Hvað ef...við fáum háhita ofurleiðara? Bindingar vonar

Taplausar flutningslínur, lághita rafmagnsverkfræði, ofurrafseglar, loksins þjappa varlega saman milljónum gráða af plasma í kjarnakljúfum, hljóðlát og hröð maglev-tein. Við bindum svo miklar vonir við ofurleiðara...

Ofurleiðni efnisástand núll rafviðnám er kallað. Þetta næst í sumum efnum við mjög lágt hitastig. Hann uppgötvaði þetta skammtafræðifyrirbæri Kamerling Onnes (1) í kvikasilfri, árið 1911. Klassísk eðlisfræði nær ekki að lýsa því. Til viðbótar við núllviðnám er annar mikilvægur eiginleiki ofurleiðara ýta segulsviðinu út úr rúmmáli þesssvokölluð Meissner-áhrif (í ofurleiðurum af tegund I) eða fókus segulsviðsins í „hringi“ (í ofurleiðurum af tegund II).

Flestir ofurleiðarar virka aðeins við hitastig nálægt núlli. Sagt er að það sé 0 Kelvin (-273,15 °C). Hreyfing atóma við þetta hitastig er það nánast ekkert. Þetta er lykillinn að ofurleiðurum. Venjulega rafeindirnar hreyfist í leiðaranum rekast á önnur titrandi frumeindir, sem veldur orkutap og viðnám. Hins vegar vitum við að ofurleiðni er möguleg við hærra hitastig. Smám saman erum við að uppgötva efni sem sýna þessi áhrif við lægri mínus á Celsíus og nýlega jafnvel við plús. Hins vegar er þetta aftur venjulega tengt við beitingu á mjög háum þrýstingi. Stærsti draumurinn er að búa til þessa tækni við stofuhita án risaþrýstings.

Líkamlegur grundvöllur fyrir útliti ástands ofurleiðni er myndun farmgripapöra - hið svokallaða Cooper. Slík pör geta myndast vegna samruna tveggja rafeinda með svipaða orku. Fermi orka, þ.e. minnsta orkan sem orka fermíónkerfis eykst um eftir að einu frumefni er bætt við, jafnvel þegar orka víxlverkunarinnar sem bindur þau er mjög lítil. Þetta breytir rafeiginleikum efnisins, þar sem einstöku burðarefnin eru fermions og pörin eru bósón.

Vinna saman þess vegna er það kerfi tveggja fermjóna (til dæmis rafeinda) sem hafa samskipti sín á milli með titringi kristalgrindanna, sem kallast hljóðeinar. Fyrirbærinu hefur verið lýst Leona vinnur saman árið 1956 og er hluti af BCS kenningunni um lághita ofurleiðni. Fermjónirnar sem mynda Cooper-parið hafa hálfa snúninga (sem beinast í gagnstæðar áttir), en snúningur kerfisins sem myndast er fullur, það er að segja Cooper-parið er bóson.

Ofurleiðarar við ákveðna hitastig eru sum frumefni, td kadmíum, tin, ál, iridium, platína, önnur fara í ofurleiðnistöðu aðeins við mjög háan þrýsting (til dæmis súrefni, fosfór, brennisteinn, germaníum, litíum) eða í mynd af þunnum lögum (wolfram, beryllium, króm), og sum eru kannski ekki enn ofleiðandi, eins og silfur, kopar, gull, eðallofttegundir, vetni, þó að gull, silfur og kopar séu meðal bestu leiðaranna við stofuhita.

"Hátt hitastig" krefst samt mjög lágt hitastig

Í 1964 ári William A. Little benti á möguleikann á tilvist háhita ofurleiðni í lífrænar fjölliður. Þessi tillaga byggir á örvunarmiðluðum rafeindapörun öfugt við hljóðmiðlaða pörun í BCS kenningunni. Hugtakið „háhitaofurleiðarar“ hefur verið notað til að lýsa nýrri fjölskyldu perovskítuppbyggðra keramik sem uppgötvað var af Johannes G. Bednorz og C.A. Müller árið 1986, fyrir það hlutu þeir Nóbelsverðlaunin. Þessir nýju keramikofurleiðarar (2) voru gerðir úr kopar og súrefni í bland við önnur frumefni eins og lanthanum, baríum og bismút.

2. Keramikplata svífur yfir öflugum seglum

Frá okkar sjónarhóli var „háhita“ ofurleiðni enn mjög lág. Fyrir eðlilegan þrýsting voru mörkin -140°C og jafnvel slíkir ofurleiðarar voru kallaðir „háhiti“. Ofurleiðnihitastigið -70°C fyrir brennisteinsvetni hefur náðst við mjög háan þrýsting. Hins vegar þurfa háhitaofurleiðarar frekar ódýrt fljótandi köfnunarefni til kælingar, frekar en fljótandi helíum, sem er nauðsynlegt.

