Agar biz yuqori haroratli supero'tkazgichlarni olsak-chi? Umid bog'lashlari

Yo'qotishsiz uzatish liniyalari, past haroratli elektrotexnika, superelektromagnitlar, nihoyat, termoyadroviy reaktorlarda millionlab darajali plazmani yumshoq siqib chiqaradi, jim va tez maglev temir yo'li. Supero'tkazuvchilarga umidimiz juda ko'p ...

Supero'tkazuvchanlik nol elektr qarshiligining moddiy holati deyiladi. Bunga ba'zi materiallarda juda past haroratlarda erishiladi. U bu kvant hodisasini kashf etdi Kamerling Onnes (1) simobda, 1911 yilda. Klassik fizika uni tasvirlay olmaydi. Nolinchi qarshilikdan tashqari, supero'tkazgichlarning yana bir muhim xususiyati magnit maydonni uning hajmidan chiqarib yuboringMeissner effekti (I turdagi supero'tkazgichlarda) yoki magnit maydonning "girdoblar" ga (II turdagi supero'tkazgichlarda) fokuslanishi.

Ko'pgina supero'tkazgichlar faqat mutlaq nolga yaqin haroratlarda ishlaydi. 0 Kelvin (-273,15 °C) ekanligi xabar qilingan. Atomlarning harakati bu haroratda u deyarli yo'q. Bu supero'tkazgichlarning kalitidir. Odatdagidek elektronlar o'tkazgichda harakatlanuvchi boshqa tebranish atomlari bilan to'qnashib, sabab bo'ladi energiya yo'qolishi va qarshilik. Biroq, biz yuqori haroratlarda o'ta o'tkazuvchanlik mumkinligini bilamiz. Asta-sekin, biz bu ta'sirni pastroq minus Selsiyda va yaqinda hatto plyusda ko'rsatadigan materiallarni kashf etmoqdamiz. Biroq, bu yana odatda juda yuqori bosimni qo'llash bilan bog'liq. Eng katta orzu - bu texnologiyani xona haroratida ulkan bosimsiz yaratish.

Supero'tkazuvchanlik holatining paydo bo'lishining jismoniy asosi yuk tutuvchi juftlarni shakllantirish - deb atalmish Kuper. Bunday juftliklar bir xil energiyaga ega bo'lgan ikkita elektronning birlashishi natijasida paydo bo'lishi mumkin. Fermi energiyasi, ya'ni. fermionik tizimning energiyasi, hatto ular orasidagi o'zaro ta'sirning energiyasi juda kichik bo'lsa ham, yana bitta element qo'shilgandan so'ng ortib boruvchi eng kichik energiya. Bu materialning elektr xususiyatlarini o'zgartiradi, chunki bitta tashuvchilar fermionlar va juftlar bozonlardir.

Hamkorlik qilish shuning uchun u fononlar deb ataladigan kristall panjaraning tebranishlari orqali bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi ikkita fermion (masalan, elektronlar) tizimidir. Bu hodisa tasvirlangan Leona hamkorlik qiladi 1956 yilda yaratilgan va past haroratli o'ta o'tkazuvchanlikning BCS nazariyasining bir qismidir. Kuper juftini tashkil etuvchi fermionlar yarim spinga ega (ular qarama-qarshi yo'nalishda yo'naltirilgan), lekin natijada tizimning spini to'la, ya'ni Kuper jufti bozondir.

Muayyan haroratlarda o'ta o'tkazgichlar ba'zi elementlardir, masalan, kadmiy, qalay, alyuminiy, iridiy, platina, boshqalari faqat juda yuqori bosimda (masalan, kislorod, fosfor, oltingugurt, germaniy, litiy) o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tadi. yupqa qatlamlar shakli (volfram, berilliy, xrom) va ba'zilari hali o'ta o'tkazuvchan bo'lmasligi mumkin, masalan, kumush, mis, oltin, asil gazlar, vodorod, oltin, kumush va mis xona haroratida eng yaxshi o'tkazgichlar qatoriga kiradi.

"Yuqori harorat" hali juda past haroratni talab qiladi

1964 yil Uilyam A. Kichkina da yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlikning mavjudligini taklif qildi organik polimerlar. Ushbu taklif BCS nazariyasidagi fonon vositachiligidagi juftlashuvdan farqli o'laroq, eksiton vositachiligidagi elektron juftlashuvga asoslangan. "Yuqori haroratli supero'tkazgichlar" atamasi Johannes G. Bednorz va C.A. tomonidan kashf etilgan perovskit keramikalarining yangi oilasini tasvirlash uchun ishlatilgan. Myuller 1986 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. Ushbu yangi keramik supero'tkazgichlar (2) mis va kisloroddan lantan, bor va vismut kabi boshqa elementlar bilan aralashtirilgan.

2. Kuchli magnitlar ustida harakatlanuvchi keramik plastinka

Bizning fikrimizcha, "yuqori harorat" supero'tkazuvchanligi hali ham juda past edi. Oddiy bosimlar uchun chegara -140 ° S edi va hatto bunday supero'tkazgichlar "yuqori harorat" deb ataldi. Vodorod sulfidi uchun supero'tkazuvchanlik harorati -70 ° C ga juda yuqori bosimlarda erishildi. Biroq, yuqori haroratli supero'tkazgichlar sovutish uchun suyuq geliydan ko'ra nisbatan arzon suyuq azotni talab qiladi, bu juda muhimdir.

Boshqa tomondan, u asosan mo'rt keramika bo'lib, elektr tizimlarida foydalanish uchun juda amaliy emas.

