Tänk om...vi får högtemperatursupraledare? Bindningar av hopp

Förlustfria kraftledningar, lågtemperaturelektroteknik, superelektromagneter som äntligen försiktigt komprimerar miljontals grader av plasma i fusionsreaktorer, en tyst och snabb maglevskena. Vi har så mycket hopp om supraledare...

Superledningsförmåga materialtillståndet noll elektriskt motstånd kallas. Detta uppnås i vissa material vid mycket låga temperaturer. Han upptäckte detta kvantfenomen Kamerling Onnes (1) i kvicksilver, 1911. Klassisk fysik klarar inte av dess beskrivning. Förutom nollresistans är en annan viktig egenskap hos supraledare tryck ut magnetfältet ur dess volymden så kallade Meissnereffekten (i supraledare av typ I) eller fokusering av magnetfältet till "virvlar" (i supraledare av typ II).

De flesta supraledare fungerar bara vid temperaturer nära absolut noll. Det rapporteras vara 0 Kelvin (-273,15 °C). Atomrörelse vid denna temperatur finns det nästan ingen. Detta är nyckeln till supraledare. Som vanligt elektroner rör sig i en ledare kolliderar med andra vibrerande atomer, vilket orsakar energiförlust och motstånd. Vi vet dock att supraledning är möjlig vid högre temperaturer. Gradvis upptäcker vi material som visar denna effekt vid lägre minus Celsius, och nyligen även vid positiv Celsius. Emellertid innebär detta återigen vanligtvis applicering av extremt högt tryck. Den största drömmen är att skapa denna teknik i rumstemperatur utan enormt tryck.

Den fysiska grunden för förekomsten av tillståndet av supraledning är bildning av par av lastgripare - den så kallade Tunnbindare. Sådana par kan uppstå som ett resultat av kombinationen av två elektroner med liknande energier Fermi energi, dvs. den minsta energin med vilken energin i ett fermioniskt system kommer att öka efter att ytterligare ett element har lagts till, även när energin för interaktionen som förbinder dem är mycket liten. Detta förändrar materialets elektriska egenskaper, eftersom enskilda bärare är fermioner och par är bosoner.

Samarbeta därför är det ett system av två fermioner (som elektroner) som interagerar med varandra genom kristallgittervibrationer som kallas fononer. Fenomenet beskrevs Leona samarbetar 1956 och är en del av BCS-teorin om lågtemperatursupraledning. Fermionerna som utgör ett Cooper-par har halva snurr (som är riktade i motsatta riktningar), men det resulterande spinnet av systemet är fullt, d.v.s. Cooper-paret är en boson.

Vissa grundämnen är supraledare vid vissa temperaturer, till exempel kadmium, tenn, aluminium, iridium, platina, andra går in i ett tillstånd av supraledning endast vid mycket högt tryck (till exempel syre, fosfor, svavel, germanium, litium) eller i form av tunna lager (volfram, beryllium, krom), och vissa kan ännu inte vara supraledande, såsom silver, koppar, guld, ädelgaser, väte, även om guld, silver och koppar är bland de bästa ledarna vid rumstemperatur.

"Hög temperatur" kräver fortfarande mycket låga temperaturer

Under 1964 år William A. Little antydde möjligheten av förekomsten av högtemperatursupraledning i organiska polymerer. Detta förslag är baserat på exciton-medierad elektronparning, i motsats till fononmedierad parning i BCS-teorin. Termen "högtemperatursupraledare" användes för att beskriva en ny familj av keramik med en perovskitstruktur upptäckt av Johannes G. Bednorz och K.A. Muller 1986, som de fick Nobelpriset för. Dessa nya keramiska supraledare (2) tillverkades av koppar och syre blandat med andra grundämnen som lantan, barium och vismut.

2. Keramisk platta svävande ovanför kraftfulla magneter

Ur vår synvinkel var supraledning vid "hög temperatur" fortfarande mycket låg. För normala tryck var gränsen -140°C, och även sådana supraledare kallades "högtemperatur". Supraledningstemperaturen på -70°C för vätesulfid uppnåddes vid extremt höga tryck. Emellertid kräver högtemperatursupraledare relativt billigt flytande kväve för kylning, snarare än flytande helium, vilket är väsentligt.

