Ko darīt, ja mēs iegūstam augstas temperatūras supravadītājus? Cerības saites

Bezzudumu pārvades līnijas, zemas temperatūras elektrotehnika, superelektromagnēti, beidzot maigi saspiežot miljoniem grādu plazmu termokodolreaktoros, klusa un ātra maglev sliede. Mums ir tik daudz cerību uz supravadītājiem...

Supravadītspēja sauc par nulles elektriskās pretestības materiāla stāvokli. Dažos materiālos tas tiek panākts ļoti zemā temperatūrā. Viņš atklāja šo kvantu fenomenu Kamerlings Onness (1) dzīvsudrabā, 1911. gadā. Klasiskā fizika to nespēj aprakstīt. Papildus nulles pretestībai vēl viena svarīga supravadītāju iezīme ir izspiediet magnētisko lauku no tā tilpumatā sauktais Meisnera efekts (I tipa supravadītājos) vai magnētiskā lauka fokusēšana "virpuļos" (II tipa supravadītājos).

Lielākā daļa supravadītāju darbojas tikai temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Tiek ziņots, ka tas ir 0 kelvinu (-273,15 °C). Atomu kustība šajā temperatūrā tas gandrīz nav. Šī ir supravadītāju atslēga. Kā parasti elektroni virzoties vadītājā, saduras ar citiem vibrējošiem atomiem, izraisot enerģijas zudums un pretestība. Tomēr mēs zinām, ka supravadītspēja ir iespējama augstākā temperatūrā. Pamazām mēs atklājam materiālus, kas parāda šo efektu pie zemāka mīnus Celsija un nesen pat pie plus. Tomēr tas atkal parasti ir saistīts ar ārkārtīgi augsta spiediena pielietošanu. Lielākais sapnis ir radīt šo tehnoloģiju istabas temperatūrā bez gigantiska spiediena.

Supravadītspējas stāvokļa parādīšanās fiziskais pamats ir kravu sagrābēju pāru veidošana - tā sauktais Kūpers. Šādi pāri var rasties divu elektronu ar līdzīgu enerģiju savienošanās rezultātā. Fermi enerģija, t.i. mazākā enerģija, par kādu palielināsies fermioniskās sistēmas enerģija pēc vēl viena elementa pievienošanas, pat ja to savstarpējās mijiedarbības enerģija ir ļoti maza. Tas maina materiāla elektriskās īpašības, jo atsevišķie nesēji ir fermioni un pāri ir bozoni.

Sadarboties tāpēc tā ir divu fermionu (piemēram, elektronu) sistēma, kas mijiedarbojas viens ar otru caur kristāliskā režģa vibrācijām, ko sauc par fononiem. Parādība ir aprakstīta Leona sadarbojas 1956. gadā un ir daļa no BCS teorijas par zemas temperatūras supravadītspēju. Fermioniem, kas veido Kūpera pāri, ir puse spini (kas ir vērsti pretējos virzienos), bet iegūtais sistēmas spins ir pilns, tas ir, Kūpera pāris ir bozons.

Supravadītāji noteiktās temperatūrās ir daži elementi, piemēram, kadmijs, alva, alumīnijs, irīdijs, platīns, citi pāriet supravadītspējas stāvoklī tikai ļoti augstā spiedienā (piemēram, skābeklis, fosfors, sērs, germānija, litijs) vai plānu slāņu forma (volframa, berilija, hroma), un daži vēl var nebūt supravadītāji, piemēram, sudrabs, varš, zelts, cēlgāzes, ūdeņradis, lai gan zelts, sudrabs un varš ir vieni no labākajiem vadītājiem istabas temperatūrā.

"Augstai temperatūrai" joprojām ir nepieciešama ļoti zema temperatūra

Jo 1964 gadā Viljams A. Mazais ierosināja augstas temperatūras supravadītspējas pastāvēšanas iespēju organiskie polimēri. Šis priekšlikums ir balstīts uz eksitonu izraisītu elektronu savienošanu pārī, nevis ar fononu starpniecību BCS teorijā. Termins "augstas temperatūras supravadītāji" ir izmantots, lai aprakstītu jaunu perovskīta keramikas saimi, ko atklāja Johanness G. Bednorcs un C.A. Müller 1986. gadā, par ko viņi saņēma Nobela prēmiju. Šie jaunie keramiskie supravadītāji (2) tika izgatavoti no vara un skābekļa, kas sajaukti ar citiem elementiem, piemēram, lantānu, bāriju un bismutu.

2. Keramikas plāksne, kas lidinās virs spēcīgiem magnētiem

No mūsu viedokļa "augstas temperatūras" supravadītspēja joprojām bija ļoti zema. Normālam spiedienam robeža bija -140°C, un pat šādus supravadītājus sauca par "augstas temperatūras". Sērūdeņraža supravadītspējas temperatūra -70°C ir sasniegta pie ārkārtīgi augsta spiediena. Tomēr augstas temperatūras supravadītājiem dzesēšanai ir nepieciešams salīdzinoši lēts šķidrais slāpeklis, nevis šķidrais hēlijs, kas ir būtiski.

