Po sikur të marrim superpërçues me temperaturë të lartë? Lidhjet e shpresës

Linjat e transmetimit pa humbje, inxhinieria elektrike me temperaturë të ulët, superelektromagnetët, më në fund duke shtypur butësisht miliona gradë plazma në reaktorët termonuklear, një hekurudhë maglev e qetë dhe e shpejtë. Ne kemi kaq shumë shpresa për superpërçuesit...

Superconductivity quhet gjendja materiale e rezistencës elektrike zero. Kjo arrihet në disa materiale në temperatura shumë të ulëta. Ai zbuloi këtë fenomen kuantik Kamerling Onnes (1) në merkur, në vitin 1911. Fizika klasike nuk arrin ta përshkruajë atë. Përveç rezistencës zero, një tjetër veçori e rëndësishme e superpërçuesve është shtyjnë fushën magnetike nga vëllimi i saji ashtuquajturi efekti Meissner (në superpërcjellësit e tipit I) ose fokusimi i fushës magnetike në "vorbulla" (në superpërcjellësit e tipit II).

Shumica e superpërçuesve punojnë vetëm në temperatura afër zeros absolute. Raportohet të jetë 0 Kelvin (-273,15 °C). Lëvizja e atomeve në këtë temperaturë pothuajse nuk ekziston. Ky është çelësi i superpërçuesve. Si zakonisht elektronet duke lëvizur në përcjellës përplasen me atome të tjera vibruese, duke shkaktuar humbjen e energjisë dhe rezistencën. Megjithatë, ne e dimë se superpërçueshmëria është e mundur në temperatura më të larta. Gradualisht, ne po zbulojmë materiale që e tregojnë këtë efekt në një minus Celsius më të ulët, dhe së fundmi edhe në plus. Megjithatë, kjo përsëri zakonisht shoqërohet me aplikimin e presionit jashtëzakonisht të lartë. Ëndrra më e madhe është krijimi i kësaj teknologjie në temperaturën e dhomës pa presion gjigant.

Baza fizike për shfaqjen e gjendjes së superpërcjellshmërisë është formimi i çifteve të rrëmbyesve të ngarkesave - i ashtuquajturi Cooper. Çifte të tilla mund të lindin si rezultat i bashkimit të dy elektroneve me energji të ngjashme. Energjia e Fermit, d.m.th. energjia më e vogël me të cilën do të rritet energjia e një sistemi fermionik pas shtimit të një elementi më shumë, edhe kur energjia e bashkëveprimit ndërmjet tyre është shumë e vogël. Kjo ndryshon vetitë elektrike të materialit, pasi bartësit e vetëm janë fermionet dhe çiftet janë bozone.

Bashkëpunoni prandaj, është një sistem i dy fermioneve (për shembull, elektroneve) që bashkëveprojnë me njëri-tjetrin përmes dridhjeve të rrjetës kristalore, të quajtura fonone. Fenomeni është përshkruar Leona bashkëpunon në 1956 dhe është pjesë e teorisë BCS të superpërçueshmërisë në temperaturë të ulët. Fermionet që përbëjnë çiftin Cooper kanë gjysmë rrotullime (të cilat drejtohen në drejtime të kundërta), por rrotullimi që rezulton i sistemit është i plotë, domethënë çifti Cooper është një bozon.

Superpërçues në temperatura të caktuara janë disa elementë, për shembull, kadmiumi, kallaji, alumini, iridiumi, platini, të tjerët kalojnë në gjendjen e superpërçueshmërisë vetëm në presion shumë të lartë (për shembull, oksigjen, fosfor, squfur, germanium, litium) ose në formë shtresash të holla (volframi, berilium, krom), dhe disa mund të mos jenë ende superpërçues, si argjendi, bakri, ari, gazet fisnike, hidrogjeni, megjithëse ari, argjendi dhe bakri janë ndër përçuesit më të mirë në temperaturën e dhomës.

"Temperatura e lartë" kërkon ende temperatura shumë të ulëta

Në vitin 1964 William A. Little sugjeroi mundësinë e ekzistencës së superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë në polimere organike. Ky propozim bazohet në çiftimin e elektroneve të ndërmjetësuara nga ekciton, në krahasim me çiftimin e ndërmjetësuar nga fononi në teorinë BCS. Termi "superpërcjellës me temperaturë të lartë" është përdorur për të përshkruar një familje të re qeramike perovskite të zbuluar nga Johannes G. Bednorz dhe C.A. Müller në vitin 1986, për të cilin ata morën çmimin Nobel. Këta superpërçues të rinj qeramikë (2) u bënë nga bakri dhe oksigjeni i përzier me elementë të tjerë si lantanumi, bariumi dhe bismuti.

2. Pllakë qeramike që rri pezull mbi magnet të fuqishëm

Nga këndvështrimi ynë, superpërçueshmëria "me temperaturë të lartë" ishte ende shumë e ulët. Për presionet normale, kufiri ishte -140°C, madje edhe superpërçues të tillë quheshin "temperaturë e lartë". Temperatura e superpërçueshmërisë prej -70°C për sulfid hidrogjeni është arritur në presione jashtëzakonisht të larta. Megjithatë, superpërçuesit me temperaturë të lartë kërkojnë azot të lëngshëm relativisht të lirë dhe jo helium të lëngshëm për ftohje, gjë që është thelbësore.

