Je, ikiwa…tutapata viboreshaji vya halijoto ya juu? Vifungo vya matumaini

Laini za upokezaji zisizo na hasara, uhandisi wa umeme wa halijoto ya chini, sumaku-umeme kuu, hatimaye kukandamiza kwa upole mamilioni ya digrii za plasma katika vinu vya thermonuclear, reli tulivu na ya haraka ya maglev. Tuna matumaini mengi kwa superconductors ...

Superconductivity hali ya nyenzo ya upinzani wa sifuri ya umeme inaitwa. Hii inafanikiwa katika nyenzo zingine kwa joto la chini sana. Aligundua jambo hili la quantum Kamerling Onnes (1) katika zebaki, mwaka wa 1911. Fizikia ya zamani inashindwa kuielezea. Mbali na upinzani wa sifuri, kipengele kingine muhimu cha superconductors ni sukuma shamba la sumaku kutoka kwa kiasi chakekinachojulikana athari ya Meissner (katika aina ya I superconductors) au kuzingatia shamba la sumaku kwenye "vortices" (katika aina ya II superconductors).

Superconductors nyingi hufanya kazi tu kwa joto karibu na sifuri kabisa. Inaripotiwa kuwa 0 Kelvin (-273,15 °C). Mwendo wa atomi kwa joto hili ni karibu haipo. Huu ndio ufunguo wa superconductors. Kwa kawaida elektroni kusonga kwenye kondakta kugongana na atomi zingine zinazotetemeka, na kusababisha kupoteza nishati na upinzani. Hata hivyo, tunajua kwamba superconductivity inawezekana kwa joto la juu. Hatua kwa hatua, tunagundua nyenzo zinazoonyesha athari hii kwa kiwango cha chini cha minus Celsius, na hivi karibuni hata kwa plus. Walakini, hii mara nyingi huhusishwa na matumizi ya shinikizo la juu sana. Ndoto kubwa ni kuunda teknolojia hii kwa joto la kawaida bila shinikizo kubwa.

Msingi wa kimwili wa kuonekana kwa hali ya superconductivity ni malezi ya jozi ya wanyakuzi wa mizigo - kinachojulikana Cooper. Jozi kama hizo zinaweza kutokea kama matokeo ya umoja wa elektroni mbili zilizo na nguvu zinazofanana. nguvu Fermiego, i.e. nishati ndogo zaidi ambayo nishati ya mfumo wa fermionic itaongezeka baada ya kuongezwa kwa kipengele kimoja zaidi, hata wakati nishati ya mwingiliano kati yao ni ndogo sana. Hii inabadilisha mali ya umeme ya nyenzo, kwani flygbolag moja ni fermions na jozi ni bosons.

Shirikiana kwa hiyo, ni mfumo wa fermions mbili (kwa mfano, elektroni) kuingiliana na kila mmoja kwa njia ya vibrations ya kimiani kioo, iitwayo phononi. Jambo hilo limeelezwa Leona anashirikiana mnamo 1956 na ni sehemu ya nadharia ya BCS ya upitishaji joto wa chini. Fermions zinazounda jozi ya Cooper zina mizunguko ya nusu (ambayo inaelekezwa kwa mwelekeo tofauti), lakini mzunguko unaosababishwa wa mfumo umejaa, yaani, jozi ya Cooper ni boson.

Superconductors kwa joto fulani ni baadhi ya vipengele, kwa mfano, cadmium, bati, alumini, iridium, platinamu, wengine hupita katika hali ya superconductivity tu kwa shinikizo la juu sana (kwa mfano, oksijeni, fosforasi, sulfuri, germanium, lithiamu) aina ya tabaka nyembamba (tungsten , berili, chromium), na baadhi inaweza bado kuwa superconducting, kama vile fedha, shaba, dhahabu, gesi adhimu, hidrojeni, ingawa dhahabu, fedha na shaba ni kati ya kondakta bora katika joto la kawaida.

"Joto la juu" bado linahitaji joto la chini sana

Katika mwaka 1964 William A. Mdogo alipendekeza uwezekano wa kuwepo kwa superconductivity ya juu-joto katika polima za kikaboni. Pendekezo hili linatokana na uoanishaji wa elektroni zinazotokana na msisimko tofauti na upatanishi wa phonon katika nadharia ya BCS. Neno "superconductors za joto la juu" limetumiwa kuelezea familia mpya ya keramik ya perovskite iliyogunduliwa na Johannes G. Bednorz na C.A. Müller mnamo 1986, ambayo walipokea Tuzo la Nobel. Kondakta hizi mpya za kauri (2) zilitengenezwa kwa shaba na oksijeni iliyochanganywa na vipengele vingine kama vile lanthanum, bariamu na bismuth.

2. Sahani ya kauri ikielea juu ya sumaku zenye nguvu

Kwa mtazamo wetu, "joto la juu" superconductivity bado ilikuwa chini sana. Kwa shinikizo la kawaida, kikomo kilikuwa -140 ° C, na hata superconductors vile waliitwa "joto la juu". Joto la juu zaidi la -70 ° C kwa sulfidi hidrojeni limefikiwa kwa shinikizo la juu sana. Hata hivyo, superconductors za joto la juu zinahitaji nitrojeni ya kioevu ya bei nafuu badala ya heliamu ya kioevu kwa ajili ya baridi, ambayo ni muhimu.

Kwa upande mwingine, ni kauri yenye brittle, sio ya vitendo sana kwa matumizi katika mifumo ya umeme.

