superlaidininkams aušinimui reikalingas santykinai pigus skystas azotas, o ne skystas helis, o tai būtina.
Kita vertus, tai dažniausiai trapi keramika, nelabai praktiška naudoti elektros sistemose.
Mokslininkai vis dar tiki, kad yra geresnis variantas, kuris laukia, kol bus atrastas – nuostabi nauja medžiaga, kuri atitiks tokius kriterijus kaip superlaidumas kambario temperatūrojeįperkamas ir praktiškas naudoti. Kai kurie tyrimai buvo skirti variui, sudėtingam kristalui, kuriame yra vario ir deguonies atomų sluoksniai. Tęsiami kai kurių anomalių, bet moksliškai nepaaiškinamų pranešimų, kad vandenyje suvilgytas grafitas gali veikti kaip superlaidininkas kambario temperatūroje, tyrimai.
Pastarieji metai buvo tikras „revoliucijų“, „proveržių“ ir „naujų skyrių“ srautas superlaidumo aukštesnėje temperatūroje srityje. 2020 m. spalio mėn. buvo pranešta apie superlaidumą kambario temperatūroje (15 °C temperatūroje). anglies disulfido hidridas (3), tačiau esant labai aukštam slėgiui (267 GPa), kurį sukuria žalias lazeris. Šventasis Gralis, kuris būtų palyginti pigi medžiaga, kuri būtų superlaidži kambario temperatūroje ir esant normaliam slėgiui, dar nerastas.
3. Anglies pagrindu pagaminta medžiaga, kuri yra superlaidi 15°C temperatūroje.
Magnetinio amžiaus aušra
Aukštatemperatūrinių superlaidininkų galimų pritaikymų sąrašą galima pradėti nuo elektronikos ir kompiuterinių technologijų, loginių įrenginių, atminties elementų, jungiklių ir jungčių, generatorių, stiprintuvų, dalelių greitintuvų. Toliau sąraše: labai jautrūs prietaisai magnetiniams laukams, įtampai ar srovėms matuoti, magnetai skirti MRT medicinos prietaisai, magnetiniai energijos kaupikliai, levituojantys kulkų traukiniai, varikliai, generatoriai, transformatoriai ir elektros linijos. Pagrindiniai šių svajonių superlaidžių prietaisų privalumai bus maža galios sklaida, didelis veikimas ir ypatingas jautrumas.
superlaidininkams. Yra priežastis, kodėl elektrinės dažnai statomos šalia judrių miestų. Net 30 proc. jų sukurtas Elektros energija jis gali būti prarastas perdavimo linijose. Tai dažna elektros prietaisų problema. Didžioji dalis energijos atitenka šilumai. Todėl nemaža kompiuterio paviršiaus dalis yra skirta aušinimo dalims, kurios padeda išsklaidyti grandinių generuojamą šilumą.
Superlaidininkai išsprendžia šilumos energijos nuostolių problemą. Pavyzdžiui, eksperimentuodami mokslininkai sugeba užsidirbti pragyvenimui elektros srovė superlaidaus žiedo viduje per dvejus metus. Ir tai be papildomos energijos.
Vienintelė priežastis, kodėl srovė sustojo, buvo ta, kad nebuvo prieigos prie skysto helio, o ne todėl, kad srovė negalėjo toliau tekėti. Mūsų eksperimentai leidžia manyti, kad srovės superlaidžiose medžiagose gali tekėti šimtus tūkstančių metų, jei ne ilgiau. Elektros srovė superlaidininkuose gali tekėti amžinai, perduodama energiją nemokamai.
в jokio pasipriešinimo superlaidžiu laidu galėjo tekėti didžiulė srovė, kuri savo ruožtu generuodavo neįtikėtinos galios magnetinius laukus. Jais galima levituoti maglev traukinius (4), kurie jau gali pasiekti iki 600 km/h greitį ir yra pagrįsti superlaidieji magnetai. Arba naudokite juos elektrinėse, pakeisdami tradicinius metodus, kai turbinos sukasi magnetiniuose laukuose, kad generuotų elektrą. Galingi superlaidūs magnetai galėtų padėti kontroliuoti sintezės reakciją. Superlaidus laidas gali veikti kaip idealus energijos kaupiklis, o ne kaip baterija, o potencialas sistemoje bus išsaugotas tūkstantį ir milijoną metų.
Kvantiniuose kompiuteriuose superlaidininke galite tekėti pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę. Laivų ir automobilių varikliai būtų dešimt kartų mažesni nei šiandien, o brangūs medicininės diagnostikos MRT aparatai tilptų į delną. Saulės energija, surinkta iš ūkių didžiulėse dykumose visame pasaulyje, gali būti saugoma ir perduodama be jokių nuostolių.
4. Japoniškas maglev traukinys
Pasak fiziko ir žinomo mokslo populiarintojo, Kakutechnologijos, tokios kaip superlaidininkai, pradės naują erą. Jei vis dar gyventume elektros eroje, kambario temperatūros superlaidininkai atneštų magnetizmo erą.
