Co když...dostaneme vysokoteplotní supravodiče? Vazby naděje

Bezeztrátové přenosové vedení, nízkoteplotní elektrotechnika, superelektromagnety, nakonec jemně stlačující miliony stupňů plazmatu v termonukleárních reaktorech, tichý a rychlý maglev rail. Do supravodičů vkládáme tolik nadějí...

Supravodivost nazývá se materiálový stav nulového elektrického odporu. Toho je u některých materiálů dosaženo při velmi nízkých teplotách. Objevil tento kvantový jev Kamerling Onnes (1) ve rtuti, v roce 1911. Klasická fyzika to nedokáže popsat. Kromě nulového odporu je další důležitou vlastností supravodičů vytlačit magnetické pole z jeho objemutzv. Meissnerův jev (u supravodičů typu I) nebo fokusace magnetického pole do „vírů“ (u supravodičů typu II).

Většina supravodičů funguje pouze při teplotách blízkých absolutní nule. Uvádí se 0 Kelvinů (-273,15 °C). Pohyb atomů při této teplotě téměř neexistuje. To je klíč k supravodičům. Normálně elektrony pohybující se ve vodiči se srazí s jinými vibrujícími atomy, což způsobí ztráta energie a odolnost. Víme však, že supravodivost je možná při vyšších teplotách. Postupně objevujeme materiály, které tento efekt vykazují při nižších minus Celsia, v poslední době i v plusu. To je však opět obvykle spojeno s aplikací extrémně vysokého tlaku. Největším snem je vytvořit tuto technologii při pokojové teplotě bez gigantického tlaku.

Fyzikální základ pro vznik stavu supravodivosti je vytvoření párů chytačů nákladu - takzvaný Bednář. Takové páry mohou vzniknout jako výsledek spojení dvou elektronů s podobnými energiemi. Fermiho energie, tj. nejmenší energie, o kterou vzroste energie fermionického systému po přidání jednoho dalšího prvku, i když je energie vzájemného působení mezi nimi velmi malá. To mění elektrické vlastnosti materiálu, protože jednotlivé nosiče jsou fermiony a dvojice jsou bosony.

Spolupracovat jde tedy o systém dvou fermionů (například elektronů), které spolu interagují prostřednictvím vibrací krystalové mřížky, nazývaných fonony. Jev byl popsán Leona spolupracuje v roce 1956 a je součástí BCS teorie nízkoteplotní supravodivosti. Fermiony, které tvoří Cooperův pár, mají poloviční spiny (které směřují v opačných směrech), ale výsledný spin systému je plný, to znamená, že Cooperův pár je boson.

Supravodiče při určitých teplotách jsou některé prvky, např. kadmium, cín, hliník, iridium, platina, jiné přecházejí do stavu supravodivosti až za velmi vysokého tlaku (například kyslík, fosfor, síra, germanium, lithium) nebo v ve formě tenkých vrstev (wolfram, berylium, chrom) a některé ještě nemusí být supravodivé, jako je stříbro, měď, zlato, vzácné plyny, vodík, ačkoli zlato, stříbro a měď patří mezi nejlepší vodiče při pokojové teplotě.

"Vysoká teplota" stále vyžaduje velmi nízké teploty

V roce 1964 William A. Malý naznačil možnost existence vysokoteplotní supravodivosti v organické polymery. Tento návrh je založen na párování elektronů zprostředkovaném excitonem na rozdíl od párování zprostředkovaného fononem v teorii BCS. Termín "vysokoteplotní supravodiče" byl použit k popisu nové rodiny perovskitové keramiky objevené Johannesem G. Bednorzem a C.A. Müllera v roce 1986, za což dostali Nobelovu cenu. Tyto nové keramické supravodiče (2) byly vyrobeny z mědi a kyslíku smíchaného s dalšími prvky, jako je lanthan, baryum a vizmut.

2. Keramická deska vznášející se nad silnými magnety

Z našeho pohledu byla „vysokoteplotní“ supravodivost stále velmi nízká. Pro normální tlaky byla hranice -140°C a i takovým supravodičům se říkalo „vysokoteplotní“. Teploty supravodivosti -70 °C pro sirovodík bylo dosaženo při extrémně vysokých tlacích. Vysokoteplotní supravodiče však vyžadují relativně levný kapalný dusík spíše než kapalné helium pro chlazení, což je zásadní.

