Wat als...we supergeleiders op hoge temperatuur krijgen? Bindingen van hoop

Stroomlijnen zonder verlies, elektrotechniek bij lage temperaturen, superelektromagneten die uiteindelijk miljoenen graden plasma zachtjes samenpersen in fusiereactoren, een stille en snelle magneetspoorrail. We hebben zoveel hoop voor supergeleiders...

Supergeleiding de materiële toestand van nul elektrische weerstand wordt genoemd. Dit wordt bij sommige materialen bij zeer lage temperaturen bereikt. Hij ontdekte dit kwantumfenomeen Kamerling Onnes (1) in kwik, in 1911. De klassieke natuurkunde kan de beschrijving ervan niet aan. Naast nulweerstand is er nog een ander belangrijk kenmerk van supergeleiders duw het magnetische veld uit zijn volumehet zogenaamde Meissner-effect (in type I supergeleiders) of focussering van het magnetische veld in “vortices” (in type II supergeleiders).

De meeste supergeleiders werken alleen bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Er wordt gerapporteerd dat het 0 Kelvin (-273,15 °C) is. Atomaire beweging bij deze temperatuur is er bijna geen. Dit is de sleutel tot supergeleiders. Zoals gewoonlijk de elektronen bewegend in een geleider botsen met andere trillende atomen, waardoor energieverlies en weerstand. We weten echter dat supergeleiding mogelijk is bij hogere temperaturen. Geleidelijk aan ontdekken we materialen die dit effect vertonen bij lagere minus Celsius, en recentelijk zelfs bij positieve Celsius. Meestal gaat het hierbij echter weer om de toepassing van extreem hoge druk. De grootste droom is om deze technologie bij kamertemperatuur te creëren, zonder enorme druk.

De fysieke basis voor het ontstaan ​​van de toestand van supergeleiding is vorming van paren lastgrijpers - de zogenoemde Kuiper. Dergelijke paren kunnen ontstaan ​​als gevolg van de combinatie van twee elektronen met vergelijkbare energieën Fermi-energie, d.w.z. de kleinste energie waarmee de energie van een fermionisch systeem zal toenemen na het toevoegen van nog een element, zelfs als de energie van de interactie die ze verbindt erg klein is. Dit verandert de elektrische eigenschappen van het materiaal, aangezien afzonderlijke dragers fermionen zijn en paren bosonen.

Samenwerken daarom is het een systeem van twee fermionen (zoals elektronen) die met elkaar interageren via kristalroostervibraties die fononen worden genoemd. Het fenomeen werd beschreven Leona werkt mee in 1956 en maakt deel uit van de BCS-theorie van supergeleiding bij lage temperaturen. De fermionen waaruit een Cooper-paar bestaat, hebben halve spins (die in tegengestelde richtingen zijn gericht), maar de resulterende spin van het systeem is vol, dat wil zeggen dat het Cooper-paar een boson is.

Sommige elementen zijn supergeleiders bij bepaalde temperaturen, bijvoorbeeld cadmium, tin, aluminium, iridium, platina, andere komen pas in een staat van supergeleiding terecht bij zeer hoge druk (bijvoorbeeld zuurstof, fosfor, zwavel, germanium, lithium) of in de toestand van supergeleiding. vorm van dunne lagen (wolfraam, beryllium, chroom), en sommige kunnen nog niet supergeleidend zijn, zoals zilver, koper, goud, edelgassen, waterstof, hoewel goud, zilver en koper tot de beste geleiders behoren bij kamertemperatuur.

"Hoge temperatuur" vereist nog steeds zeer lage temperaturen

In 1964 jaar William A. Klein suggereerde de mogelijkheid van het bestaan ​​van supergeleiding bij hoge temperaturen organische polymeren. Dit voorstel is gebaseerd op exciton-gemedieerde elektronenparing, in tegenstelling tot fonon-gemedieerde paring in de BCS-theorie. De term "supergeleiders op hoge temperatuur" werd gebruikt om een ​​nieuwe familie keramiek te beschrijven met een perovskietstructuur, ontdekt door Johannes G. Bednorz en K.A. Muller in 1986, waarvoor zij de Nobelprijs ontvingen. Deze nieuwe keramische supergeleiders (2) zijn gemaakt van koper en zuurstof gemengd met andere elementen zoals lanthaan, barium en bismut.

2. Keramische plaat zwevend boven krachtige magneten

Vanuit ons gezichtspunt was de supergeleiding bij hoge temperaturen nog steeds erg laag. Voor normale drukken was de limiet -140°C, en zelfs zulke supergeleiders werden “hoge temperaturen” genoemd. De supergeleidingstemperatuur van -70°C voor waterstofsulfide werd bereikt bij extreem hoge drukken. Hogetemperatuursupergeleiders vereisen echter relatief goedkope vloeibare stikstof voor koeling, in plaats van vloeibaar helium, wat essentieel is.

