Mi van, ha… magas hőmérsékletű szupravezetőket kapunk? A remény kötelékei

Veszteségmentes távvezetékek, alacsony hőmérsékletű elektrotechnika, szuperelektromágnesek, végre finoman összenyomja a több millió fokos plazmát termonukleáris reaktorokban, csendes és gyors maglev sín. Nagyon sok reményt fűzünk a szupravezetőkhöz...

Szupravezetés a nulla elektromos ellenállású anyagállapotot ún. Ez bizonyos anyagoknál nagyon alacsony hőmérsékleten érhető el. Ő fedezte fel ezt a kvantumjelenséget Kamerling Onnes (1) a higanyban, 1911-ben. A klasszikus fizika nem tudja leírni. A nulla ellenállás mellett a szupravezetők másik fontos jellemzője az nyomja ki a mágneses teret a térfogatábólaz úgynevezett Meissner-effektus (I. típusú szupravezetőknél), vagy a mágneses tér "örvényekké" fókuszálása (II. típusú szupravezetőknél).

A legtöbb szupravezető csak az abszolút nullához közeli hőmérsékleten működik. A jelentések szerint 0 Kelvin (-273,15 °C). Az atomok mozgása ezen a hőmérsékleten szinte nem is létezik. Ez a kulcsa a szupravezetőknek. Mint általában elektronok a vezetőben mozgó más rezgő atomokkal ütköznek, aminek következtében energiaveszteség és ellenállás. Tudjuk azonban, hogy magasabb hőmérsékleten is lehetséges a szupravezetés. Fokozatosan fedezzük fel azokat az anyagokat, amelyek ezt a hatást alacsonyabb mínusz Celsius-fokon, sőt mostanában pluszban is mutatják. Ez azonban általában a rendkívül magas nyomás alkalmazásához kapcsolódik. A legnagyobb álom az, hogy ezt a technológiát szobahőmérsékleten, gigantikus nyomás nélkül hozzuk létre.

A szupravezető állapot megjelenésének fizikai alapja az rakománymarkoló párok kialakulása - az úgynevezett Kádár. Ilyen párok létrejöhetnek két hasonló energiájú elektron egyesülésének eredményeként. Fermi energia, azaz a legkisebb energia, amellyel egy fermionos rendszer energiája megnő egy újabb elem hozzáadása után, még akkor is, ha a köztük lévő kölcsönhatás energiája nagyon kicsi. Ez megváltoztatja az anyag elektromos tulajdonságait, mivel az egyes hordozók fermionok, a párok pedig bozonok.

Együttműködik ezért két fermionból (például elektronokból) álló rendszer, amelyek a kristályrács rezgésein keresztül kölcsönhatásba lépnek egymással, ezeket fononoknak nevezzük. A jelenséget leírták Leona együttműködik 1956-ban, és része az alacsony hőmérsékletű szupravezetés BCS elméletének. A Cooper-párt alkotó fermionok félpörgésekkel rendelkeznek (amelyek ellentétes irányúak), de a rendszer így kapott spinje tele van, vagyis a Cooper-pár bozon.

A szupravezetők bizonyos hőmérsékleteken bizonyos elemek, például kadmium, ón, alumínium, irídium, platina, mások csak nagyon nagy nyomáson mennek át szupravezető állapotba (például oxigén, foszfor, kén, germánium, lítium) vagy vékony rétegek (volfrám, berillium, króm), és egyesek még nem szupravezetők, például ezüst, réz, arany, nemesgázok, hidrogén, bár az arany, ezüst és réz szobahőmérsékleten a legjobb vezetők közé tartozik.

A "magas hőmérséklet" még mindig nagyon alacsony hőmérsékletet igényel

In 1964 évben William A. Little felvetette a magas hőmérsékletű szupravezetés lehetőségét szerves polimerek. Ez a javaslat az exciton által közvetített elektronpárosításon alapul, szemben a fononok által közvetített párosítással a BCS elméletben. A "magas hőmérsékletű szupravezetők" kifejezést a Johannes G. Bednorz és C.A. által felfedezett perovszkit kerámia új családjának leírására használták. Müller 1986-ban, amiért Nobel-díjat kaptak. Ezek az új kerámia szupravezetők (2) rézből és oxigénből készültek más elemekkel, például lantánnal, báriummal és bizmuttal keverve.

2. Erős mágnesek felett lebeg kerámialap

A mi szempontunkból a "magas hőmérsékletű" szupravezetés még mindig nagyon alacsony volt. Normál nyomás esetén a határ -140°C volt, és még az ilyen szupravezetőket is "magas hőmérsékletűnek" nevezték. A hidrogén-szulfid -70°C-os szupravezetési hőmérsékletét rendkívül magas nyomáson érték el. A magas hőmérsékletű szupravezetők hűtéséhez azonban folyékony hélium helyett viszonylag olcsó folyékony nitrogénre van szükség, ami elengedhetetlen.

