Що, якщо ми отримаємо високотемпературні надпровідники? Прив'язки надії

Лінії електропередачі без втрат, низькотемпературна електротехніка, суперелектромагніти, що нарешті акуратно стискають мільйони градусів плазми в термоядерних реакторах, тиха і швидка магнітолевітаційна рейка. У нас так багато надій на надпровідники.

надпровідність матеріальний стан нульового електричного опору називається. Це досягається в деяких матеріалах за дуже низьких температур. Він відкрив це квантове явище Камерлінг Оннес (1) у ртуті, 1911 р. Класична фізика не справляється з його описом. Крім нульового опору ще однією важливою особливістю надпровідників є виштовхнути магнітне поле зі свого об'ємутак званий ефект Мейснера (у надпровідниках першого роду) або фокусування магнітного поля в "вихори" (у надпровідниках другого роду).

Більшість надпровідників працюють лише за температур, близьких до абсолютного нуля. Повідомляється, що це 0 Кельвінів (-273,15°C). Рух атомів за такої температури його майже немає. Це ключ до надпровідників. Як зазвичай електрони рухаються в провіднику стикаються з іншими атомами, що вагаються, викликаючи втрата енергії та опір. Однак ми знаємо, що надпровідність можлива за більш високих температур. Поступово ми виявляємо матеріали, що показують цей ефект при меншому мінусі Цельсія, а останнім часом навіть плюсовому. Однак це знову ж таки зазвичай пов'язане із застосуванням надзвичайно високого тиску. Найбільша мрія створити цю технологію при кімнатній температурі без гігантського тиску.

Фізичною основою виникнення стану надпровідності є формування пар вантажозахоплювачів - так званою Купера. Такі пари можуть виникати в результаті з'єднання двох електронів із близькою енергією. енергію Fermiego, тобто. найменша енергія, на яку збільшиться енергія ферміонної системи після додавання ще одного елемента, навіть коли енергія взаємодії, що їх зв'язує, дуже мала. Це змінює електричні властивості матеріалу, оскільки одиночні носії це ферміони, а пари бозони.

співпрацювати отже, це система двох ферміонів (наприклад, електронів), що взаємодіють один з одним за допомогою коливань кристалічних ґрат, званих фононами. Явище було описано Леона співпрацює 1956 року і є частиною теорії низькотемпературної надпровідності БКШ. Ферміони, що становлять куперівську пару, мають половинні спини (які спрямовані в протилежні сторони), але результуючий спин системи повний, тобто куперівська пара є бозоном.

Надпровідниками за певних температур є одні елементи, наприклад, кадмій, олово, алюміній, іридій, платина, інші переходять у стан надпровідності тільки при дуже високому тиску (наприклад, кисень, фосфор, сірка, германій, літій) або у вигляді тонких шарів (вольфрам) , берилій, хром), а деякі ще не можуть бути надпровідними, наприклад, срібло, мідь, золото, благородні гази, водень, хоча золото, срібло і мідь є одними з кращих провідників при кімнатній температурі.

«Висока температура», як і раніше, вимагає дуже низьких температур

У 1964 році Вільям А. Літтл припустив можливість існування високотемпературної надпровідності в органічні полімери. Ця пропозиція ґрунтується на спарюванні електронів, опосередкованому екситоном, на відміну від спарювання, опосередкованого фононами в теорії БКШ. Термін "високотемпературні надпровідники" використовувався для опису нового сімейства кераміки зі структурою перовскіту, відкритого Йоханнесом Г. Беднорцем та К.А. Мюллером у 1986 році, за що вони здобули Нобелівську премію. Ці нові керамічні надпровідники (2) були виготовлені з міді та кисню, змішаного з іншими елементами, такими як лантан, барій та вісмут.

2. Керамічна пластина, що ширяє над потужними магнітами

На наш погляд, «високотемпературна» надпровідність була ще дуже низькою. Для нормальних тисків межа становила -140°С і навіть такі надпровідники називали високотемпературними. Температура надпровідності -70°С для сірководню було досягнуто при надзвичайно високих тисках. Однак високотемпературні надпровідники для охолодження вимагають відносно дешевого рідкого азоту, а не рідкого гелію, що суттєво.

