Bəs əgər... yüksək temperaturlu superkeçiricilər əldə etsək? Ümid bağları

İtkisiz ötürmə xətləri, aşağı temperaturlu elektrik mühəndisliyi, superelektromaqnitlər, nəhayət, termonüvə reaktorlarında milyonlarla dərəcə plazmanı yumşaq bir şəkildə sıxışdıran, sakit və sürətli maglev dəmir yolu. Superkeçiricilərə o qədər ümidlərimiz var ki...

Superkeçiricilik sıfır elektrik müqavimətinin maddi vəziyyəti adlanır. Bu, bəzi materiallarda çox aşağı temperaturda əldə edilir. O, bu kvant hadisəsini kəşf etdi Kamerlinq Onnes (1) civədə, 1911-ci ildə. Klassik fizika onu təsvir edə bilmir. Sıfır müqavimətə əlavə olaraq, superkeçiricilərin başqa bir mühüm xüsusiyyətidir maqnit sahəsini həcmindən kənara itələyinMeissner effekti adlanan (I tip superkeçiricilərdə) və ya maqnit sahəsinin "vortekslərə" fokuslanması (II tip superkeçiricilərdə).

Əksər superkeçiricilər yalnız mütləq sıfıra yaxın temperaturda işləyir. 0 Kelvin (-273,15 °C) olduğu bildirilir. Atomların hərəkəti bu temperaturda demək olar ki, yoxdur. Bu superkeçiricilərin açarıdır. Normalda elektronlar dirijorda hərəkət edən digər titrəmə atomları ilə toqquşmasına səbəb olur enerji itkisi və müqavimət. Bununla belə, biz bilirik ki, daha yüksək temperaturda super keçiricilik mümkündür. Tədricən biz bu effekti daha aşağı mənfi Selsidə və son vaxtlar hətta plusda göstərən materiallar kəşf edirik. Bununla belə, bu, adətən son dərəcə yüksək təzyiqin tətbiqi ilə əlaqələndirilir. Ən böyük arzu bu texnologiyanı nəhəng təzyiq olmadan otaq temperaturunda yaratmaqdır.

Superkeçiricilik vəziyyətinin görünüşü üçün fiziki əsasdır yük tutucu cütlərin formalaşması - sözdə Kuper. Belə cütlər oxşar enerjilərə malik iki elektronun birləşməsi nəticəsində yarana bilər. Fermi enerjisi, yəni. fermionik sistemin enerjisinin daha bir elementin əlavə edilməsindən sonra artacağı ən kiçik enerji, hətta onları birləşdirən qarşılıqlı təsirin enerjisi çox kiçik olsa belə. Bu, materialın elektrik xüsusiyyətlərini dəyişir, çünki tək daşıyıcılar fermionlar və cütlər bozonlardır.

Əməkdaşlıq edin ona görə də o, fonon adlanan kristal qəfəsin titrəyişləri vasitəsilə bir-biri ilə qarşılıqlı təsirdə olan iki fermionun (məsələn, elektronların) sistemidir. Bu fenomen təsvir edilmişdir Leona əməkdaşlıq edir 1956-cı ildə hazırlanmışdır və aşağı temperaturlu superkeçiriciliyin BCS nəzəriyyəsinin bir hissəsidir. Kuper cütünü təşkil edən fermionların yarım spinləri (əks istiqamətlərə yönəldilir), lakin sistemin nəticədə spini doludur, yəni Kuper cütü bozondur.

Müəyyən temperaturda superkeçiricilər bəzi elementlərdir, məsələn, kadmium, qalay, alüminium, iridium, platin, digərləri isə yalnız çox yüksək təzyiqdə (məsələn, oksigen, fosfor, kükürd, germanium, litium) superkeçiricilik vəziyyətinə keçirlər. nazik təbəqələrin forması (volfram, berilyum, xrom) və bəziləri hələ super keçirici olmaya bilər, məsələn, gümüş, mis, qızıl, nəcib qazlar, hidrogen, baxmayaraq ki, qızıl, gümüş və mis otaq temperaturunda ən yaxşı keçiricilər arasındadır.

"Yüksək temperatur" hələ də çox aşağı temperatur tələb edir

1964 il William A. Little da yüksək temperaturda superkeçiriciliyin mövcud olması ehtimalını irəli sürdü üzvi polimerlər. Bu təklif, BCS nəzəriyyəsində fonon vasitəçiliyi ilə cütləşmədən fərqli olaraq, eksiton vasitəçiliyi ilə elektron cütləşməsinə əsaslanır. "Yüksək temperaturlu superkeçiricilər" termini Johannes G. Bednorz və C.A. tərəfindən kəşf edilmiş perovskit strukturlu keramikaların yeni ailəsini təsvir etmək üçün istifadə edilmişdir. Müller 1986-cı ildə Nobel mükafatını aldılar. Bu yeni keramika superkeçiriciləri (2) lantan, barium və vismut kimi digər elementlərlə qarışdırılmış mis və oksigendən hazırlanmışdır.

2. Güclü maqnitlər üzərində hərəkət edən keramika lövhəsi

Bizim nöqteyi-nəzərimizdən "yüksək temperatur" superkeçiriciliyi hələ də çox aşağı idi. Normal təzyiqlər üçün həddi -140 ° C idi və hətta belə superkeçiricilər "yüksək temperatur" adlanırdı. Həddindən artıq yüksək təzyiqlərdə hidrogen sulfid üçün -70°C superkeçiricilik temperaturu əldə edilmişdir. Bununla belə, yüksək temperaturlu superkeçiricilər soyutma üçün vacib olan maye heliumdan daha çox nisbətən ucuz maye azot tələb edir.