Másrészt többnyire törékeny kerámia, nem túl praktikus elektromos rendszerekben való használatra.

A tudósok még mindig úgy vélik, hogy van egy jobb lehetőség, amely felfedezésre vár, egy csodálatos új anyag, amely megfelel az olyan kritériumoknak, mint pl szupravezetés szobahőmérsékletenmegfizethető és praktikus használat. Egyes kutatások a rézre, egy összetett kristályra összpontosítottak, amely réz- és oxigénatomokat tartalmaz. Folytatódik a kutatás néhány rendhagyó, de tudományosan megmagyarázhatatlan jelentés alapján, amelyek szerint a vízzel átitatott grafit szobahőmérsékleten szupravezetőként működhet.

Az elmúlt évek „forradalmak”, „áttörések” és „új fejezetek” valóságos folyamát jelentették a magasabb hőmérsékleten történő szupravezetés területén. 2020 októberében szobahőmérsékleten (15°C-on) szupravezetésről számoltak be szén-diszulfid-hidrid (3), azonban nagyon magas nyomáson (267 GPa), amelyet a zöld lézer generál. A Szent Grált, amely egy viszonylag olcsó anyag lenne, amely szobahőmérsékleten és normál nyomáson szupravezető lenne, még nem találták meg.

3. Szén alapú anyag, amely 15°C-on szupravezető.

A mágneses kor hajnala

A magas hőmérsékletű szupravezetők alkalmazási lehetőségeinek számbavétele az elektronikával és számítástechnikával, logikai eszközökkel, memóriaelemekkel, kapcsolókkal és csatlakozásokkal, generátorokkal, erősítőkkel, részecskegyorsítókkal kezdődhet. Következő a listán: rendkívül érzékeny készülékek mágneses mezők, feszültségek vagy áramok mérésére, mágnesek a MRI orvosi eszközök, mágneses energiatároló eszközök, lebegő lövedékvonatok, motorok, generátorok, transzformátorok és elektromos vezetékek. Ezeknek az álomszupravezető eszközöknek a fő előnyei az alacsony teljesítménydisszipáció, a nagy sebességű működés és rendkívüli érzékenység.

szupravezetők számára. Megvan az oka annak, hogy gyakran építenek erőműveket a forgalmas városok közelében. Akár 30 százalékot is. általuk létrehozott Elektromos energia távvezetékeken elveszhet. Ez gyakori probléma az elektromos készülékeknél. Az energia nagy része fűtésre megy el. Ezért a számítógép felületének jelentős része az áramkörök által termelt hő elvezetését segítő hűtési részek számára van fenntartva.

A szupravezetők megoldják a hőenergia-veszteség problémáját. A kísérletek részeként a tudósoknak például sikerül megélni elektromos áram a szupravezető gyűrűn belül több mint két év. És ez további energia nélkül.

Az egyetlen ok, amiért az áram leállt, az volt, hogy nem lehetett hozzáférni a folyékony héliumhoz, nem pedig azért, mert az áram nem tudott tovább folyni. Kísérleteink arra engednek következtetni, hogy a szupravezető anyagokban lévő áramok több százezer évig, ha nem tovább folyhatnak. Az elektromos áram a szupravezetőkben örökké áramolhat, és ingyen továbbítja az energiát.

в nincs ellenállás hatalmas áram folyhatott át a szupravezető vezetéken, ami viszont hihetetlen erősségű mágneses mezőket generált. Segítségükkel lebegtethetők a maglev vonatok (4), amelyek már akár 600 km/órás sebességet is elérhetnek, és a szupravezető mágnesek. Vagy használja őket erőművekben, felváltva a hagyományos módszereket, amelyekben a turbinák mágneses mezőben forognak elektromos áramot termelve. Az erős szupravezető mágnesek segíthetnek szabályozni a fúziós reakciót. A szupravezető huzal ideális energiatároló eszközként működhet, nem pedig akkumulátor, és a rendszerben rejlő potenciál ezer és millió évig megmarad.

A kvantumszámítógépekben az óramutató járásával megegyezően vagy azzal ellentétes irányban lehet áramolni egy szupravezetőben. A hajó- és autómotorok tízszer kisebbek lennének, mint manapság, a drága orvosi diagnosztikai MRI gépek pedig elférnének a tenyerében. A világ hatalmas sivatagi sivatagainak farmjairól gyűjtött napenergia veszteség nélkül tárolható és továbbítható.

4. Japán maglev vonat

A fizikus és a tudomány híres népszerűsítője szerint Kakuaz olyan technológiák, mint a szupravezetők, új korszakot nyitnak meg. Ha még az elektromosság korszakát élnénk, a szobahőmérsékletű szupravezetők magukkal hoznák a mágnesesség korszakát.