Na druhou stranu je to většinou křehká keramika, nepříliš praktická pro použití v elektrických systémech.

Vědci stále věří, že existuje lepší možnost, která čeká na objevení, úžasný nový materiál, který bude splňovat kritéria, jako je např supravodivost při pokojové teplotěcenově dostupné a praktické k použití. Některé výzkumy se zaměřily na měď, komplexní krystal, který obsahuje vrstvy atomů mědi a kyslíku. Pokračuje výzkum některých anomálních, ale vědecky nevysvětlených zpráv, že vodou nasáklý grafit může při pokojové teplotě fungovat jako supravodič.

Poslední roky byly opravdovým proudem „revolucí“, „průlomů“ a „nových kapitol“ v oblasti supravodivosti při vyšších teplotách. V říjnu 2020 byla hlášena supravodivost při pokojové teplotě (při 15 °C). hydrid sirouhlíku (3), avšak při velmi vysokém tlaku (267 GPa) generovaném zeleným laserem. Svatý grál, což by byl relativně levný materiál, který by byl supravodivý při pokojové teplotě a normálním tlaku, se zatím nenašel.

3. Materiál na bázi uhlíku, který je supravodivý při 15°C.

Úsvit magnetického věku

Výčet možných aplikací vysokoteplotních supravodičů může začít u elektroniky a počítačů, logických zařízení, paměťových prvků, spínačů a spojení, generátorů, zesilovačů, urychlovačů částic. Další na seznamu: vysoce citlivé přístroje pro měření magnetických polí, napětí nebo proudů, magnety pro MRI lékařské přístroje, zařízení pro ukládání magnetické energie, levitující vlaky s kulkami, motory, generátory, transformátory a elektrické vedení. Hlavními výhodami těchto vysněných supravodivých zařízení budou nízké ztráty výkonu, vysokorychlostní provoz a extrémní citlivost.

pro supravodiče. Existuje důvod, proč se elektrárny často staví v blízkosti rušných měst. Dokonce 30 procent. jimi vytvořené Elektrická energie může dojít ke ztrátě na přenosových linkách. Toto je častý problém elektrických spotřebičů. Většina energie jde do tepla. Proto je značná část povrchu počítače vyhrazena pro chladicí části, které pomáhají odvádět teplo generované obvody.

Supravodiče řeší problém energetických ztrát na teplo. V rámci experimentů se vědcům daří vydělávat na živobytí elektrický proud uvnitř supravodivého prstence přes dva roky. A to bez další energie.

Jediným důvodem, proč se proud zastavil, bylo to, že nebyl přístup ke kapalnému héliu, ne proto, že by proud nemohl dále téci. Naše experimenty nás vedou k přesvědčení, že proudy v supravodivých materiálech mohou proudit stovky tisíc let, ne-li déle. Elektrický proud v supravodičích může proudit navždy a přenášet energii zdarma.

в žádný odpor supravodivým drátem mohl protékat obrovský proud, který zase generoval magnetická pole neuvěřitelné síly. Lze je použít k levitování vlaků maglev (4), které již mohou dosahovat rychlosti až 600 km/h a jsou založeny na supravodivé magnety. Nebo je použít v elektrárnách, čímž nahradí tradiční metody, při kterých se turbíny točí v magnetických polích a vyrábějí elektřinu. Výkonné supravodivé magnety by mohly pomoci řídit fúzní reakci. Supravodivý drát může fungovat jako ideální zařízení pro ukládání energie, spíše než baterie, a potenciál v systému bude zachován po tisíc a milion let.

V kvantových počítačích můžete v supravodiči proudit ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Lodní a automobilové motory by byly desetkrát menší než dnes a drahé lékařské diagnostické přístroje pro magnetickou rezonanci by se vešly do dlaně. Solární energii shromážděnou na farmách v rozlehlých pouštních pouštích po celém světě lze skladovat a přenášet bez jakýchkoli ztrát.

4. Japonský vlak maglev

Podle fyzika a slavného popularizátora vědy Kakutechnologie, jako jsou supravodiče, zahájí novou éru. Pokud bychom stále žili v éře elektřiny, supravodiče při pokojové teplotě by s sebou přinesly éru magnetismu.