Digər tərəfdən, o, əsasən kövrək keramikadır, elektrik sistemlərində istifadə üçün çox praktik deyil.

Elm adamları hələ də kəşf edilməyi gözləyən daha yaxşı bir variantın, məsələn, meyarlara cavab verəcək gözəl yeni materialın olduğuna inanırlar. otaq temperaturunda super keçiriciliksərfəli və istifadəsi praktikdir. Bəzi tədqiqatlar mis və oksigen atomlarının qatlarını ehtiva edən mürəkkəb bir kristal olan mis üzərində cəmlənmişdir. Su ilə isladılmış qrafitin otaq temperaturunda superkeçirici rolunu oynaya biləcəyinə dair bəzi anormal, lakin elmi izahı olmayan hesabatlar üzərində araşdırmalar davam edir.

Son illər daha yüksək temperaturda superkeçiricilik sahəsində "inqilabların", "sıçrayışların" və "yeni fəsillərin" əsl axını olmuşdur. 2020-ci ilin oktyabr ayında otaq temperaturunda (15°C-də) superkeçiricilik qeydə alınıb karbon disulfid hidrid (3), lakin yaşıl lazer tərəfindən yaradılan çox yüksək təzyiqdə (267 GPa). Otaq temperaturunda və normal təzyiqdə yüksək keçiricilik qabiliyyətinə malik olan nisbətən ucuz material olan Müqəddəs Grail hələ tapılmayıb.

3. 15°C-də super keçirici olan karbon əsaslı material.

Maqnit dövrünün şəfəqi

Yüksək temperaturlu superkeçiricilərin mümkün tətbiqlərinin sadalanması elektronika və kompüterlər, məntiq cihazları, yaddaş elementləri, açarlar və birləşmələr, generatorlar, gücləndiricilər, hissəcik sürətləndiriciləri ilə başlaya bilər. Siyahıda növbəti: maqnit sahələrini, gərginlikləri və ya cərəyanları ölçmək üçün yüksək həssas cihazlar, maqnitlər MRT tibbi cihazları, maqnit enerjisi saxlama cihazları, qaldırıcı güllə qatarları, mühərriklər, generatorlar, transformatorlar və elektrik xətləri. Bu yuxu superkeçirici cihazların əsas üstünlükləri aşağı enerji itkisi, yüksək sürətli işləmə və olacaq həddindən artıq həssaslıq.

superkeçiricilər üçün. Elektrik stansiyalarının tez-tez hərəkətli şəhərlərin yaxınlığında qurulmasının bir səbəbi var. Hətta 30 faiz. onlar tərəfindən yaradılmışdır Elektrik enerjisi ötürmə xətlərində itə bilər. Bu, elektrik cihazları ilə əlaqəli ümumi bir problemdir. Enerjinin çox hissəsi istiliyə gedir. Buna görə də, kompüterin səthinin əhəmiyyətli bir hissəsi sxemlərin yaratdığı istiliyi dağıtmağa kömək edən hissələrin soyudulması üçün ayrılmışdır.

Superkeçiricilər istilik üçün enerji itkisi problemini həll edir. Təcrübələrin bir hissəsi olaraq, məsələn, elm adamları pul qazanmağı bacarırlar superkeçirici halqanın içərisində elektrik cərəyanı iki ildən çox. Və bu əlavə enerji olmadan.

Cərəyanın dayanmasının yeganə səbəbi cərəyanın axmağa davam edə bilməməsi deyil, maye heliuma çıxışın olmaması idi. Təcrübələrimiz bizi superkeçirici materiallardakı cərəyanların yüz minlərlə, hətta daha çox il ərzində aça biləcəyinə inandırır. Superkeçiricilərdəki elektrik cərəyanı enerjini pulsuz ötürərək əbədi olaraq axa bilər.

в müqavimət yoxdur superkeçirici məftildən nəhəng cərəyan keçə bilərdi ki, bu da öz növbəsində inanılmaz gücə malik maqnit sahələri yaradırdı. Onlar artıq 4 km/saat sürətə çata bilən və maqlev qatarlarını (600) havaya qaldırmaq üçün istifadə edilə bilər. superkeçirici maqnitlər. Və ya turbinlərin elektrik enerjisi yaratmaq üçün maqnit sahələrində fırlandığı ənənəvi üsulları əvəz edərək elektrik stansiyalarında istifadə edin. Güclü superkeçirici maqnitlər birləşmə reaksiyasını idarə etməyə kömək edə bilər. Superkeçirici məftil akkumulyator deyil, ideal enerji saxlama cihazı kimi çıxış edə bilər və sistemdəki potensial min milyon il ərzində qorunub saxlanılacaq.

Kvant kompüterlərində bir superkeçiricidə saat əqrəbi istiqamətində və ya saat əqrəbinin əksinə axmaq olar. Gəmi və avtomobil mühərrikləri indikindən on dəfə kiçik olardı və bahalı tibbi diaqnostik MRT aparatları ovucun içinə sığardı. Dünyanın ən böyük səhra çöllərindəki fermalardan toplanan günəş enerjisi heç bir itki olmadan saxlanıla və ötürülə bilər.

4. Yapon maqlev qatarı

Fizik və elmin məşhur populyarlaşdırıcısına görə, Kakusuperkeçiricilər kimi texnologiyalar yeni bir dövr açacaq. Əgər biz hələ də elektrik dövründə yaşasaydıq, otaq temperaturunda olan superkeçiricilər özləri ilə maqnitçilik dövrünü gətirərdilər.