З іншого боку, це переважно тендітна кераміка, не дуже практична для використання в електричних системах.

Вчені все ще вірять, що є найкращий варіант, який чекає на своє відкриття, новий чудовий матеріал, який відповідатиме таким критеріям, як надпровідність при кімнатній температурі, доступним та практичним у використанні. Деякі дослідження були зосереджені на міді, складному кристалі, що містить шари атомів міді та кисню. Продовжуються дослідження деяких аномальних, але незрозумілих з наукової точки зору повідомлень про те, що просочений водою графіт може діяти як надпровідник за кімнатної температури.

Останні роки були справжнім потоком «революцій», «проривів» та «нових розділів» у галузі надпровідності за більш високих температур. У жовтні 2020 року повідомлялося про надпровідність при кімнатній температурі (при 15°C) сірковуглецевий гідрид (3), однак, при дуже високому тиску (267 гПа), що створюється зеленим лазером. Святий Грааль, який був би відносно дешевим матеріалом, що має надпровідність при кімнатній температурі і нормальному тиску, ще належить знайти.

3. Матеріал на основі вуглецю, що має надпровідність при 15°C.

Світанок магнітного віку

Перелік можливих застосувань високотемпературних надпровідників можна розпочати з електроніки та обчислювальної техніки, логічних пристроїв, елементів пам'яті, перемикачів та з'єднань, генераторів, підсилювачів, прискорювачів частинок. Далі за списком: високочутливі пристрої для вимірювання магнітних полів, напруг або струмів, магніти медичні апарати МРТ, магнітні накопичувачі енергії, що левітують надшвидкісні пасажирські поїзди, двигуни, генератори, трансформатори та лінії електропередач. Основними перевагами цих надпровідних пристроїв мрії будуть низьке розсіювання потужності, висока швидкість роботи та надзвичайна чутливість.

Для надпровідників. Є причина, через яку електростанції часто будують поблизу жвавих міст. Навіть 30 відсотків. створені ними Електрична енергія він може бути втрачений на лініях передачі. Це найпоширеніша проблема з електроприладами. Більшість енергії йде на тепло. Тому значна частина поверхні комп'ютера відведена під деталі, що охолоджують, допомагають розсіювати тепло, що виділяється схемами.

Надпровідники вирішують проблему втрат енергії на тепло. У рамках експериментів вченим, наприклад, вдається заробляти життя електричний струм усередині надпровідного кільця понад два роки. І це без додаткової енергії.

Єдина причина, через яку струм припинився, полягала в тому, що не було доступу до рідкого гелію, а не в тому, що струм не міг продовжувати текти. Наші експерименти приводять нас до думки, що струми у надпровідних матеріалах можуть текти сотні тисяч років, якщо не більше. Електричний струм у надпровідниках може протікати вічно, передаючи енергію безкоштовно.

в немає опору через надпровідний провід міг протікати величезний струм, який, своєю чергою, генерував магнітні поля неймовірної потужності. Їх можна використовувати для левітації поїздів на маглеві (4), які вже можуть розвивати швидкість до 600 км/год. надпровідні магніти. Або використовувати їх на електростанціях, замінивши традиційні методи, за яких турбіни обертаються в магнітних полях для вироблення електроенергії. Потужні надпровідні магніти допомагають контролювати реакцію ядерного синтезу. Надпровідний провід може виступати в ролі ідеального накопичувача електроенергії, а не батареї, і потенціал у системі зберігатиметься на тисячу та мільйон років.

У квантових комп'ютерах можна текти за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки в надпровіднику. Корабельні та автомобільні двигуни були б у десять разів меншими, ніж сьогодні, а дорогі медичні діагностичні МРТ-апарати помістилися б на долоні. Сонячну енергію, зібрану на фермах у безкраїх пустельних пустелях по всьому світу, можна зберігати і передавати без будь-яких втрат.

4. Японський поїзд на магнітній підвісці

За словами фізика та відомого популяризатора науки, Якутакі технології, як надпровідники, відкриють нову епоху. Якби ми досі жили в епоху електрики, надпровідники за кімнатної температури принесли б з собою епоху магнетизму.