Wat as ... ons hoƫ-temperatuur supergeleiers kry? Binding van hoop
Verlieslose transmissielyne, lae-temperatuur elektriese ingenieurswese, superelektromagnete, uiteindelik liggies saampers miljoene grade van plasma in termonukleĆŖre reaktore, 'n stil en vinnige maglev spoor. Ons het soveel hoop vir supergeleiers...
Supergeleiding die materiƫle toestand van nul elektriese weerstand word genoem. Dit word in sommige materiale by baie lae temperature bereik. Hy het hierdie kwantumverskynsel ontdek Kamerling Onnes (1) in kwik, in 1911. Klassieke fisika slaag nie daarin om dit te beskryf nie. Benewens nul weerstand, is nog 'n belangrike kenmerk van supergeleiers druk die magneetveld uit sy volumedie sogenaamde Meissner-effek (in tipe I supergeleiers) of die fokus van die magneetveld in "vorteks" (in tipe II supergeleiers).
Die meeste supergeleiers werk net by temperature naby aan absolute nul. Daar word gerapporteer dat dit 0 Kelvin (-273,15 Ā°C) is. Die beweging van atome by hierdie temperatuur is dit amper nie-bestaande nie. Dit is die sleutel tot supergeleiers. Normaalweg elektrone beweeg in die geleier bots met ander vibrerende atome, wat veroorsaak energieverlies en weerstand. Ons weet egter dat supergeleiding moontlik is by hoĆ«r temperature. Geleidelik ontdek ons āāmateriale wat hierdie effek toon teen 'n laer minus Celsius, en onlangs selfs by plus. Dit word egter weer gewoonlik geassosieer met die toepassing van uiters hoĆ« druk. Die grootste droom is om hierdie tegnologie by kamertemperatuur te skep sonder reusagtige druk.
Die fisiese basis vir die voorkoms van die toestand van supergeleiding is vorming van pare vraggrypers - die sogenaamde Cooper. Sulke pare kan ontstaan āāas gevolg van die vereniging van twee elektrone met soortgelyke energieĆ«. Fermi energie, d.w.s. die kleinste energie waarmee die energie van 'n fermioniese sisteem sal toeneem na die byvoeging van nog een element, selfs wanneer die energie van die interaksie wat hulle bind baie klein is. Dit verander die elektriese eienskappe van die materiaal, aangesien die enkele draers fermione is en die pare bosone.
Werk saam daarom is dit 'n stelsel van twee fermione (byvoorbeeld elektrone) wat met mekaar in wisselwerking tree deur vibrasies van die kristalrooster, fonone genoem. Die verskynsel is beskryf Leona werk saam in 1956 en is deel van die BCS-teorie van lae-temperatuur supergeleiding. Die fermione waaruit die Cooper-paar bestaan, het halwe spins (wat in teenoorgestelde rigtings gerig is), maar die gevolglike spin van die stelsel is vol, dit wil sĆŖ, die Cooper-paar is 'n boson.
Supergeleiers by sekere temperature is sommige elemente, byvoorbeeld kadmium, tin, aluminium, iridium, platinum, ander gaan slegs teen baie hoƫ druk in die toestand van supergeleiding oor (byvoorbeeld suurstof, fosfor, swael, germanium, litium) of in die vorm van dun lae (wolfram, berillium, chroom), en sommige is dalk nog nie supergeleidend nie, soos silwer, koper, goud, edelgasse, waterstof, hoewel goud, silwer en koper van die beste geleiers by kamertemperatuur is.
"Hoƫ temperatuur" vereis steeds baie lae temperature
In 1964 jaar William A. Little het die moontlikheid van die bestaan āāvan hoĆ«-temperatuur supergeleiding in organiese polimere. Hierdie voorstel is gebaseer op eksiton-gemedieerde elektronparing in teenstelling met fonon-gemedieerde paring in BCS teorie. Die term "hoĆ« temperatuur supergeleiers" is gebruik om 'n nuwe familie van perovskiet-gestruktureerde keramiek te beskryf wat deur Johannes G. Bednorz en C.A. MĆ¼ller in 1986, waarvoor hulle die Nobelprys ontvang het. Hierdie nuwe keramiese supergeleiers (2) is gemaak van koper en suurstof gemeng met ander elemente soos lantaan, barium en bismut.
2. Keramiekplaat wat oor kragtige magnete hang
Uit ons oogpunt was "hoĆ« temperatuur" supergeleiding steeds baie laag. Vir normale druk was die limiet -140Ā°C, en selfs sulke supergeleiers is "hoĆ«-temperatuur" genoem. Die supergeleidingstemperatuur van -70Ā°C vir waterstofsulfied is by uiters hoĆ« drukke bereik. HoĆ«-temperatuur supergeleiers benodig egter relatief goedkoop vloeibare stikstof vir verkoeling, eerder as vloeibare helium, wat noodsaaklik is.
