Paano kung…makakakuha tayo ng mga superconductor na may mataas na temperatura? Mga bigkis ng pag-asa

Lossless transmission lines, low-temperature electrical engineering, superelectromagnets, sa wakas ay malumanay na pinipiga ang milyun-milyong degree ng plasma sa thermonuclear reactors, isang tahimik at mabilis na maglev rail. Mayroon kaming napakaraming pag-asa para sa mga superconductor...

Superconductivity ang materyal na estado ng zero electrical resistance ay tinatawag. Ito ay nakakamit sa ilang mga materyales sa napakababang temperatura. Natuklasan niya ang quantum phenomenon na ito Kamerling Onnes (1) sa mercury, noong 1911. Nabigo itong ilarawan ng klasikal na pisika. Bilang karagdagan sa zero resistance, ang isa pang mahalagang katangian ng superconductor ay itulak ang magnetic field sa labas ng volume nitoang tinatawag na Meissner effect (sa type I superconductor) o ang pagtutok ng magnetic field sa "vortices" (sa type II superconductor).

Karamihan sa mga superconductor ay gumagana lamang sa mga temperatura na malapit sa absolute zero. Ito ay iniulat na 0 Kelvin (-273,15 °C). Ang paggalaw ng mga atomo sa temperatura na ito ay halos wala na. Ito ang susi sa mga superconductor. Karaniwan ang mga electron gumagalaw sa konduktor ay bumangga sa iba pang mga nanginginig na atomo, na nagiging sanhi pagkawala ng enerhiya at paglaban. Gayunpaman, alam namin na ang superconductivity ay posible sa mas mataas na temperatura. Unti-unti, natutuklasan namin ang mga materyales na nagpapakita ng epektong ito sa isang mas mababang minus Celsius, at kamakailan kahit na sa plus. Gayunpaman, ito muli ay karaniwang nauugnay sa paggamit ng napakataas na presyon. Ang pinakamalaking pangarap ay lumikha ng teknolohiyang ito sa temperatura ng silid nang walang napakalaking presyon.

Ang pisikal na batayan para sa hitsura ng estado ng superconductivity ay pagbuo ng mga pares ng cargo grabbers - ang tinatawag na Cooper. Ang ganitong mga pares ay maaaring lumitaw bilang isang resulta ng pagsasama ng dalawang electron na may magkatulad na enerhiya. Fermi enerhiya, ibig sabihin. ang pinakamaliit na enerhiya kung saan tataas ang enerhiya ng isang fermionic system pagkatapos ng pagdaragdag ng isa pang elemento, kahit na napakaliit ng enerhiya ng interaksyon na nagbubuklod sa kanila. Binabago nito ang mga katangian ng elektrikal ng materyal, dahil ang mga nag-iisang carrier ay mga fermion at ang mga pares ay boson.

Makipagtulungan samakatuwid, ito ay isang sistema ng dalawang fermion (halimbawa, mga electron) na nakikipag-ugnayan sa isa't isa sa pamamagitan ng mga vibrations ng kristal na sala-sala, na tinatawag na phonon. Ang kababalaghan ay inilarawan Nakikiisa si Leona noong 1956 at bahagi ng teorya ng BCS ng mababang temperatura na superconductivity. Ang mga fermion na bumubuo sa pares ng Cooper ay may kalahating pag-ikot (na nakadirekta sa magkasalungat na direksyon), ngunit ang resultang pag-ikot ng system ay puno, iyon ay, ang pares ng Cooper ay isang boson.

Ang mga superconductor sa ilang partikular na temperatura ay ilang elemento, halimbawa, cadmium, lata, aluminum, iridium, platinum, ang iba ay pumasa sa estado ng superconductivity lamang sa napakataas na presyon (halimbawa, oxygen, phosphorus, sulfur, germanium, lithium) o sa anyo ng mga manipis na layer (tungsten , beryllium, chromium), at ang ilan ay maaaring hindi pa superconducting, tulad ng pilak, tanso, ginto, mga noble gas, hydrogen, bagaman ang ginto, pilak at tanso ay kabilang sa mga pinakamahusay na konduktor sa temperatura ng silid.

Ang "mataas na temperatura" ay nangangailangan pa rin ng napakababang temperatura

Sa 1964 taon William A. Maliit iminungkahi ang posibilidad ng pagkakaroon ng mataas na temperatura na superconductivity sa mga organikong polimer. Ang panukalang ito ay batay sa exciton-mediated electron pairing kumpara sa phonon-mediated na pagpapares sa BCS theory. Ang terminong "high temperature superconductor" ay ginamit upang ilarawan ang isang bagong pamilya ng perovskite-structured ceramics na natuklasan nina Johannes G. Bednorz at C.A. Müller noong 1986, kung saan natanggap nila ang Nobel Prize. Ang mga bagong ceramic superconductor (2) na ito ay ginawa mula sa tanso at oxygen na hinaluan ng iba pang elemento tulad ng lanthanum, barium at bismuth.

2. Ceramic plate na umaaligid sa mga makapangyarihang magnet

Mula sa aming pananaw, ang superconductivity ng "mataas na temperatura" ay napakababa pa rin. Para sa mga normal na presyon, ang limitasyon ay -140°C, at kahit na ang mga naturang superconductor ay tinatawag na "mataas na temperatura". Ang temperatura ng superconductivity na -70°C para sa hydrogen sulfide ay naabot sa napakataas na presyon. Gayunpaman, ang mga superconductor na may mataas na temperatura ay nangangailangan ng medyo murang likidong nitrogen kaysa sa likidong helium para sa paglamig, na mahalaga.

