Что, если… мы получим высокотемпературные сверхпроводники? Привязки надежды

Линии электропередачи без потерь, низкотемпературная электротехника, суперэлектромагниты, наконец аккуратно сжимающие миллионы градусов плазмы в термоядерных реакторах, тихий и быстрый магнитолевитационный рельс. У нас так много надежд на сверхпроводники…

Сверхпроводимость материальное состояние нулевого электрического сопротивления называется. Это достигается в некоторых материалах при очень низких температурах. Он открыл это квантовое явление Камерлинг Оннес (1) в ртути, в 1911 г. Классическая физика не справляется с его описанием. Помимо нулевого сопротивления, еще одной важной особенностью сверхпроводников является вытолкнуть магнитное поле из своего объематак называемый эффект Мейснера (в сверхпроводниках первого рода) или фокусировка магнитного поля в «вихри» (в сверхпроводниках второго рода).

Большинство сверхпроводников работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Сообщается, что это 0 Кельвинов (-273,15 ° C). Движение атомов при такой температуре его почти нет. Это ключ к сверхпроводникам. Как обычно электроны движущиеся в проводнике сталкиваются с другими колеблющимися атомами, вызывая потеря энергии и сопротивление. Однако мы знаем, что сверхпроводимость возможна при более высоких температурах. Постепенно мы обнаруживаем материалы, показывающие этот эффект при меньшем минусе Цельсия, а в последнее время даже и при плюсовом. Однако это опять же обычно связано с применением чрезвычайно высокого давления. Самая большая мечта — создать эту технологию при комнатной температуре без гигантского давления.

Физической основой возникновения состояния сверхпроводимости является формирование пар грузозахватчиков – так называемой Купера. Такие пары могут возникать в результате соединения двух электронов с близкой энергией energii Fermiego, т.е. наименьшая энергия, на которую увеличится энергия фермионной системы после добавления еще одного элемента, даже когда энергия связывающего их взаимодействия очень мала. Это изменяет электрические свойства материала, поскольку одиночные носители — это фермионы, а пары — бозоны.

Сотрудничать следовательно, это система двух фермионов (например, электронов), взаимодействующих друг с другом посредством колебаний кристаллической решетки, называемых фононами. Явление было описано Леона сотрудничает в 1956 году и является частью теории низкотемпературной сверхпроводимости БКШ. Фермионы, составляющие куперовскую пару, имеют половинные спины (которые направлены в противоположные стороны), но результирующий спин системы полный, т. е. куперовская пара является бозоном.

Сверхпроводниками при определенных температурах являются одни элементы, например, кадмий, олово, алюминий, иридий, платина, другие переходят в состояние сверхпроводимости только при очень высоком давлении (например, кислород, фосфор, сера, германий, литий) или в виде тонких слоев (вольфрам, бериллий, хром), а некоторые еще не могут быть сверхпроводящими, например серебро, медь, золото, благородные газы, водород, хотя золото, серебро и медь являются одними из лучших проводников при комнатной температуре.

«Высокая температура» по-прежнему требует очень низких температур

В 1964 году Уильям А. Литтл предположил возможность существования высокотемпературной сверхпроводимости в органические полимеры. Это предложение основано на спаривании электронов, опосредованном экситоном, в отличие от спаривания, опосредованного фононами в теории БКШ. Термин «высокотемпературные сверхпроводники» использовался для описания нового семейства керамики со структурой перовскита, открытого Йоханнесом Г. Беднорцем и К.А. Мюллером в 1986 году, за что они получили Нобелевскую премию. Эти новые керамические сверхпроводники (2) были изготовлены из меди и кислорода, смешанного с другими элементами, такими как лантан, барий и висмут.

2. Керамическая пластина, парящая над мощными магнитами

С нашей точки зрения, «высокотемпературная» сверхпроводимость была еще очень низкой. Для нормальных давлений предел составлял -140°С и даже такие сверхпроводники называли «высокотемпературными». Температура сверхпроводимости -70°С для сероводорода была достигнута при чрезвычайно высоких давлениях. Однако высокотемпературные сверхпроводники для охлаждения требуют относительно дешевого жидкого азота, а не жидкого гелия, что существенно.

