Mitä jos… saamme korkean lämpötilan suprajohteita? Toivon siteet

Häviöttömät siirtolinjat, matalan lämpötilan sähkötekniikka, supersähkömagneetit, lopulta miljoonien asteiden plasman hellävarainen puristaminen lämpöydinreaktoreissa, hiljainen ja nopea maglev-kisko. Meillä on niin paljon toiveita suprajohtimien suhteen...

Suprajohtavuus materiaalitilaa, jossa sähkövastus on nolla, kutsutaan. Tämä saavutetaan joissakin materiaaleissa erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Hän löysi tämän kvantti-ilmiön Kamerling Onnes (1) elohopeassa vuonna 1911. Klassinen fysiikka ei pysty kuvaamaan sitä. Nollaresistanssin lisäksi suprajohteiden toinen tärkeä ominaisuus on työnnä magneettikenttä ulos tilavuudestaanns. Meissner-ilmiö (tyypin I suprajohtimissa) tai magneettikentän fokusointi "pyörteisiin" (tyypin II suprajohtimissa).

Useimmat suprajohteet toimivat vain lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa. Sen on raportoitu olevan 0 kelviniä (-273,15 °C). Atomien liikettä tässä lämpötilassa se on lähes olematonta. Tämä on avain suprajohtimiin. Yleensä elektronit johtimessa liikkuvat törmäävät muihin värähteleviin atomiin aiheuttaen energiahäviö ja vastus. Tiedämme kuitenkin, että suprajohtavuus on mahdollista korkeammissa lämpötiloissa. Vähitellen löydämme materiaaleja, jotka osoittavat tämän vaikutuksen alhaisemmalla miinus Celsiusasteessa ja viime aikoina jopa plussalla. Tämä liittyy kuitenkin yleensä erittäin korkean paineen käyttöön. Suurin unelma on luoda tämä tekniikka huoneenlämmössä ilman jättimäistä painetta.

Suprajohtavuustilan ilmaantumisen fysikaalinen perusta on lastikaappausparien muodostuminen - niin kutsuttu Cooper. Tällaisia ​​pareja voi syntyä kahden samanenergiaisen elektronin yhdistymisen seurauksena. Fermi energiaa, eli pienin energia, jolla fermionisen järjestelmän energia kasvaa yhden alkuaineen lisäämisen jälkeen, vaikka niiden välisen vuorovaikutuksen energia on hyvin pieni. Tämä muuttaa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia, koska yksittäiset kantajat ovat fermioneja ja parit ovat bosoneja.

Tehdä yhteistyötä siksi se on kahden fermionin (esimerkiksi elektronien) järjestelmä, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa kidehilan värähtelyjen kautta, joita kutsutaan fononeiksi. Ilmiö on kuvattu Leona tekee yhteistyötä vuonna 1956 ja on osa BCS-teoriaa matalan lämpötilan suprajohtavuudesta. Cooper-parin muodostavilla fermioneilla on puolispinit (jotka on suunnattu vastakkaisiin suuntiin), mutta tuloksena oleva järjestelmän spin on täynnä, eli Cooper-pari on bosoni.

Tietyissä lämpötiloissa suprajohteita ovat jotkin alkuaineet, kuten kadmium, tina, alumiini, iridium, platina, toiset siirtyvät suprajohtavuustilaan vain erittäin korkeassa paineessa (esim. happi, fosfori, rikki, germanium, litium) tai ohuiden kerrosten muodossa (volframi, beryllium, kromi), ja jotkut eivät ehkä vielä ole suprajohtavia, kuten hopea, kupari, kulta, jalokaasut, vety, vaikka kulta, hopea ja kupari ovatkin parhaita johtimia huoneenlämpötilassa.

"Korkea lämpötila" vaatii edelleen erittäin alhaisia ​​lämpötiloja

Vuonna 1964 vuosi William A. Little ehdotti korkean lämpötilan suprajohtavuuden mahdollisuutta orgaaniset polymeerit. Tämä ehdotus perustuu eksitonivälitteiseen elektronien pariutumiseen, toisin kuin fononivälitteiseen pariutumiseen BCS-teoriassa. Termiä "korkean lämpötilan suprajohteet" on käytetty kuvaamaan Johannes G. Bednorzin ja C.A. Müller vuonna 1986, josta he saivat Nobel-palkinnon. Nämä uudet keraamiset suprajohteet (2) valmistettiin kuparista ja hapesta sekoitettuna muihin alkuaineisiin, kuten lantaaniin, bariumiin ja vismuttiin.

2. Keraaminen levy, joka leijuu voimakkaiden magneettien päällä

Meidän näkökulmastamme "korkean lämpötilan" suprajohtavuus oli edelleen hyvin alhainen. Normaaleissa paineissa raja oli -140°C, ja tällaisiakin suprajohtimia kutsuttiin "korkealämpötilaiseksi". Rikkivedyn suprajohtavuuslämpötila -70°C on saavutettu erittäin korkeissa paineissa. Korkean lämpötilan suprajohteet vaativat kuitenkin suhteellisen halpaa nestemäistä typpeä jäähdytykseen nestemäisen heliumin sijaan, mikä on välttämätöntä.