Wanasayansi bado wanaamini kuwa kuna chaguo bora zaidi linalosubiri kugunduliwa, nyenzo mpya nzuri ambayo itakidhi vigezo kama vile superconductivity kwa joto la kawaidabei nafuu na ya vitendo kutumia. Utafiti fulani umezingatia shaba, kioo changamano ambacho kina tabaka za atomi za shaba na oksijeni. Utafiti unaendelea kuhusu ripoti zisizoeleweka lakini ambazo hazijaelezewa kisayansi kwamba grafiti iliyolowekwa na maji inaweza kufanya kama kiboreshaji kikuu kwenye joto la kawaida.

Miaka ya hivi karibuni imekuwa mkondo wa kweli wa "mapinduzi", "mafanikio" na "sura mpya" katika uwanja wa superconductivity kwenye joto la juu. Mnamo Oktoba 2020, utendakazi wa hali ya juu kwenye joto la kawaida (saa 15 ° C) uliripotiwa hidridi ya disulfidi kaboni (3), hata hivyo, kwa shinikizo la juu sana (267 GPa) inayotokana na laser ya kijani. Grail Takatifu, ambayo ingekuwa nyenzo ya bei nafuu ambayo ingekuwa superconductive kwenye joto la kawaida na shinikizo la kawaida, bado haijapatikana.

3. Nyenzo zenye msingi wa kaboni ambazo ni bora zaidi kwa 15°C.

Alfajiri ya Umri wa Magnetic

Uhesabuji wa uwezekano wa maombi ya superconductors ya juu ya joto inaweza kuanza na umeme na kompyuta, vifaa vya mantiki, vipengele vya kumbukumbu, swichi na viunganisho, jenereta, amplifiers, accelerators za chembe. Ifuatayo kwenye orodha: vifaa nyeti sana vya kupima uga wa sumaku, voltages au mikondo, sumaku kwa Vifaa vya matibabu vya MRI, vifaa vya kuhifadhi nishati ya sumaku, treni za kuelekeza risasi, injini, jenereta, transfoma na nyaya za umeme. Faida kuu za vifaa hivi vya superconducting za ndoto zitakuwa utaftaji mdogo wa nguvu, operesheni ya kasi na unyeti mkubwa.

kwa superconductors. Kuna sababu kwa nini mitambo ya nguvu mara nyingi hujengwa karibu na miji yenye shughuli nyingi. Hata asilimia 30. iliyoundwa nao Nishati ya umeme inaweza kupotea kwenye njia za upitishaji. Hili ni tatizo la kawaida kwa vifaa vya umeme. Nishati nyingi huenda kwenye joto. Kwa hiyo, sehemu kubwa ya uso wa kompyuta imehifadhiwa kwa sehemu za baridi zinazosaidia kuondokana na joto linalotokana na nyaya.

Superconductors kutatua tatizo la hasara ya nishati kwa ajili ya joto. Kama sehemu ya majaribio, wanasayansi, kwa mfano, wanaweza kupata riziki umeme wa sasa ndani ya pete ya superconducting zaidi ya miaka miwili. Na hii ni bila nishati ya ziada.

Sababu pekee ya kuacha mkondo ni kwa sababu hapakuwa na ufikiaji wa heliamu ya kioevu, sio kwa sababu mkondo haungeweza kuendelea kutiririka. Majaribio yetu yanatufanya tuamini kwamba mikondo katika nyenzo za upitishaji wa juu zaidi zinaweza kutiririka kwa mamia ya maelfu ya miaka, ikiwa sio zaidi. Umeme wa sasa katika superconductors unaweza kutiririka milele, kuhamisha nishati kwa bure.

в hakuna upinzani mkondo mkubwa unaweza kutiririka kupitia waya wa kupitishia umeme, ambao nao ulitokeza nyuga za sumaku za nguvu za ajabu. Zinaweza kutumika kuelekeza treni za maglev (4), ambazo tayari zinaweza kufikia kasi ya hadi kilomita 600 kwa saa na zinategemea sumaku za superconducting. Au zitumie katika mitambo ya kuzalisha umeme, ukibadilisha mbinu za kitamaduni ambazo turbines huzunguka katika sehemu za sumaku ili kuzalisha umeme. Sumaku zenye nguvu zinazoongoza zinaweza kusaidia kudhibiti mwitikio wa muunganisho. Waya ya superconducting inaweza kufanya kama kifaa bora cha kuhifadhi nishati, badala ya betri, na uwezo katika mfumo utahifadhiwa kwa miaka elfu na milioni.

Katika kompyuta za quantum, unaweza kutiririka saa moja kwa moja au kinyume chake katika superconductor. Injini za meli na gari zingekuwa ndogo mara kumi kuliko zilivyo leo, na mashine za gharama kubwa za uchunguzi wa kimatibabu za MRI zingetosha kwenye kiganja cha mkono wako. Imekusanywa kutoka kwa mashamba katika jangwa kubwa duniani kote, nishati ya jua inaweza kuhifadhiwa na kuhamishwa bila hasara yoyote.

4. Treni ya maglev ya Kijapani

Kulingana na mwanafizikia na mtangazaji maarufu wa sayansi, Kakuteknolojia kama vile superconductors italeta enzi mpya. Ikiwa tulikuwa bado tunaishi katika enzi ya umeme, waendeshaji wakubwa kwenye joto la kawaida wangeleta enzi ya sumaku.