Aan die ander kant is dit meestal bros keramiek, nie baie prakties vir gebruik in elektriese stelsels nie.
Wetenskaplikes glo steeds dat daar 'n beter opsie is wat wag om ontdek te word, 'n wonderlike nuwe materiaal wat aan kriteria sal voldoen soos bv. supergeleiding by kamertemperatuurbekostigbaar en prakties om te gebruik. Sommige navorsing het gefokus op koper, 'n komplekse kristal wat lae koper- en suurstofatome bevat. Navorsing gaan voort oor sommige onreƫlmatige maar wetenskaplik onverklaarde verslae dat watergeweekte grafiet as 'n supergeleier by kamertemperatuur kan optree.
Die afgelope jare was 'n ware stroom van "revolusies", "deurbrake" en "nuwe hoofstukke" op die gebied van supergeleiding by hoĆ«r temperature. In Oktober 2020 is supergeleiding by kamertemperatuur (by 15Ā°C) aangemeld koolstofdisulfiedhidried (3) egter by baie hoĆ« druk (267 GPa) wat deur die groen laser gegenereer word. Die Heilige Graal, wat 'n relatief goedkoop materiaal sou wees wat by kamertemperatuur en normale druk supergeleidend sou wees, moet nog gevind word.
3. Koolstof-gebaseerde materiaal supergeleidend by 15Ā°C.
Aanbreek van die Magnetiese Era
Die opsomming van moontlike toepassings van hoƫ-temperatuur supergeleiers kan begin met elektronika en rekenaars, logika toestelle, geheue elemente, skakelaars en verbindings, kragopwekkers, versterkers, deeltjie versnellers. Volgende op die lys: hoogs sensitiewe toestelle vir die meet van magnetiese velde, spanning of strome, magnete vir MRI mediese toestelle, magnetiese energie stoor toestelle, swewende koeƫl treine, enjins, kragopwekkers, transformators en kraglyne. Die belangrikste voordele van hierdie droom supergeleidende toestelle sal lae kragdissipasie, hoƫspoed werking en uiterste sensitiwiteit.
vir supergeleiers. Daar is 'n rede waarom kragsentrales dikwels naby besige stede gebou word. Selfs 30 persent. deur hulle geskep Elektriese energie dit kan op transmissielyne verlore gaan. Dit is 'n algemene probleem met elektriese toestelle. Die meeste van die energie gaan na hitte. Daarom is 'n beduidende deel van die oppervlak van die rekenaar gereserveer vir verkoeling van dele wat help om die hitte wat deur die stroombane gegenereer word, te verdryf.
Supergeleiers los die probleem van energieverliese vir hitte op. As deel van eksperimente kry wetenskaplikes dit byvoorbeeld reg om 'n bestaan āāte verdien elektriese stroom binne die supergeleidende ring oor twee jaar. En dit is sonder bykomende energie.
Die enigste rede waarom die stroom gestop het, was omdat daar geen toegang tot vloeibare helium was nie, nie omdat die stroom nie kon aanhou vloei nie. Ons eksperimente laat ons glo dat strome in supergeleidende materiale vir honderde duisende jare kan vloei, indien nie meer nie. Elektriese stroom in supergeleiers kan vir ewig vloei en energie gratis oordra.
Š² geen weerstand nie 'n groot stroom kan deur die supergeleidende draad vloei, wat weer magnetiese velde van ongelooflike krag opgewek het. Hulle kan gebruik word om maglev-treine (4) te laat sweef, wat reeds snelhede van tot 600 km/h kan bereik en gebaseer is op supergeleidende magnete. Of gebruik dit in kragsentrales, en vervang tradisionele metodes waarin turbines in magnetiese velde draai om elektrisiteit op te wek. Kragtige supergeleidende magnete kan help om die samesmeltingsreaksie te beheer. ān Supergeleidende draad kan as ān ideale energiebergingstoestel optree, eerder as ān battery, en die potensiaal in die stelsel sal vir ān duisend en ān miljoen jaar behoue āābly.
In kwantumrekenaars kan jy kloksgewys of antikloksgewys in 'n supergeleier vloei. Skeeps- en motorenjins sou tien keer kleiner wees as wat hulle vandag is, en duur mediese diagnostiese MRI-masjiene sal in die palm van jou hand pas. Sonenergie, wat van plase in die uitgestrekte woestyne regoor die wĆŖreld versamel is, kan gestoor en oorgedra word sonder enige verlies.
4. Japannese maglev trein
Volgens die fisikus en bekende gewilder van die wetenskap, Kakutegnologieƫ soos supergeleiers sal 'n nuwe era inlui. As ons nog in die era van elektrisiteit gelewe het, sou supergeleiers by kamertemperatuur die era van magnetisme meebring.