Toisaalta se on enimmäkseen hauras keraaminen, ei kovin käytännöllinen käytettäväksi sähköjärjestelmissä.

Tiedemiehet uskovat edelleen, että on olemassa parempi vaihtoehto, joka odottaa löytämistään, upea uusi materiaali, joka täyttää esimerkiksi kriteerit suprajohtavuus huoneenlämpötilassaedullinen ja käytännöllinen käyttää. Jotkut tutkimukset ovat keskittyneet kupariin, monimutkaiseen kiteeseen, joka sisältää kerroksia kupari- ja happiatomeja. Tutkimus jatkuu joidenkin poikkeavien mutta tieteellisesti selittämättömien raporttien perusteella, joiden mukaan veteen liotettu grafiitti voi toimia suprajohteena huoneenlämmössä.

Viime vuodet ovat olleet todellista "vallankumousten", "läpimurtojen" ja "uusien lukujen" virtaa suprajohtavuuden alalla korkeammissa lämpötiloissa. Lokakuussa 2020 ilmoitettiin suprajohtavuudesta huoneenlämpötilassa (15 °C:ssa). hiilidisulfidihydridi (3) kuitenkin erittäin korkealla paineella (267 GPa), jonka vihreä laser tuottaa. Graalin maljaa, joka olisi suhteellisen halpa materiaali, joka olisi suprajohtava huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa, ei ole vielä löydetty.

3. Hiilipohjainen materiaali, joka on suprajohtava 15°C:ssa.

Magneettisen aikakauden aamunkoitto

Korkean lämpötilan suprajohteiden mahdollisten sovellusten luettelointi voi alkaa elektroniikasta ja tietokoneista, logiikkalaitteista, muistielementeistä, kytkimistä ja liitännöistä, generaattoreista, vahvistimista, hiukkaskiihdyttimistä. Seuraavaksi listalla: erittäin herkät laitteet magneettikenttien, jännitteiden tai virtojen mittaamiseen, magneetteja MRI-lääketieteelliset laitteet, magneettiset energian varastointilaitteet, leijuvat luotijunat, moottorit, generaattorit, muuntajat ja voimalinjat. Näiden unelma suprajohtavien laitteiden tärkeimmät edut ovat alhainen tehohäviö, nopea toiminta ja äärimmäinen herkkyys.

suprajohtimia varten. On syy siihen, miksi voimalaitoksia rakennetaan usein vilkkaiden kaupunkien lähelle. Jopa 30 prosenttia. heidän luomiaan Sähköenergia se voi kadota voimajohtoihin. Tämä on yleinen ongelma sähkölaitteissa. Suurin osa energiasta menee lämmitykseen. Siksi merkittävä osa tietokoneen pinnasta on varattu jäähdytysosille, jotka auttavat hajaamaan piirien tuottamaa lämpöä.

Suprajohteet ratkaisevat lämmön energiahäviön ongelman. Osana kokeita esimerkiksi tiedemiehet onnistuvat ansaitsemaan elantonsa sähkövirta suprajohtavan renkaan sisällä yli kaksi vuotta. Ja tämä on ilman lisäenergiaa.

Ainoa syy, miksi virta pysähtyi, oli se, ettei nestemäiselle heliumille ollut pääsyä, ei siksi, että virta ei voinut jatkaa kulkua. Kokeilumme saavat meidät uskomaan, että suprajohtavien materiaalien virrat voivat virrata satoja tuhansia vuosia, ellei enemmänkin. Suprajohtimissa oleva sähkövirta voi virrata ikuisesti ja siirtää energiaa ilmaiseksi.

в ei vastustusta suprajohtavan langan läpi saattoi virrata valtava virta, joka puolestaan ​​synnytti uskomattoman voimakkaita magneettikenttiä. Niillä voidaan levitoida maglev-junia (4), jotka voivat saavuttaa jo 600 km/h nopeuden ja perustuvat suprajohtavat magneetit. Tai käytä niitä voimalaitoksissa ja korvaa perinteiset menetelmät, joissa turbiinit pyörivät magneettikentissä sähkön tuottamiseksi. Tehokkaat suprajohtavat magneetit voivat auttaa hallitsemaan fuusioreaktiota. Suprajohtava lanka voi toimia ideaalina energian varastointilaitteena akun sijaan, ja järjestelmän potentiaali säilyy tuhat ja miljoona vuotta.

Kvanttitietokoneissa voit virrata suprajohteessa myötä- tai vastapäivään. Laivojen ja autojen moottorit olisivat kymmenen kertaa nykyistä pienemmät, ja kalliit lääketieteelliset diagnostiset MRI-laitteet mahtuisivat käteen. Aurinkoenergiaa, joka on kerätty maatiloilta valtavilta aavikoilta eri puolilta maailmaa, voidaan varastoida ja siirtää ilman hävikkiä.

4. Japanilainen maglev-juna

Fyysikon ja kuuluisan tieteen popularisoijan mukaan Kakutekniikat, kuten suprajohteet, tuovat uuden aikakauden. Jos eläisimme edelleen sähkön aikakaudella, huoneenlämpöiset suprajohteet toisivat mukanaan magnetismin aikakauden.