Егер бізде жоғары температуралы асқын өткізгіштер болса ше? Үміт байлаулары

Шығынсыз электр беру желілері, төмен температуралы электротехника, суперэлектромагниттер, ақырында термоядролық реакторлардағы миллиондаған градус плазманы ақырын қысатын, тыныш және жылдам маглевтік рельс. Біздің суперөткізгіштерден үмітіміз көп...

Өте өткізгіштік нөлдік электр кедергісінің материалдық жағдайы деп аталады. Бұған кейбір материалдарда өте төмен температурада қол жеткізіледі. Ол осы кванттық құбылысты ашты Камерлинг Оннес (1) сынапта, 1911 ж. Классикалық физика оны сипаттай алмайды. Нөлдік кедергіден басқа, асқын өткізгіштердің тағы бір маңызды ерекшелігі болып табылады магнит өрісін оның көлемінен итеріңізМейснер эффектісі (I типті асқын өткізгіштерде) немесе магнит өрісінің «құйындыларға» фокусталуы (II типті асқын өткізгіштерде).

Көптеген асқын өткізгіштер абсолютті нөлге жақын температурада ғана жұмыс істейді. Ол 0 Кельвин (-273,15 °C) деп хабарлайды. Атомдардың қозғалысы бұл температурада ол жоқтың қасы. Бұл асқын өткізгіштердің кілті. Әдеттегідей электрондар өткізгіште қозғалатын басқа тербелмелі атомдармен соқтығысып, соқтырады энергия жоғалту және қарсылық. Дегенмен, біз жоғары температурада асқын өткізгіштіктің мүмкін екенін білеміз. Бірте-бірте біз бұл әсерді төменгі минус Цельсийде, ал жақында тіпті плюсте көрсететін материалдарды тауып жатырмыз. Дегенмен, бұл әдетте өте жоғары қысымды қолданумен байланысты. Ең үлкен арман - бұл технологияны үлкен қысымсыз бөлме температурасында жасау.

Асқын өткізгіштік күйінің пайда болуының физикалық негізі болып табылады жүк грейдерлерінің жұптарын қалыптастыру - деп аталатын Купер. Мұндай жұптар энергиялары ұқсас екі электронның қосылуы нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Ферми энергиясы, яғни. Фермиондық жүйенің энергиясы тағы бір элемент қосылғаннан кейін, тіпті оларды байланыстыратын өзара әрекеттесу энергиясы өте аз болса да өсетін ең аз энергия. Бұл материалдың электрлік қасиеттерін өзгертеді, өйткені жалғыз тасымалдаушылар фермиондар, ал жұптар бозондар.

Ынтымақтастық сондықтан фонондар деп аталатын кристалдық тордың тербелісі арқылы бір-бірімен әрекеттесетін екі фермионның (мысалы, электрондардың) жүйесі. Бұл құбылыс сипатталған Леона ынтымақтасады 1956 жылы және төмен температуралық асқын өткізгіштіктің BCS теориясының бөлігі болып табылады. Купер жұбын құрайтын фермиондардың жарты спиндері бар (олар қарама-қарсы бағытта бағытталған), бірақ жүйенің нәтижесінде пайда болған спин толық, яғни Купер жұбы бозон болып табылады.

Белгілі бір температурадағы асқын өткізгіштерге кейбір элементтер, мысалы, кадмий, қалайы, алюминий, иридий, платина, ал басқалары өте жоғары қысымда (мысалы, оттегі, фосфор, күкірт, германий, литий) асқын өткізгіштік күйіне өтеді. жұқа қабаттардың нысаны (вольфрам, бериллий, хром) және күміс, мыс, алтын, асыл газдар, сутегі сияқты кейбіреулері әлі асқын өткізгіш болмауы мүмкін, дегенмен алтын, күміс және мыс бөлме температурасында ең жақсы өткізгіштер қатарына жатады.

«Жоғары температура» әлі де өте төмен температураны қажет етеді

1964 жылда Уильям А. Кішкентай жылы жоғары температуралық асқын өткізгіштіктің болуы мүмкіндігін ұсынды органикалық полимерлер. Бұл ұсыныс BCS теориясындағы фонондық жұптастыруға қарағанда, экситон арқылы электронды жұптастыруға негізделген. «Жоғары температуралық асқын өткізгіштер» термині Иоганнес Г.Беднорц пен С.А. ашқан перовскит құрылымды керамиканың жаңа тобын сипаттау үшін қолданылды. Мюллер 1986 жылы Нобель сыйлығын алды. Бұл жаңа керамикалық асқын өткізгіштер (2) лантан, барий және висмут сияқты басқа элементтермен араласқан мыс пен оттегіден жасалған.

2. Күшті магниттердің үстінде қозғалатын керамикалық пластина

Біздің көзқарасымыз бойынша, «жоғары температураның» асқын өткізгіштігі әлі де өте төмен болды. Қалыпты қысымдар үшін шек -140 ° C болды, тіпті мұндай асқын өткізгіштер «жоғары температура» деп аталды. Күкіртсутегі үшін -70°С асқын өткізгіштік температурасы өте жоғары қысымда қол жеткізілді. Дегенмен, жоғары температуралы асқын өткізгіштер салқындату үшін сұйық гелийден гөрі салыстырмалы түрде арзан сұйық азотты қажет етеді, бұл өте маңызды.

