Mis siis, kui... saame kõrge temperatuuriga ülijuhid? Lootuse sidemed

Kadudeta ülekandeliinid, madalatemperatuuriline elektrotehnika, superelektromagnetid, lõpuks termotuumareaktorites miljonite kraadide plasma õrn kokkupressimine, vaikne ja kiire maglev-rööp. Meil on ülijuhtidele nii palju lootusi...

Ülijuhtivus nimetatakse null elektritakistusega materjali olekut. Mõne materjali puhul saavutatakse see väga madalatel temperatuuridel. Ta avastas selle kvantnähtuse Kamerling Onnes (1) elavhõbedas 1911. aastal. Klassikaline füüsika ei suuda seda kirjeldada. Lisaks nulltakistusele on ülijuhtide teine ​​oluline omadus lükake magnetväli oma mahust väljann Meissneri efekt (I tüüpi ülijuhtidel) või magnetvälja fokuseerimine "pööristeks" (II tüüpi ülijuhtidel).

Enamik ülijuhte töötab ainult absoluutse nulli lähedasel temperatuuril. Teadaolevalt on see 0 kelvinit (-273,15 °C). Aatomite liikumine sellel temperatuuril see peaaegu puudub. See on ülijuhtide võti. Tavaliselt elektronid juhis liikudes põrkuvad kokku teiste vibreerivate aatomitega, põhjustades energiakadu ja vastupanu. Siiski teame, et ülijuhtivus on võimalik kõrgematel temperatuuridel. Järk-järgult avastame materjale, mis näitavad seda efekti madalamal miinus Celsiuse kraadil ja viimasel ajal isegi plussis. Seda seostatakse aga tavaliselt ülikõrge rõhu rakendamisega. Suurim unistus on luua see tehnoloogia toatemperatuuril ilma hiiglasliku surveta.

Ülijuhtivuse seisundi ilmnemise füüsikaline alus on lastihaarajate paaride moodustamine - niinimetatud Cooper. Sellised paarid võivad tekkida kahe sarnase energiaga elektroni liitumise tulemusena. Fermi energia, st. väikseim energia, mille võrra fermioonilise süsteemi energia suureneb pärast veel ühe elemendi lisamist, isegi kui neid siduva interaktsiooni energia on väga väike. See muudab materjali elektrilisi omadusi, kuna üksikud kandjad on fermionid ja paarid bosonid.

Tehke koostööd seetõttu on see kahe fermioni (näiteks elektronide) süsteem, mis interakteeruvad üksteisega kristallvõre vibratsiooni kaudu, mida nimetatakse fononiteks. Nähtust on kirjeldatud Leona teeb koostööd aastal 1956 ja on osa BCS-i madalatemperatuurilise ülijuhtivuse teooriast. Cooperi paari moodustavatel fermioonidel on poolspinnid (mis on suunatud vastassuundadele), kuid tekkiv süsteemi spin on täis ehk Cooperi paar on boson.

Ülijuhid teatud temperatuuridel on mõned elemendid, näiteks kaadmium, tina, alumiinium, iriidium, plaatina, teised lähevad ülijuhtivusseisundisse ainult väga kõrgel rõhul (näiteks hapnik, fosfor, väävel, germaanium, liitium) või õhukeste kihtide kujul (volfram, berüllium, kroom) ja mõned ei pruugi veel olla ülijuhtivad, näiteks hõbe, vask, kuld, väärisgaasid, vesinik, kuigi kuld, hõbe ja vask on toatemperatuuril ühed parimad juhid.

"Kõrge temperatuur" nõuab ikka väga madalaid temperatuure

In 1964 aastal William A. Little aastal soovitas kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse olemasolu orgaanilised polümeerid. See ettepanek põhineb eksitoni vahendatud elektronide sidumisel, mitte fonoonide vahendatud sidumisel BCS-i teoorias. Mõistet "kõrgtemperatuurilised ülijuhid" on kasutatud Johannes G. Bednorzi ja C.A. avastatud perovskiitstruktuuriga keraamika uue perekonna kirjeldamiseks. Müller 1986. aastal, mille eest nad said Nobeli preemia. Need uued keraamilised ülijuhid (2) valmistati vasest ja hapnikust, mis on segatud teiste elementidega, nagu lantaan, baarium ja vismut.

2. Keraamiline plaat hõljub võimsate magnetite kohal

Meie vaatenurgast oli "kõrgtemperatuuriline" ülijuhtivus endiselt väga madal. Normaalsete rõhkude puhul oli piir -140°C ja isegi selliseid ülijuhte nimetati "kõrgtemperatuurilisteks". Vesiniksulfiidi ülijuhtivuse temperatuur -70°C on saavutatud ülikõrgetel rõhkudel. Kõrge temperatuuriga ülijuhid vajavad jahutamiseks siiski suhteliselt odavat vedelat lämmastikku, mitte vedelat heeliumi, mis on hädavajalik.

