Ya yüksek sıcaklıkta süper iletkenler elde edersek? Umut Bağları

Kayıpsız güç hatları, düşük sıcaklıklı elektrik mühendisliği, süper elektromıknatıslar nihayet füzyon reaktörlerinde milyonlarca derecelik plazmayı yavaşça sıkıştırıyor, sessiz ve hızlı bir maglev rayı. Süperiletkenlere dair o kadar çok umudumuz var ki...

Süperiletkenlik elektriksel direncin sıfır olduğu maddi duruma denir. Bu, bazı malzemelerde çok düşük sıcaklıklarda elde edilir. Bu kuantum fenomenini keşfetti Kamerling Onnes (1) 1911'de cıvada. Klasik fizik bunun tanımıyla başa çıkamaz. Sıfır direncin yanı sıra süperiletkenlerin bir diğer önemli özelliği de manyetik alanı hacminin dışına itinMeissner etkisi (tip I süperiletkenlerde) veya manyetik alanın “girdaplara” (tip II süperiletkenlerde) odaklanması olarak adlandırılır.

Çoğu süperiletken yalnızca mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışır. 0 Kelvin (-273,15 °C) olduğu belirtiliyor. Atomik hareket bu sıcaklıkta neredeyse hiç yok. Süperiletkenlerin anahtarı budur. Her zaman olduğu gibi elektronlar Bir iletken içinde hareket eden atomlar titreşen diğer atomlarla çarpışarak enerji kaybı ve direnç. Ancak daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenliğin mümkün olduğunu biliyoruz. Yavaş yavaş bu etkiyi daha düşük eksi Celsius'ta ve hatta son zamanlarda pozitif Celsius'ta gösteren malzemeleri keşfediyoruz. Ancak bu da genellikle aşırı yüksek basınç uygulanmasını gerektirir. En büyük hayali bu teknolojiyi çok fazla baskı olmadan oda sıcaklığında yaratmak.

Süperiletkenlik durumunun ortaya çıkmasının fiziksel temeli yük kavrayıcı çiftlerinin oluşumu - sözde Cooper. Bu tür çiftler, benzer enerjilere sahip iki elektronun birleşimi sonucu ortaya çıkabilir. Fermi enerjisiyani Fermiyonik bir sistemin enerjisinin, onları birbirine bağlayan etkileşimin enerjisi çok küçük olsa bile, bir element daha eklendikten sonra artacağı en küçük enerji. Tekli taşıyıcılar fermiyon ve çiftler bozon olduğundan bu durum malzemenin elektriksel özelliklerini değiştirir.

işbirliği yapmak bu nedenle, fonon adı verilen kristal kafes titreşimleri aracılığıyla birbirleriyle etkileşime giren iki fermiyonun (elektronlar gibi) oluşturduğu bir sistemdir. Olayın anlatıldığı Leona işbirliği yapıyor 1956'da BCS'nin düşük sıcaklık süperiletkenliği teorisinin bir parçasıdır. Cooper çiftini oluşturan fermiyonların yarım dönüşleri vardır (zıt yönlerdedir), ancak sistemin sonuçtaki dönüşü tamdır, yani Cooper çifti bir bozondur.

Bazı elementler belirli sıcaklıklarda süper iletkendir, örneğin kadmiyum, kalay, alüminyum, iridyum, platin, diğerleri yalnızca çok yüksek basınçta (örneğin oksijen, fosfor, kükürt, germanyum, lityum) veya ince tabakalardan (tungsten, berilyum, krom) oluşur ve gümüş, bakır, altın, soy gazlar, hidrojen gibi bazıları henüz süper iletken olamaz, ancak altın, gümüş ve bakır oda sıcaklığında en iyi iletkenler arasındadır.

"Yüksek sıcaklık" hala çok düşük sıcaklıklar gerektiriyor

1964 yıl William A. Küçük yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin var olma olasılığını öne sürdü organik polimerler. Bu öneri, BCS teorisindeki fonon aracılı eşleşmenin aksine, eksiton aracılı elektron eşleşmesine dayanmaktadır. "Yüksek sıcaklık süper iletkenleri" terimi, Johannes G. Bednorz ve K.A. tarafından keşfedilen perovskit yapıya sahip yeni bir seramik ailesini tanımlamak için kullanıldı. 1986'da Müller'e Nobel Ödülü verildi. Bu yeni seramik süper iletkenler (2), lantan, baryum ve bizmut gibi diğer elementlerle karıştırılmış bakır ve oksijenden yapılmıştır.

2. Güçlü mıknatısların üzerinde yüzen seramik plaka

Bizim bakış açımıza göre “yüksek sıcaklık” süperiletkenliği hala çok düşüktü. Normal basınçlar için sınır -140°C idi ve bu tür süper iletkenlere bile "yüksek sıcaklık" adı verildi. Hidrojen sülfür için -70°C'lik süperiletkenlik sıcaklığına son derece yüksek basınçlarda ulaşıldı. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki süper iletkenler, soğutma için gerekli olan sıvı helyum yerine nispeten ucuz sıvı nitrojen gerektirir.