С другой стороны, это в основном хрупкая керамика, не очень практичная для использования в электрических системах.

Ученые все еще верят, что есть лучший вариант, который ждет своего открытия, новый замечательный материал, который будет соответствовать таким критериям, как сверхпроводимость при комнатной температуре, доступным и практичным в использовании. Некоторые исследования были сосредоточены на меди, сложном кристалле, который содержит слои атомов меди и кислорода. Продолжаются исследования некоторых аномальных, но необъяснимых с научной точки зрения сообщений о том, что пропитанный водой графит может действовать как сверхпроводник при комнатной температуре.

Последние годы были настоящим потоком «революций», «прорывов» и «новых глав» в области сверхпроводимости при более высоких температурах. В октябре 2020 года сообщалось о сверхпроводимости при комнатной температуре (при 15°C) в сероуглеродистый гидрид (3), однако, при очень высоком давлении (267 ГПа), создаваемом зеленым лазером. Святой Грааль, который был бы относительно дешевым материалом, обладающим сверхпроводимостью при комнатной температуре и нормальном давлении, еще предстоит найти.

3. Материал на основе углерода, обладающий сверхпроводимостью при 15°C.

Рассвет магнитного века

Перечисление возможных применений высокотемпературных сверхпроводников можно начать с электроники и вычислительной техники, логических устройств, элементов памяти, переключателей и соединений, генераторов, усилителей, ускорителей частиц. Далее по списку: высокочувствительные устройства для измерения магнитных полей, напряжений или токов, магниты для медицинские аппараты МРТ, магнитные накопители энергии, левитирующие сверхскоростные пассажирские поезда, двигатели, генераторы, трансформаторы и линии электропередач. Основными преимуществами этих сверхпроводящих устройств мечты будут низкое рассеивание мощности, высокая скорость работы и чрезвычайная чувствительность.

Для сверхпроводников. Есть причина, по которой электростанции часто строят вблизи оживленных городов. Даже 30 процентов. созданные ими Energii Elektrycznej он может быть потерян на линиях передачи. Это распространенная проблема с электроприборами. Большая часть энергии уходит на тепло. Поэтому значительная часть поверхности компьютера отведена под охлаждающие детали, помогающие рассеивать тепло, выделяемое схемами.

Сверхпроводники решают проблему потерь энергии на тепло. В рамках экспериментов ученым, например, удается зарабатывать на жизнь электрический ток внутри сверхпроводящего кольца более двух лет. И это без дополнительной энергии.

Единственная причина, по которой ток прекратился, заключалась в том, что не было доступа к жидкому гелию, а не в том, что ток не мог продолжать течь. Наши эксперименты приводят нас к мысли, что токи в сверхпроводящих материалах могут течь сотни тысяч лет, если не больше. Электрический ток в сверхпроводниках может течь вечно, передавая энергию бесплатно.

в нет сопротивления через сверхпроводящий провод мог протекать огромный ток, который, в свою очередь, генерировал магнитные поля невероятной мощности. Их можно использовать для левитации поездов на маглеве (4), которые уже могут развивать скорость до 600 км/ч и основаны на сверхпроводящие магниты. Или использовать их на электростанциях, заменив традиционные методы, при которых турбины вращаются в магнитных полях для выработки электроэнергии. Мощные сверхпроводящие магниты могут помочь контролировать реакцию ядерного синтеза. Сверхпроводящий провод может выступать в роли идеального накопителя электроэнергии, а не батареи, и потенциал в системе будет сохраняться на тысячу и миллион лет.

В квантовых компьютерах вы можете течь по часовой стрелке или против часовой стрелки в сверхпроводнике. Корабельные и автомобильные двигатели были бы в десять раз меньше, чем сегодня, а дорогие медицинские диагностические МРТ-аппараты поместились бы на ладони. Солнечную энергию, собранную на фермах в бескрайних пустынных пустынях по всему миру, можно хранить и передавать без каких-либо потерь.

4. Японский поезд на магнитной подвеске

По словам физика и известного популяризатора науки, Какутакие технологии, как сверхпроводники, откроют новую эру. Если бы мы до сих пор жили в эпоху электричества, сверхпроводники при комнатной температуре принесли бы с собой эпоху магнетизма.