Што, калі… мы атрымаем высокатэмпературныя звышправаднікі? Прывязкі надзеі

Лініі электраперадачы без страт, нізкатэмпературная электратэхніка, суперэлектрамагніты, нарэшце акуратна сціскаючыя мільёны градусаў плазмы ў тэрмаядзерных рэактарах, ціхая і хуткая магніталявітацыйная рэйка. У нас так шмат спадзяванняў на звышправаднікі…

Звышправоднасць матэрыяльны стан нулявога электрычнага супраціўлення называецца. Гэта дасягаецца ў некаторых матэрыялах пры вельмі нізкіх тэмпературах. Ён адкрыў гэтую квантавую з'яву Камерлінг Онэс (1) у ртуці, у 1911 г. Класічная фізіка не спраўляецца з яго апісаннем. Апроч нулявога супраціву, яшчэ адной важнай асаблівасцю звышправаднікоў з'яўляецца выштурхнуць магнітнае поле са свайго аб'ёмутак званы эфект Мейснера (у звышправадніка першага роду) або факусоўка магнітнага поля ў «віхуры» (у звышправадніка другога роду).

Большасць звышправаднікоў працуюць толькі пры тэмпературах, блізкіх да абсалютнага нуля. Паведамляецца, што гэта 0 Кельвінаў (-273,15 ° C). Рух атамаў пры такой тэмпературы яго амаль няма. Гэта ключ да звышправаднікоў. Як звычайна электроны якія рухаюцца ў правадыру сутыкаюцца з іншымі вагальнымі атамамі, выклікаючы страта энергіі і супраціў. Аднак мы ведаем, што звышправоднасць магчыма пры больш высокіх тэмпературах. Паступова мы выяўляем матэрыялы, якія паказваюць гэты эфект пры меншым мінусе Цэльсія, а ў апошні час нават і пры плюсавым. Аднак гэта зноў жа звычайна злучана з ужываннем надзвычай высокага ціску. Самая вялікая мара - стварыць гэтую тэхналогію пры пакаёвай тэмпературы без гіганцкага ціску.

Фізічнай асновай узнікнення стану звышправоднасці з'яўляецца фарміраванне пар грузазахопнікаў – так званай Купера. Такія пары могуць узнікаць у выніку злучэння двух электронаў з блізкай энергіяй Энергія Фермі, г.зн. найменшая энергія, на якую павялічыцца энергія ферміённай сістэмы пасля дадання яшчэ аднаго элемента, нават калі энергія які злучае іх узаемадзеяння вельмі малая. Гэта змяняе электрычныя ўласцівасці матэрыялу, паколькі адзіночныя носьбіты - гэта ферміёны, а пары - базоны.

супрацоўнічаць такім чынам, гэта сістэма двух ферміёнаў (напрыклад, электронаў), якія ўзаемадзейнічаюць сябар з сябрам пасродкам ваганняў крышталічнай рашоткі, званых фононамі. З'ява была апісана Лявона супрацоўнічае у 1956 годзе і з'яўляецца часткай тэорыі нізкатэмпературнай звышправоднасці БКШ. Ферміёны, якія складаюць куперовскую пару, маюць палове спіны (якія накіраваны ў процілеглыя бакі), але выніковы спін сістэмы поўны, т. е. куперовская пара з'яўляецца базона.

Звышправаднікамі пры вызначаных тэмпературах з'яўляюцца адны элементы, напрыклад, кадмій, волава, алюміній, ірыдый, плаціна, іншыя пераходзяць у стан звышправоднасці толькі пры вельмі высокім ціску (напрыклад, кісларод, фосфар, сера, германій, літый) ці ў выглядзе тонкіх пластоў (вальфрам , берылій, хром), а некаторыя яшчэ не могуць быць звышправоднымі, напрыклад срэбра, медзь, золата, высакародныя газы, вадарод, хоць золата, срэбра і медзь з'яўляюцца аднымі з лепшых правадыроў пры пакаёвай тэмпературы.

"Высокая тэмпература" па-ранейшаму патрабуе вельмі нізкіх тэмператур

У 1964 годзе Уільям А. Літл выказаў здагадку магчымасць існавання высокатэмпературнай звышправоднасці ў арганічныя палімеры. Гэта прапанова заснавана на спарванні электронаў, апасродкаваным эксітонам, у адрозненне ад спарвання, апасродкаванага фононамі ў тэорыі БКШ. Тэрмін «высокатэмпературныя звышправаднікі» выкарыстоўваўся для апісання новага сямейства керамікі са структурай перовскита, адкрытага Ёханэсам Г. Беднарцам і К.А. Мюлерам у 1986 годзе, за што яны атрымалі Нобэлеўскую прэмію. Гэтыя новыя керамічныя звышправаднікі (2) былі выраблены з медзі і кіслароду, змяшанага з іншымі элементамі, такімі як лантан, барый і вісмута.

2. Керамічная пласціна, якая лунае над магутнымі магнітамі

З нашага пункту гледжання, «высокатэмпературная» звышправоднасць была яшчэ вельмі нізкай. Для нармальных ціскаў мяжа складала -140 ° С і нават такія звышправаднікі называлі «высокатэмпературнымі». Тэмпература звышправоднасці -70 ° С для серавадароду была дасягнута пры надзвычай высокіх цісках. Аднак высокатэмпературныя звышправаднікі для астуджэння патрабуюць адносна таннага вадкага азоту, а не вадкага гелія, што істотна.