Å andra sidan är det mestadels skör keramik, inte särskilt praktiskt för användning i elektriska system.

Forskare tror fortfarande att det finns ett bättre alternativ som väntar på att bli upptäckt, ett nytt anmärkningsvärt material som kommer att uppfylla kriterier som t.ex. supraledning vid rumstemperatur, prisvärd och praktisk att använda. Viss forskning har fokuserat på koppar, en komplex kristall som innehåller lager av koppar och syreatomer. Forskning fortsätter om några anomala men vetenskapligt oförklarliga rapporter om att vattendränkt grafit kan fungera som en supraledare vid rumstemperatur.

De senaste åren har varit en veritabel ström av "revolutioner", "genombrott" och "nya kapitel" inom området för supraledning vid högre temperaturer. I oktober 2020 rapporterades supraledning vid rumstemperatur (vid 15°C) i koldisulfidhydrid (3), dock vid ett mycket högt tryck (267 GPa) genererat av den gröna lasern. Den heliga gralen, som skulle vara ett relativt billigt material som supraleder vid rumstemperatur och normalt tryck, har ännu inte hittats.

3. Kolbaserat material som är supraledande vid 15°C.

Magnetiska tidsålderns gryning

Listan över möjliga tillämpningar av högtemperatursupraledare kan börja med elektronik och datorteknik, logiska enheter, minneselement, omkopplare och anslutningar, generatorer, förstärkare, partikelacceleratorer. Nästa på listan: mycket känsliga enheter för mätning av magnetfält, spänningar eller strömmar, magneter för medicinska MRI-maskiner, magnetiska energilagringsenheter, svävande kultåg, motorer, generatorer, transformatorer och kraftledningar. De främsta fördelarna med dessa drömsupraledande enheter kommer att vara låg effektförlust, hög driftshastighet och extrem känslighet.

För supraledare. Det finns en anledning till att kraftverk ofta byggs nära livliga städer. Till och med 30 procent. skapade av dem Elektrisk energi det kan gå förlorat på transmissionsledningar. Detta är ett vanligt problem med elektriska apparater. Det mesta av energin går åt till värme. Därför ägnas en betydande del av datorns yta åt kylkomponenter, som hjälper till att avleda värmen som genereras av kretsarna.

Supraledare löser problemet med energiförlust på grund av värme. Som en del av experiment lyckas vetenskapsmän till exempel försörja sig elektrisk ström inuti en supraledande ring mer än två år. Och detta utan extra energi.

Den enda anledningen till att strömmen stannade var för att det inte fanns tillgång till flytande helium, inte för att strömmen inte kunde fortsätta att flyta. Våra experiment får oss att tro att strömmar i supraledande material kan flöda i hundratusentals år, om inte mer. Elektrisk ström i supraledare kan flöda för evigt och överföra energi gratis.

в inget motstånd En enorm ström kunde flyta genom den supraledande tråden, som i sin tur genererade magnetfält med otrolig kraft. De kan användas för att sväva maglevtåg (4), som redan kan nå hastigheter på upp till 600 km/h och är baserade på supraledande magneter. Eller använd dem i kraftverk och ersätter traditionella metoder som snurrar turbiner i magnetfält för att generera elektricitet. Kraftfulla supraledande magneter kan hjälpa till att kontrollera kärnfusionsreaktioner. Den supraledande tråden kan fungera som en idealisk energilagringsenhet snarare än ett batteri, och potentialen i systemet kommer att bibehållas i tusen och en miljon år.

I kvantdatorer kan man flöda medurs eller moturs i en supraledare. Fartygs- och bilmotorer skulle vara tio gånger mindre än idag, och dyra medicinska diagnostiska MRI-maskiner skulle passa i din handflata. Solenergi som samlas in från gårdar i stora ökenöknar runt om i världen kan lagras och överföras utan förlust.

4. Japanskt maglevtåg

Enligt fysikern och den berömda vetenskapens popularisator, KakuTeknik som supraledare kommer att inleda en ny era. Om vi ​​fortfarande levde i elektricitetens tid, skulle rumstemperatursupraledare föra med sig magnetismens tidsålder.