Aan de andere kant is het meestal bros keramiek, niet erg praktisch voor gebruik in elektrische systemen.

Wetenschappers geloven nog steeds dat er een betere optie wacht om ontdekt te worden, een nieuw opmerkelijk materiaal dat aan criteria zal voldoen zoals: supergeleiding bij kamertemperatuur, betaalbaar en praktisch in gebruik. Sommige onderzoeken hebben zich gericht op koper, een complex kristal dat lagen koper- en zuurstofatomen bevat. Het onderzoek gaat verder naar enkele afwijkende maar wetenschappelijk onverklaarbare rapporten dat met water doordrenkt grafiet bij kamertemperatuur als supergeleider kan werken.

De afgelopen jaren zijn een ware stroom van ‘revoluties’, ‘doorbraken’ en ‘nieuwe hoofdstukken’ geweest op het gebied van supergeleiding bij hogere temperaturen. In oktober 2020 werd supergeleiding bij kamertemperatuur (bij 15°C) gerapporteerd koolstofdisulfidehydride (3), echter bij een zeer hoge druk (267 GPa) gegenereerd door de groene laser. De Heilige Graal, een relatief goedkoop materiaal dat supergeleidt bij kamertemperatuur en normale druk, moet nog worden gevonden.

3. Materiaal op koolstofbasis dat supergeleidend is bij 15°C.

Aanbreken van het magnetische tijdperk

De lijst met mogelijke toepassingen van hogetemperatuur-supergeleiders kan beginnen met elektronica en computertechnologie, logische apparaten, geheugenelementen, schakelaars en verbindingen, generatoren, versterkers, deeltjesversnellers. Volgende op de lijst: zeer gevoelige apparaten voor het meten van magnetische velden, spanningen of stromen, magneten voor medische MRI-machines, magnetische energieopslagapparaten, zwevende kogeltreinen, motoren, generatoren, transformatoren en hoogspanningsleidingen. De belangrijkste voordelen van deze supergeleidende droomapparaten zijn een laag energieverbruik, een hoge werksnelheid en een hoge snelheid extreme gevoeligheid.

Voor supergeleiders. Er is een reden waarom energiecentrales vaak in de buurt van drukke steden worden gebouwd. Zelfs 30 procent. door hen gecreëerd Elektrische energie het kan verloren gaan op transmissielijnen. Dit is een veel voorkomend probleem bij elektrische apparaten. Het grootste deel van de energie wordt besteed aan warmte. Daarom wordt een aanzienlijk deel van het computeroppervlak besteed aan koelcomponenten, die helpen de door de circuits gegenereerde warmte af te voeren.

Supergeleiders lossen het probleem van energieverlies als gevolg van hitte op. Als onderdeel van experimenten slagen wetenschappers er bijvoorbeeld in om de kost te verdienen elektrische stroom in een supergeleidende ring ruim twee jaar. En dit zonder extra energie.

De enige reden dat de stroom stopte was omdat er geen toegang was tot vloeibaar helium, en niet omdat de stroom niet kon blijven stromen. Onze experimenten doen ons geloven dat stromen in supergeleidende materialen honderdduizenden jaren, zo niet langer, kunnen stromen. Elektrische stroom in supergeleiders kan eeuwig blijven stromen, waardoor energie gratis wordt overgedragen.

в geen weerstand Er zou een enorme stroom door de supergeleidende draad kunnen stromen, die op zijn beurt magnetische velden met een ongelooflijke kracht genereerde. Ze kunnen worden gebruikt om magneettreinen (4) te laten zweven, die al snelheden tot 600 km/u kunnen halen en zijn gebaseerd op supergeleidende magneten. Of gebruik ze in energiecentrales, ter vervanging van de traditionele methoden waarbij turbines in magnetische velden draaien om elektriciteit op te wekken. Krachtige supergeleidende magneten kunnen kernfusiereacties helpen beheersen. De supergeleidende draad kan fungeren als een ideaal energieopslagapparaat in plaats van als een batterij, en het potentieel van het systeem zal duizend en een miljoen jaar behouden blijven.

In kwantumcomputers kun je in een supergeleider met de klok mee of tegen de klok in stromen. Scheeps- en automotoren zouden tien keer kleiner zijn dan nu, en dure medische diagnostische MRI-machines zouden in de palm van je hand passen. Zonne-energie die wordt verzameld op boerderijen in uitgestrekte woestijnwoestijnen over de hele wereld kan zonder enig verlies worden opgeslagen en verzonden.

4. Japanse magneettrein

Volgens de natuurkundige en beroemde popularisator van de wetenschap KakuoTechnologieën zoals supergeleiders zullen een nieuw tijdperk inluiden. Als we nog steeds in het tijdperk van elektriciteit zouden leven, zouden supergeleiders op kamertemperatuur het tijdperk van magnetisme met zich meebrengen.