Nga ana tjetër, është kryesisht qeramike e brishtë, jo shumë praktike për t'u përdorur në sistemet elektrike.

Shkencëtarët ende besojnë se ekziston një opsion më i mirë që pret të zbulohet, një material i ri i mrekullueshëm që do të plotësojë kriteret si p.sh. superpërçueshmëri në temperaturën e dhomëstë përballueshme dhe praktike për t'u përdorur. Disa kërkime janë fokusuar në bakër, një kristal kompleks që përmban shtresa të atomeve të bakrit dhe oksigjenit. Hulumtimet vazhdojnë mbi disa raporte anormale, por shkencërisht të pashpjegueshme, se grafiti i njomur me ujë mund të veprojë si një superpërçues në temperaturën e dhomës.

Vitet e fundit kanë qenë një rrjedhë e vërtetë "revolucionesh", "përparimesh" dhe "kapitujsh të rinj" në fushën e superpërçueshmërisë në temperatura më të larta. Në tetor 2020, u raportua superpërçueshmëri në temperaturën e dhomës (në 15°C). hidridi i disulfurit të karbonit (3), megjithatë, në presion shumë të lartë (267 GPa) të krijuar nga lazeri jeshil. Graali i Shenjtë, i cili do të ishte një material relativisht i lirë që do të ishte superpërçues në temperaturën e dhomës dhe presionin normal, ende nuk është gjetur.

3. Material me bazë karboni që është superpërçues në 15°C.

Agimi i Epokës Magnetike

Numërimi i aplikimeve të mundshme të superpërçuesve me temperaturë të lartë mund të fillojë me elektronikën dhe teknologjinë kompjuterike, pajisjet logjike, elementët e memories, çelësat dhe lidhjet, gjeneratorët, amplifikatorët, përshpejtuesit e grimcave. Tjetra në listë: pajisje shumë të ndjeshme për matjen e fushave magnetike, tensioneve ose rrymave, magnet për Pajisjet mjekësore MRI, pajisje të ruajtjes së energjisë magnetike, trena plumbash levitues, motorë, gjeneratorë, transformatorë dhe linja elektrike. Përparësitë kryesore të këtyre pajisjeve superpërcjellëse të ëndrrave do të jenë shpërndarja e ulët e energjisë, funksionimi me shpejtësi të lartë dhe ndjeshmëri ekstreme.

për superpërçuesit. Ka një arsye pse termocentralet ndërtohen shpesh pranë qyteteve të ngarkuara. Edhe 30 për qind. krijuar prej tyre Energjia elektrike mund të humbet në linjat e transmetimit. Ky është një problem i zakonshëm me pajisjet elektrike. Pjesa më e madhe e energjisë shkon për ngrohje. Prandaj, një pjesë e konsiderueshme e sipërfaqes së kompjuterit është e rezervuar për pjesët ftohëse që ndihmojnë në shpërndarjen e nxehtësisë së gjeneruar nga qarqet.

Superpërçuesit zgjidhin problemin e humbjeve të energjisë për nxehtësinë. Si pjesë e eksperimenteve, shkencëtarët, për shembull, arrijnë të fitojnë jetesën rryma elektrike brenda unazës superpërcjellëse mbi dy vjet. Dhe kjo është pa energji shtesë.

Arsyeja e vetme që rryma ndaloi ishte sepse nuk kishte akses në helium të lëngshëm, jo ​​sepse rryma nuk mund të vazhdonte të rrjedhë. Eksperimentet tona na bëjnë të besojmë se rrymat në materialet superpërçuese mund të rrjedhin për qindra mijëra vjet, nëse jo më shumë. Rryma elektrike në superpërçues mund të rrjedhë përgjithmonë, duke transferuar energji falas.

в asnjë rezistencë një rrymë e madhe mund të rrjedhë përmes telit superpërçues, i cili nga ana e tij gjeneroi fusha magnetike me fuqi të jashtëzakonshme. Ato mund të përdoren për të ngritur në ajër trenat maglev (4), të cilët tashmë mund të arrijnë shpejtësi deri në 600 km/h dhe bazohen në magnet superpërcjellës. Ose përdorni ato në termocentrale, duke zëvendësuar metodat tradicionale në të cilat turbinat rrotullohen në fusha magnetike për të gjeneruar energji elektrike. Magnetët e fuqishëm superpërcjellës mund të ndihmojnë në kontrollin e reaksionit të shkrirjes. Një tel superpërçues mund të veprojë si një pajisje ideale për ruajtjen e energjisë, në vend të një baterie, dhe potenciali në sistem do të ruhet për një mijë e një milion vjet.

Në kompjuterët kuantikë, ju mund të rrjedhni në drejtim të akrepave të orës ose në të kundërt në një superpërçues. Motorët e anijeve dhe makinave do të ishin dhjetë herë më të vegjël se sa janë sot, dhe makinat e shtrenjta MRI diagnostikuese mjekësore do të përshtateshin në pëllëmbën e dorës. E mbledhur nga fermat në shkretëtirat e mëdha të shkretëtirës anembanë botës, energjia diellore mund të ruhet dhe transferohet pa asnjë humbje.

4. Treni maglev japonez

Sipas fizikanit dhe popullarizuesit të famshëm të shkencës, Kakuteknologjitë si superpërçuesit do të sjellin një epokë të re. Nëse do të jetonim ende në epokën e elektricitetit, superpërçuesit në temperaturën e dhomës do të sillnin me vete epokën e magnetizmit.