Olimlar hali ham yaxshi variant, masalan, mezonlarga javob beradigan ajoyib yangi material kashf etilishi kutilayotganiga ishonishadi. xona haroratida o'ta o'tkazuvchanlikarzon va foydalanish uchun amaliy. Ba'zi tadqiqotlar mis va kislorod atomlari qatlamlarini o'z ichiga olgan murakkab kristall misga qaratilgan. Suv bilan namlangan grafit xona haroratida o'ta o'tkazgich rolini o'ynashi mumkinligi haqidagi ba'zi anomal, ammo ilmiy jihatdan tushunarsiz hisobotlar bo'yicha tadqiqotlar davom etmoqda.

So'nggi yillarda yuqori haroratlarda o'ta o'tkazuvchanlik sohasida "inqiloblar", "yurishlar" va "yangi boblar" ning haqiqiy oqimi bo'ldi. 2020-yil oktabr oyida xona haroratida (15°C da) o‘ta o‘tkazuvchanlik qayd etildi uglerod disulfidi gidridi (3), ammo yashil lazer tomonidan yaratilgan juda yuqori bosimda (267 GPa). Xona haroratida va normal bosimda o'ta o'tkazuvchan bo'ladigan nisbatan arzon material bo'lgan Muqaddas Grail hali topilmagan.

3. 15 ° C da o'ta o'tkazuvchan bo'lgan uglerod asosidagi material.

Magnit asrning boshlanishi

Yuqori haroratli supero'tkazgichlarning mumkin bo'lgan qo'llanilishini sanab o'tish elektronika va kompyuter texnologiyalari, mantiqiy qurilmalar, xotira elementlari, kalitlar va ulanishlar, generatorlar, kuchaytirgichlar, zarracha tezlatgichlaridan boshlanishi mumkin. Keyingi ro'yxatda: magnit maydonlarni, kuchlanishlarni yoki oqimlarni o'lchash uchun juda sezgir qurilmalar, magnitlar MRI tibbiy asboblari, magnit energiyani saqlash qurilmalari, levitating o'q poezdlari, dvigatellar, generatorlar, transformatorlar va elektr uzatish liniyalari. Bu orzu supero'tkazuvchi qurilmalar asosiy afzalliklari kam quvvat sarfi, yuqori tezlikda ishlash va bo'ladi haddan tashqari sezgirlik.

Supero'tkazuvchilar uchun. Elektr stantsiyalari ko'pincha gavjum shaharlar yaqinida qurilishining sababi bor. Hatto 30 foiz. ular tomonidan yaratilgan Elektr energiyasi u uzatish liniyalarida yo'qolishi mumkin. Bu elektr jihozlari bilan bog'liq keng tarqalgan muammo. Energiyaning katta qismi issiqlikka ketadi. Shuning uchun, kompyuterning sirtining muhim qismi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan issiqlikni yo'qotishga yordam beradigan sovutish qismlari uchun ajratilgan.

Supero'tkazuvchilar issiqlik uchun energiya yo'qotish muammosini hal qiladi. Tajribalarning bir qismi sifatida olimlar, masalan, pul topishga muvaffaq bo'lishadi Supero'tkazuvchi halqa ichidagi elektr toki ikki yildan ortiq. Va bu qo'shimcha energiyasiz.

Oqim to'xtab qolganining yagona sababi, oqimning davom eta olmaganligi uchun emas, balki suyuq geliyga kirish imkoni yo'qligi edi. Bizning tajribalarimiz bizni o'ta o'tkazuvchan materiallardagi oqimlar yuz minglab yillar davomida oqishi mumkinligiga ishonishimizga olib keladi, agar undan ko'p bo'lmasa. Supero'tkazuvchilardagi elektr toki abadiy oqishi mumkin, energiyani bepul uzatadi.

в qarshilik yo'q Supero'tkazuvchi sim orqali ulkan oqim o'tishi mumkin edi, bu esa o'z navbatida aql bovar qilmaydigan quvvatning magnit maydonlarini hosil qildi. Ular allaqachon 4 km/soat tezlikka erisha oladigan maglev poyezdlarini (600) ko‘tarish uchun ishlatilishi mumkin va Supero'tkazuvchi magnitlar. Yoki turbinalar elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun magnit maydonlarda aylanadigan an'anaviy usullarni almashtirib, elektr stantsiyalarida foydalaning. Kuchli o'ta o'tkazuvchan magnitlar termoyadroviy reaktsiyani boshqarishga yordam beradi. Supero'tkazuvchi sim batareya emas, balki ideal energiya saqlash moslamasi sifatida harakat qilishi mumkin va tizimdagi potentsial ming va million yil davomida saqlanib qoladi.

Kvant kompyuterlarida siz supero'tkazgichda soat yo'nalishi bo'yicha yoki teskari yo'nalishda oqishingiz mumkin. Kema va avtomobil dvigatellari hozirgidan o'n barobar kichikroq bo'lardi va qimmat tibbiy diagnostika MRI apparatlari kaftingizga sig'adi. Dunyo bo'ylab keng cho'l cho'llarida fermer xo'jaliklaridan to'plangan quyosh energiyasini hech qanday yo'qotishsiz saqlash va uzatish mumkin.

4. Yaponiyaning maglev poyezdi

Fizik va mashhur ilm-fanni ommalashtirishga ko'ra, Kakusupero'tkazgichlar kabi texnologiyalar yangi davrni boshlaydi. Agar biz hali ham elektr davrida yashagan bo'lsak, xona haroratidagi o'ta o'tkazgichlar magnitlanish davrini olib keladi.