Sa kabilang banda, ito ay halos malutong na seramik, hindi masyadong praktikal para sa paggamit sa mga sistemang elektrikal.

Naniniwala pa rin ang mga siyentipiko na may mas magandang opsyon na naghihintay na matuklasan, isang kahanga-hangang bagong materyal na makakatugon sa mga pamantayan tulad ng superconductivity sa temperatura ng silidabot-kaya at praktikal na gamitin. Ang ilang pananaliksik ay nakatuon sa tanso, isang kumplikadong kristal na naglalaman ng mga layer ng tanso at oxygen na mga atomo. Nagpapatuloy ang pananaliksik sa ilang maanomalyang ngunit hindi maipaliwanag na mga ulat sa siyensiya na ang grapayt na nababad sa tubig ay maaaring kumilos bilang isang superconductor sa temperatura ng silid.

Ang mga kamakailang taon ay isang tunay na daloy ng "mga rebolusyon", "mga tagumpay" at "mga bagong kabanata" sa larangan ng superconductivity sa mas mataas na temperatura. Noong Oktubre 2020, ang superconductivity sa temperatura ng silid (sa 15°C) ay iniulat sa carbon disulfide hydride (3), gayunpaman, sa napakataas na presyon (267 GPa) na nabuo ng berdeng laser. Ang Holy Grail, na magiging isang medyo murang materyal na magiging superconductive sa temperatura ng silid at normal na presyon, ay hindi pa matatagpuan.

3. Carbon-based na materyal na superconductive sa 15°C.

Liwayway ng Magnetic Age

Ang enumeration ng mga posibleng aplikasyon ng high-temperature superconductor ay maaaring magsimula sa electronics at computer, logic device, memory elements, switch at connections, generators, amplifier, particle accelerators. Susunod sa listahan: mga napakasensitibong device para sa pagsukat ng mga magnetic field, boltahe o alon, mga magnet para sa Mga medikal na aparato ng MRI, magnetic energy storage device, levitating bullet train, engine, generator, transformer at linya ng kuryente. Ang mga pangunahing bentahe ng mga superconducting device na ito ay mababa ang power dissipation, high speed operation at matinding sensitivity.

para sa mga superconductor. May dahilan kung bakit madalas na itinatayo ang mga power plant malapit sa mga abalang lungsod. Kahit 30 percent. nilikha nila Enerhiya ng kuryente maaaring mawala ito sa mga transmission lines. Ito ay isang karaniwang problema sa mga electrical appliances. Karamihan sa enerhiya ay napupunta sa init. Samakatuwid, ang isang makabuluhang bahagi ng ibabaw ng computer ay nakatuon sa paglamig ng mga bahagi na tumutulong sa pag-alis ng init na nabuo ng mga circuit.

Ang mga superconductor ay malulutas ang problema ng pagkawala ng enerhiya para sa init. Bilang bahagi ng mga eksperimento, ang mga siyentipiko, halimbawa, ay namamahala sa paghahanap-buhay electric current sa loob ng superconducting ring mahigit dalawang taon. At ito ay walang karagdagang enerhiya.

Ang tanging dahilan kung bakit huminto ang kasalukuyang ay dahil walang access sa likidong helium, hindi dahil ang kasalukuyang ay hindi maaaring magpatuloy sa pag-agos. Ang aming mga eksperimento ay humantong sa amin na maniwala na ang mga agos sa mga superconducting na materyales ay maaaring dumaloy sa daan-daang libong taon, kung hindi higit pa. Ang electric current sa mga superconductor ay maaaring dumaloy magpakailanman, na naglilipat ng enerhiya nang libre.

в walang panlaban ang isang malaking agos ay maaaring dumaloy sa superconducting wire, na siya namang nakabuo ng mga magnetic field ng hindi kapani-paniwalang kapangyarihan. Magagamit ang mga ito upang i-levitate ang mga maglev na tren (4), na maaari nang umabot sa bilis na hanggang 600 km/h at batay sa superconducting magnet. O gamitin ang mga ito sa mga planta ng kuryente, na pinapalitan ang mga tradisyonal na pamamaraan kung saan umiikot ang mga turbine sa mga magnetic field upang makabuo ng kuryente. Ang mga makapangyarihang superconducting magnet ay maaaring makatulong na kontrolin ang reaksyon ng pagsasanib. Ang isang superconducting wire ay maaaring kumilos bilang isang perpektong aparato sa pag-iimbak ng enerhiya, sa halip na isang baterya, at ang potensyal sa system ay mapangalagaan sa loob ng isang libo at isang milyong taon.

Sa mga quantum computer, maaari kang dumaloy ng clockwise o counterclockwise sa isang superconductor. Ang mga makina ng barko at sasakyan ay magiging sampung beses na mas maliit kaysa sa ngayon, at ang mga mamahaling medikal na diagnostic na MRI machine ay kasya sa iyong palad. Nakolekta mula sa mga sakahan sa malawak na disyerto sa buong mundo, ang solar energy ay maaaring maimbak at mailipat nang walang anumang pagkawala.

4. Japanese maglev train

Ayon sa physicist at sikat na popularizer ng agham, Kakuang mga teknolohiya tulad ng mga superconductor ay maghahatid sa isang bagong panahon. Kung tayo ay nabubuhay pa sa panahon ng kuryente, ang mga superconductor sa temperatura ng silid ay magdadala sa kanila ng panahon ng magnetism.