No otras puses, tā galvenokārt ir trausla keramika, kas nav īpaši praktiska izmantošanai elektriskajās sistēmās.

Zinātnieki joprojām uzskata, ka ir labāks variants, kas gaida atklāšanu, brīnišķīgs jauns materiāls, kas atbildīs tādiem kritērijiem kā supravadītspēja istabas temperatūrāpar pieņemamu cenu un praktiski lietojams. Daži pētījumi ir vērsti uz varu, sarežģītu kristālu, kas satur vara un skābekļa atomu slāņus. Turpinās pētījumi par dažiem anomāliem, bet zinātniski neizskaidrojamiem ziņojumiem, ka ar ūdeni piesūcināts grafīts istabas temperatūrā var darboties kā supravadītājs.

Pēdējie gadi ir bijusi patiesa "revolūciju", "izrāvienu" un "jaunu nodaļu" plūsma supravadītspējas jomā augstākās temperatūrās. 2020. gada oktobrī tika ziņots par supravadītspēju istabas temperatūrā (pie 15°C). oglekļa disulfīda hidrīds (3), tomēr ļoti augstā spiedienā (267 GPa), ko rada zaļais lāzers. Svētais Grāls, kas būtu salīdzinoši lēts materiāls, kas būtu supravadošs istabas temperatūrā un normālā spiedienā, vēl nav atrasts.

3. Materiāls uz oglekļa bāzes, kas ir supravadošs 15°C temperatūrā.

Magnētiskā laikmeta rītausma

Augstas temperatūras supravadītāju iespējamo pielietojumu uzskaitījums var sākties ar elektroniku un datortehnoloģiju, loģiskajām ierīcēm, atmiņas elementiem, slēdžiem un savienojumiem, ģeneratoriem, pastiprinātājiem, daļiņu paātrinātājiem. Nākamais sarakstā: īpaši jutīgas ierīces magnētisko lauku, sprieguma vai strāvas mērīšanai, magnēti priekš MRI medicīniskās ierīces, magnētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīces, levitējošie ložu vilcieni, dzinēji, ģeneratori, transformatori un elektropārvades līnijas. Šo sapņu supravadošo ierīču galvenās priekšrocības būs maza jaudas izkliede, liela ātruma darbība un ārkārtēja jutība.

supravadītājiem. Ir iemesls, kāpēc spēkstacijas bieži tiek būvētas netālu no rosīgām pilsētām. Pat 30 procenti. viņu radītie Elektriskā enerģija tas var tikt pazaudēts pārvades līnijās. Tā ir izplatīta problēma ar elektroierīcēm. Lielākā daļa enerģijas tiek patērēta siltumā. Tāpēc ievērojama daļa no datora virsmas ir rezervēta dzesēšanas daļām, kas palīdz izkliedēt ķēžu radīto siltumu.

Supravadītāji atrisina siltuma enerģijas zudumu problēmu. Eksperimentu ietvaros zinātniekiem, piemēram, izdodas nopelnīt iztiku elektriskā strāva supravadošā gredzena iekšpusē vairāk nekā divus gadus. Un tas notiek bez papildu enerģijas.

Vienīgais iemesls, kāpēc strāva apstājās, bija tāpēc, ka nebija piekļuves šķidram hēlijam, nevis tāpēc, ka strāva nevarēja turpināt plūst. Mūsu eksperimenti liek mums domāt, ka strāvas supravadošos materiālos var plūst simtiem tūkstošu gadu, ja ne ilgāk. Elektriskā strāva supravadītājos var plūst mūžīgi, nododot enerģiju bez maksas.

в nekādas pretestības caur supravadošo vadu varēja plūst milzīga strāva, kas savukārt radīja neticamas jaudas magnētiskos laukus. Tos var izmantot, lai levitētu maglev vilcienus (4), kas jau spēj sasniegt ātrumu līdz 600 km/h un ir balstīti uz supravadošie magnēti. Vai arī izmantojiet tos spēkstacijās, aizstājot tradicionālās metodes, kurās turbīnas griežas magnētiskajos laukos, lai radītu elektroenerģiju. Jaudīgi supravadoši magnēti varētu palīdzēt kontrolēt kodolsintēzes reakciju. Supravadošs vads var darboties kā ideāla enerģijas uzkrāšanas ierīce, nevis akumulators, un sistēmas potenciāls tiks saglabāts tūkstoš un miljonu gadu.

Kvantu datoros jūs varat plūst pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam supravadītājā. Kuģu un automašīnu dzinēji būtu desmit reizes mazāki nekā šodien, un dārgas medicīniskās diagnostikas MRI aparāti ietilptu plaukstā. Saules enerģiju, kas savākta no fermām plašajos tuksnešos visā pasaulē, var uzglabāt un pārnest bez zaudējumiem.

4. Japāņu maglev vilciens

Pēc fiziķa un slavenā zinātnes popularizētāja domām, Kakutehnoloģijas, piemēram, supravadītāji, ievadīs jaunu ēru. Ja mēs joprojām dzīvotu elektrības laikmetā, supravadītāji istabas temperatūrā nestu sev līdzi magnētisma laikmetu.