З іншага боку, гэта ў асноўным далікатная кераміка, не вельмі практычная для выкарыстання ў электрычных сістэмах.

Навукоўцы ўсё яшчэ вераць, што ёсць лепшы варыянт, які чакае свайго адкрыцця, новы цудоўны матэрыял, які будзе адпавядаць такім крытэрам, як звышправоднасць пры пакаёвай тэмпературы, даступным і практычным ў выкарыстанні. Некаторыя даследаванні былі сканцэнтраваны на медзі, складаным крышталі, які змяшчае пласты атамаў медзі і кіслароду. Працягваюцца даследаванні некаторых анамальных, але невытлумачальных з навуковага пункта гледжання паведамленняў аб тым, што прасякнуты вадой графіт можа дзейнічаць як звышправаднік пры пакаёвай тэмпературы.

Апошнія гады былі сапраўдным патокам "рэвалюцый", "прарываў" і "новых кіраўнікоў" у галіне звышправоднасці пры больш высокіх тэмпературах. У кастрычніку 2020 года паведамлялася аб звышправоднасці пры пакаёвай тэмпературы (пры 15 ° C) у серавугляродзісты гідрыд (3), аднак, пры вельмі высокім ціску (267 гПа), які ствараецца зялёным лазерам. Святы Грааль, які быў бы адносна танным матэрыялам, якія валодаюць звышправоднасцю пры пакаёвай тэмпературы і нармальным ціску, яшчэ трэба будзе знайсці.

3. Матэрыял на аснове вугляроду, які валодае звышправоднасцю пры 15 °C.

Рассвет магнітнага стагоддзя

Пералік магчымых ужыванняў высокатэмпературных звышправаднікоў можна пачаць з электронікі і вылічальнай тэхнікі, лагічных прылад, элементаў памяці, перамыкачоў і злучэнняў, генератараў, узмацняльнікаў, паскаральнікаў часціц. Далей па спісе: высокачуллівая прылада для вымярэння магнітных палёў, высілкаў або токаў, магніты для медыцынскія апараты МРТ, магнітныя назапашвальнікі энергіі, якія лятуюць звышхуткасныя пасажырскія цягнікі, рухавікі, генератары, трансфарматары і лініі электраперадач. Асноўнымі перавагамі гэтых звышправодных прылад мары будуць нізкае рассейванне магутнасці, высокая хуткасць працы і надзвычайная адчувальнасць.

Для звышправаднікоў. Ёсць прычына, па якой электрастанцыі часта будуюць паблізу ад ажыўленых гарадоў. Нават 30 працэнтаў. створаныя імі Электрычная энергія ён можа быць страчаны на лініях перадачы. Гэта распаўсюджаная праблема з электрапрыборамі. Вялікая частка энергіі сыходзіць на цеплыню. Таму значная частка паверхні кампутара адведзена пад астуджальныя дэталі, якія дапамагаюць рассейваць цяпло, якое выдаткоўваецца схемамі.

Звышправаднікі вырашаюць праблему страт энергіі на цеплыню. У рамках эксперыментаў навукоўцам, напрыклад, удаецца зарабляць на жыццё электрычны ток усярэдзіне звышправоднага кольца больш за два гады. І гэта без дадатковай энэргіі.

Адзіная прычына, па якой ток спыніўся, заключалася ў тым, што не было доступу да вадкага гелію, а не ў тым, што ток не мог працягваць цечу. Нашы эксперыменты прыводзяць нас да думкі, што токі ў звышправодных матэрыялах могуць цячы сотні тысяч гадоў, калі не больш. Электрычны ток у звышправадніках можа цечу вечна, перадаючы энергію бясплатна.

в няма супраціву праз звышправодны провад мог працякаць вялізны ток, які, у сваю чаргу, генераваў магнітныя палі неверагоднай магутнасці. Іх можна выкарыстоўваць для левітацыі цягнікоў на маглеве (4), якія ўжо могуць развіваць хуткасць да 600 км/г і заснаваныя на звышправодныя магніты. Або выкарыстоўваць іх на электрастанцыях, замяніўшы традыцыйныя метады, пры якіх турбіны круцяцца ў магнітных палях для выпрацоўкі электраэнергіі. Магутныя звышправодныя магніты могуць дапамагчы кантраляваць рэакцыю ядзернага сінтэзу. Звышправодны провад можа выступаць у ролі ідэальнага назапашвальніка электраэнергіі, а не батарэі, і патэнцыял у сістэме будзе захоўвацца на тысячу і мільён гадоў.

У квантавых кампутарах вы можаце цечу па гадзіннікавай стрэлцы або супраць гадзіннікавай стрэлкі ў звышправадніку. Карабельныя і аўтамабільныя рухавікі былі б у дзесяць разоў менш, чым сёння, а дарагія медыцынскія дыягнастычныя МРТ-апараты змясціліся б на далоні. Сонечную энергію, сабраную на фермах у бязмежных пустынных пустынях па ўсім свеце, можна захоўваць і перадаваць без якіх-небудзь страт.

4. Японскі цягнік на магнітнай падвесцы

Па словах фізіка і вядомага папулярызатара навукі, Якутакія тэхналогіі, як звышправаднікі, адкрыюць новую эру. Калі б мы да гэтага часу жылі ў эпоху электрычнасці, звышправаднікі пры пакаёвай тэмпературы прынеслі б з сабой эпоху магнетызму.