Teisest küljest on see enamasti rabe keraamika, elektrisüsteemides kasutamiseks vähe praktiline.

Teadlased usuvad endiselt, et avastamist ootab parem variant, imeline uus materjal, mis vastab sellistele kriteeriumidele nagu ülijuhtivus toatemperatuuriltaskukohane ja praktiline kasutada. Mõned uuringud on keskendunud vasele, keerulisele kristallile, mis sisaldab vase- ja hapnikuaatomite kihte. Uuringud jätkuvad mõningate anomaalsete, kuid teaduslikult seletamatute aruannete põhjal, mille kohaselt võib veega leotatud grafiit toatemperatuuril ülijuhina toimida.

Viimased aastad on kõrgetel temperatuuridel ülijuhtivuse valdkonnas olnud tõeline "revolutsioonide", "läbimurrete" ja "uute peatükkide" voog. 2020. aasta oktoobris teatati ülijuhtivusest toatemperatuuril (temperatuuril 15 °C). süsinikdisulfiidhüdriid (3), aga väga kõrgel rõhul (267 GPa), mille tekitab roheline laser. Püha Graal, mis oleks suhteliselt odav materjal, mis oleks toatemperatuuril ja normaalrõhul ülijuhtiv, on veel leidmata.

3. Süsinikupõhine materjal, mis on ülijuhtiv temperatuuril 15°C.

Magnetajastu koidik

Kõrgtemperatuuriliste ülijuhtide võimalike rakenduste loetlemist saab alustada elektroonikast ja arvutitest, loogikaseadmetest, mäluelementidest, lülititest ja ühendustest, generaatoritest, võimenditest, osakeste kiirenditest. Järgmisena nimekirjas: ülitundlikud seadmed magnetväljade, pingete või voolude mõõtmiseks, magnetid MRI meditsiiniseadmed, magnetilised energiasalvestid, leviteerivad kuulrongid, mootorid, generaatorid, trafod ja elektriliinid. Nende unistuste ülijuhtivate seadmete peamised eelised on väike võimsuse hajumine, kiire töö ja äärmine tundlikkus.

ülijuhtide jaoks. Sellel on põhjus, miks elektrijaamu ehitatakse sageli elavate linnade lähedusse. Isegi 30 protsenti. nende loodud Elektrienergia see võib ülekandeliinidel kaduda. See on elektriseadmete puhul tavaline probleem. Suurem osa energiast läheb kütteks. Seetõttu on märkimisväärne osa arvuti pinnast pühendatud jahutusosadele, mis aitavad hajutada ahelate tekitatud soojust.

Ülijuhid lahendavad soojusenergia kadude probleemi. Näiteks teadlastel õnnestub katsete raames elatist teenida elektrivool ülijuhtiva rõnga sees üle kahe aasta. Ja seda ilma lisaenergiata.

Ainus põhjus, miks vool peatus, oli see, et vedelal heeliumil puudus juurdepääs, mitte see, et vool ei saanud edasi liikuda. Meie katsed panevad meid uskuma, et ülijuhtivate materjalide voolud võivad voolata sadu tuhandeid aastaid, kui mitte rohkem. Elektrivool ülijuhtides võib voolata igavesti, edastades energiat tasuta.

в pole vastupanu ülijuhtivat traati võis läbida tohutu vool, mis omakorda tekitas uskumatu võimsusega magnetvälju. Nendega saab levitada maglev-ronge (4), mis suudavad juba praegu saavutada kiirust kuni 600 km/h ja põhinevad ülijuhtivad magnetid. Või kasutage neid elektrijaamades, asendades traditsioonilised meetodid, mille puhul turbiinid pöörlevad magnetväljas elektri tootmiseks. Võimsad ülijuhtivad magnetid võivad aidata termotuumasünteesi reaktsiooni kontrollida. Ülijuhttraat võib toimida ideaalse energiasalvestusseadmena, mitte akuna ning süsteemi potentsiaal säilib tuhat ja miljon aastat.

Kvantarvutites saab ülijuhis voolata päri- või vastupäeva. Laeva- ja automootorid oleksid praegusest kümme korda väiksemad ja peopessa mahuksid kallid meditsiinidiagnostika MRT-aparaadid. Üle maailma tohututes kõrbekõrbetes asuvatest farmidest kogutud päikeseenergiat saab salvestada ja ilma kadudeta edasi kanda.

4. Jaapani maglev rong

Füüsiku ja kuulsa teaduse populariseerija sõnul Kakutehnoloogiad, nagu ülijuhid, juhatavad sisse uue ajastu. Kui me elaksime veel elektriajastul, tooksid toatemperatuuril ülijuhid endaga kaasa magnetismi ajastu.