Öte yandan çoğunlukla kırılgan seramik olduğundan elektrik sistemlerinde kullanımı pek pratik değildir.

Bilim insanları hala keşfedilmeyi bekleyen daha iyi bir seçenek olduğuna inanıyor; aşağıdaki gibi kriterleri karşılayacak yeni ve dikkate değer bir malzeme: oda sıcaklığında süperiletkenlikUygun fiyatlı ve kullanımı pratiktir. Bazı araştırmalar, bakır ve oksijen atomu katmanlarını içeren karmaşık bir kristal olan bakıra odaklandı. Araştırmalar, suya batırılmış grafitin oda sıcaklığında süperiletken görevi görebileceğine dair bazı anormal ancak bilimsel olarak açıklanamayan raporlarla devam ediyor.

Son yıllar, yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik alanında gerçek bir "devrimler", "atılımlar" ve "yeni bölümler" akışı oldu. Ekim 2020'de oda sıcaklığında (15°C'de) süperiletkenlik rapor edildi. karbon disülfit hidrür (3) ancak yeşil lazerin ürettiği çok yüksek basınçta (267 GPa). Nispeten ucuz bir malzeme olan ve oda sıcaklığında ve normal basınçta süper iletken olan Kutsal Kase henüz bulunamadı.

3. 15°C'de süperiletken olan karbon bazlı malzeme.

Manyetik Çağın Şafağı

Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin olası uygulamalarının listesi elektronik ve bilgisayar teknolojisi, mantık cihazları, bellek elemanları, anahtarlar ve bağlantılar, jeneratörler, amplifikatörler, parçacık hızlandırıcılarla başlayabilir. Listenin bir sonraki sırasında: manyetik alanları, voltajları veya akımları ölçmek için son derece hassas cihazlar, tıbbi MRI makineleri, manyetik enerji depolama cihazları, havaya uçan hızlı trenler, motorlar, jeneratörler, transformatörler ve güç hatları. Bu rüya gibi süper iletken cihazların temel avantajları, düşük güç tüketimi, yüksek çalışma hızı ve aşırı hassasiyet.

Süperiletkenler için. Enerji santrallerinin genellikle yoğun şehirlerin yakınında inşa edilmesinin bir nedeni var. Yüzde 30'u bile. onlar tarafından yaratıldı Elektrik enerjisi iletim hatlarında kaybolabilir. Bu, elektrikli cihazlarda sık görülen bir sorundur. Enerjinin çoğu ısıya harcanır. Bu nedenle, bilgisayarın yüzey alanının önemli bir kısmı, devreler tarafından üretilen ısının dağıtılmasına yardımcı olan soğutma bileşenlerine ayrılmıştır.

Süperiletkenler ısıdan kaynaklanan enerji kaybı sorununu çözer. Örneğin bilim insanları deneylerin bir parçası olarak geçimini sağlamayı başarıyor süper iletken bir halka içindeki elektrik akımı iki yıldan fazla. Üstelik bu, ek enerji gerektirmeden gerçekleşir.

Akımın durmasının tek nedeni, akımın akmaya devam edememesi değil, sıvı helyuma erişimin olmamasıydı. Deneylerimiz bizi süperiletken malzemelerdeki akımların yüzbinlerce yıl, hatta daha fazla süre boyunca akabileceğine inanmaya yöneltti. Süper iletkenlerdeki elektrik akımı sonsuza kadar akabilir ve enerjiyi bedavaya aktarabilir.

в direnç yok Süperiletken telin içinden büyük bir akım akabilir ve bu da inanılmaz güçte manyetik alanlar oluşturabilir. Halihazırda 4 km/sa hıza ulaşabilen maglev trenlerini (600) havaya kaldırmak için kullanılabilirler ve süper iletken mıknatıslar. Veya elektrik üretmek için türbinleri manyetik alanlarda döndüren geleneksel yöntemlerin yerine bunları enerji santrallerinde kullanın. Güçlü süper iletken mıknatıslar nükleer füzyon reaksiyonlarının kontrol edilmesine yardımcı olabilir. Süper iletken tel, pil yerine ideal bir enerji depolama cihazı görevi görebilecek ve sistemdeki potansiyel bin bir milyon yıl boyunca korunacak.

Kuantum bilgisayarlarda bir süperiletkende saat yönünde veya saat yönünün tersine akış yapabilirsiniz. Gemi ve araba motorları bugünkünden on kat daha küçük olacaktı ve pahalı tıbbi teşhis MRI makineleri avucunuzun içine sığacaktı. Dünya çapında uçsuz bucaksız çöl çöllerindeki çiftliklerden toplanan güneş enerjisi, hiçbir kayıp olmadan depolanabiliyor ve aktarılabiliyor.

4. Japon maglev treni

Fizikçi ve bilimin ünlü popülerleştiricisine göre, KakuSüperiletkenler gibi teknolojiler yeni bir çağ açacak. Eğer hâlâ elektrik çağında yaşıyor olsaydık, oda sıcaklığındaki süperiletkenler, beraberinde manyetizma çağını da getirirdi.