Aftur á móti er það að mestu brothætt keramik, ekki mjög hagnýt til notkunar í rafkerfum.

Vísindamenn telja enn að það sé betri kostur sem bíður þess að verða uppgötvaður, dásamlegt nýtt efni sem mun uppfylla skilyrði eins og ofurleiðni við stofuhitahagkvæm og hagnýt í notkun. Sumar rannsóknir hafa beinst að kopar, flóknum kristal sem inniheldur lög af kopar og súrefnisatómum. Rannsóknir halda áfram á nokkrum afbrigðilegum en vísindalega óútskýrðum skýrslum um að vatnsblautt grafít geti virkað sem ofurleiðari við stofuhita.

Síðustu ár hafa verið sannkallaður straumur „byltinga“, „byltinga“ og „nýja kafla“ á sviði ofurleiðni við hærra hitastig. Í október 2020 var tilkynnt um ofurleiðni við stofuhita (við 15°C) í koltvísúlfíðhýdríð (3), hins vegar við mjög háan þrýsting (267 GPa) sem myndast af græna leysinum. Gralið, sem væri tiltölulega ódýrt efni sem væri ofurleiðandi við stofuhita og venjulegan þrýsting, hefur enn ekki fundist.

3. Kolefnisbundið efni sem er ofurleiðandi við 15°C.

Dögun segulaldarinnar

Upptalning mögulegra nota háhita ofurleiðara getur byrjað með rafeindatækni og tölvum, rökfræðibúnaði, minnisþáttum, rofum og tengingum, rafala, mögnurum, öreindahröðlum. Næst á listanum: mjög viðkvæm tæki til að mæla segulsvið, spennu eða strauma, seglar fyrir MRI lækningatæki, segulmagnaðir orkugeymslutæki, skotlestir, vélar, rafala, spennar og raflínur. Helstu kostir þessara drauma ofurleiðaratækja verða lítil aflnotkun, háhraði rekstur og gríðarlega viðkvæmni.

fyrir ofurleiðara. Það er ástæða fyrir því að virkjanir eru oft byggðar nálægt fjölförnum borgum. Jafnvel 30 prósent. búin til af þeim Raforka það gæti tapast á flutningslínum. Þetta er algengt vandamál með rafmagnstæki. Megnið af orkunni fer í hita. Þess vegna er verulegur hluti af yfirborði tölvunnar frátekinn fyrir kælingu hluta sem hjálpa til við að dreifa hitanum sem myndast af hringrásunum.

Ofurleiðarar leysa vandamálið varðandi orkutap fyrir varma. Sem hluti af tilraunum tekst vísindamönnum til dæmis að afla tekna rafstraumur inni í ofurleiðandi hringnum yfir tvö ár. Og þetta er án viðbótarorku.

Eina ástæðan fyrir því að straumurinn hætti var sú að ekki var aðgangur að fljótandi helíum, ekki vegna þess að straumurinn gæti ekki haldið áfram að flæða. Tilraunir okkar leiða okkur til að trúa því að straumar í ofurleiðandi efnum geti flætt í hundruð þúsunda ára, ef ekki lengur. Rafstraumur í ofurleiðurum getur flætt að eilífu og flutt orku ókeypis.

в engin viðnám risastór straumur gæti flætt í gegnum ofurleiðandi vírinn, sem aftur myndaði segulsvið af ótrúlegu afli. Hægt er að nota þær til að lyfta maglev lestum (4), sem geta nú þegar náð allt að 600 km/klst hraða og byggjast á ofurleiðandi seglum. Eða notaðu þær í orkuverum, í stað hefðbundinna aðferða þar sem hverflar snúast í segulsviðum til að framleiða rafmagn. Öflugir ofurleiðandi seglar gætu hjálpað til við að stjórna samrunaviðbrögðum. Ofurleiðandi vír getur virkað sem tilvalið orkugeymslutæki, frekar en rafhlaða, og möguleikar kerfisins verða varðveittir í þúsund og milljón ár.

Í skammtatölvum er hægt að flæða réttsælis eða rangsælis í ofurleiðara. Skipa- og bílavélar yrðu tífalt minni en þær eru í dag og dýrar læknisfræðilegar segulómunarvélar myndu passa í lófa þínum. Sólarorku er safnað frá bæjum í víðáttumiklum eyðimörkum um allan heim og hægt er að geyma og flytja sólarorku án taps.

4. Japansk maglev lest

Samkvæmt eðlisfræðingnum og fræga vinsælda vísindanna, Kakutækni eins og ofurleiðarar munu hefja nýtt tímabil. Ef við lifðum enn á tímum rafmagns myndu ofurleiðarar við stofuhita færa með sér tímabil segulmagnsins.