Екінші жағынан, бұл негізінен сынғыш керамика, электр жүйелерінде пайдалану үшін өте практикалық емес.

Ғалымдар әлі күнге дейін жақсырақ нұсқаның, мысалы, критерийлерге сәйкес келетін тамаша жаңа материалдың ашылуын күтуде деп санайды. бөлме температурасындағы асқын өткізгіштікқол жетімді және пайдалану практикалық. Кейбір зерттеулер мыс пен оттегі атомдарының қабаттарынан тұратын күрделі кристаллға бағытталған. Суға малынған графит бөлме температурасында суперөткізгіш рөлін атқара алатыны туралы кейбір аномальды, бірақ ғылыми түсіндірілмеген есептер бойынша зерттеулер жалғасуда.

Соңғы жылдар жоғары температурадағы асқын өткізгіштік саласындағы «төңкерістердің», «серпілістердің» және «жаңа тараулардың» шынайы ағыны болды. 2020 жылдың қазан айында бөлме температурасында (15°C) асқын өткізгіштік туралы хабарланды көміртегі дисульфид гидриді (3), дегенмен жасыл лазермен жасалған өте жоғары қысымда (267 ГПа). Бөлме температурасында және қалыпты қысымда өте өткізгіш болатын салыстырмалы түрде арзан материал болатын Қасиетті Граил әлі табылған жоқ.

3. 15°С-та аса өткізгіштікке ие көміртегі негізіндегі материал.

Магниттік дәуірдің таңы

Жоғары температуралы асқын өткізгіштердің мүмкін болатын қолданбаларын санау электроника мен компьютерлерден, логикалық құрылғылардан, жад элементтерінен, қосқыштар мен қосылыстардан, генераторлардан, күшейткіштерден, бөлшектердің үдеткіштерінен басталуы мүмкін. Келесі тізімде: магнит өрістерін, кернеулерді немесе токтарды өлшеуге арналған жоғары сезімтал құрылғылар, МРТ медициналық құрылғылары, магниттік энергияны сақтау құрылғылары, левитациялық пойыздар, қозғалтқыштар, генераторлар, трансформаторлар және электр желілері. Бұл арман асқын өткізгіш құрылғылардың негізгі артықшылықтары төмен қуат диссипациясы, жоғары жылдамдықты жұмыс және болады шектен тыс сезімталдық.

асқын өткізгіштерге арналған. Электр стансаларының жиі жұмыс істейтін қала маңында салынуының себебі бар. Тіпті 30 пайыз. олар жасаған Электр энергиясы ол электр беру желілерінде жоғалуы мүмкін. Бұл электр құрылғыларында жиі кездесетін мәселе. Энергияның көп бөлігі жылуға кетеді. Сондықтан, компьютер бетінің едәуір бөлігі тізбектер шығаратын жылуды таратуға көмектесетін салқындату бөліктеріне арналған.

Асқын өткізгіштер жылу энергиясын жоғалту мәселесін шешеді. Эксперименттердің бір бөлігі ретінде ғалымдар, мысалы, өмір сүруге қол жеткізеді асқын өткізгіш сақина ішіндегі электр тогы екі жылдан астам. Және бұл қосымша энергиясыз.

Токтың тоқтап қалуының бірден-бір себебі сұйық гелийге қол жеткізудің жоқтығында болды, бұл токтың ағуын жалғастыра алмауынан емес. Біздің эксперименттер бізді асқын өткізгіш материалдардағы токтар жүздеген мың жыл, тіпті одан да көп жылдар бойы ағып кетуі мүмкін деген сенімге әкеледі. Асқын өткізгіштердегі электр тогы мәңгі ағып, энергияны тегін бере алады.

в қарсылық жоқ асқын өткізгіш сым арқылы үлкен ток өтуі мүмкін, ол өз кезегінде керемет қуатты магнит өрістерін тудырды. Олар қазірдің өзінде 4 км/сағ жылдамдыққа жететін маглев пойыздарын (600) көтеру үшін пайдаланылуы мүмкін және негізделген. асқын өткізгіш магниттер. Немесе турбиналар электр энергиясын өндіру үшін магнит өрісінде айналатын дәстүрлі әдістерді алмастыра отырып, оларды электр станцияларында пайдаланыңыз. Қуатты асқын өткізгіш магниттер синтез реакциясын басқаруға көмектесуі мүмкін. Асқын өткізгіш сым аккумулятор емес, идеалды энергия сақтау құрылғысы ретінде әрекет ете алады және жүйедегі потенциал мың және миллион жыл бойы сақталады.

Кванттық компьютерлерде суперөткізгіште сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы бағытта ағуға болады. Кеме мен автомобиль қозғалтқыштары қазіргіден он есе аз болар еді, ал қымбат медициналық диагностикалық МРТ аппараттары алақанға сыймас еді. Дүние жүзіндегі кең шөл далалардағы фермалардан жиналған күн энергиясын ешбір шығынсыз сақтауға және тасымалдауға болады.

4. Жапондық маглев пойызы

Физик және белгілі ғылымды танымал етуші ғалымның айтуынша, Какусуперөткізгіштер сияқты технологиялар жаңа дәуірді бастайды. Егер біз әлі де электр дәуірінде өмір сүрсек, бөлме температурасындағы асқын өткізгіштер өздерімен бірге магнетизм дәуірін әкелетін еді.