Эгер… биз жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдү алсакчы? Үмүт байланыштары

Жоготуусуз электр линиялары, төмөнкү температурадагы электр инженериясы, суперэлектромагниттер акыры терүү реакторлорунда миллиондогон градус плазманы акырын кысып, тынч жана тез маглев рельси. Биздин супер өткөргүчтөрдөн үмүтүбүз чоң...

Өтө өткөрүмдүүлүк нөлдүк электр каршылыктын материалдык абалы деп аталат. Бул өтө төмөн температурада кээ бир материалдарда жетишилет. Ал бул кванттык кубулушту ачкан Камерлинг Оннес (1) сымапта, 1911-ж. Классикалык физика анын сүрөттөлүшүн көтөрө албайт. Нөл каршылыктан тышкары, супер өткөргүчтөрдүн дагы бир маанилүү өзгөчөлүгү болуп саналат магнит талаасын анын көлөмүнөн түртүпМейснер эффектиси деп аталган (I типтеги супер өткөргүчтөрдө) же магнит талаасынын “айналаларга” фокусланышы (II типтеги супер өткөргүчтөрдө).

Көпчүлүк супер өткөргүчтөр абсолюттук нөлгө жакын температурада гана иштешет. Бул 0 Kelvin (-273,15 °C) деп билдирди. Атомдук кыймыл бул температурада дээрлик жок. Бул супер өткөргүчтөрдүн ачкычы. Адаттагыдай электрондор өткөргүчтө кыймылдап, башка титирөөчү атомдор менен кагылышып, пайда болот энергия жоготуу жана каршылык. Бирок, биз жогорку температурада өтө өткөргүчтүк болушу мүмкүн экенин билебиз. Акырындык менен биз төмөнкү минус Цельсийде, ал эми жакында эле оң Цельсийде бул эффектти көрсөткөн материалдарды таап жатабыз. Бирок, бул дагы, адатта, өтө жогорку басымды колдонууну камтыйт. Эң чоң кыял - бул технологияны бөлмө температурасында эбегейсиз басымсыз түзүү.

Өтө өткөргүчтүк абалынын пайда болушунун физикалык негизи болуп саналат жүк кармагычтардын жуптарын түзүү - деп аталган Купер. Мындай жуптар энергиялары окшош эки электрондун кошулушунун натыйжасында пайда болушу мүмкүн Ферми энергиясы, б.а. фермиондук системанын энергиясы дагы бир элементти кошкондон кийин көбөйө турган эң кичине энергия, аларды бириктирген өз ара аракеттешүү энергиясы өтө аз болгондо да. Бул материалдын электрдик касиеттерин өзгөртөт, анткени жалгыз ташыгычтар фермиондор жана жуптар бозондор.

Кызматташуу демек, бул фонондор деп аталган кристалл торчо термелүүлөрү аркылуу бири-бири менен өз ара аракеттенүүчү эки фермиондун (мисалы, электрондордун) системасы. көрүнүш сүрөттөлгөн Леона кызматташат 1956-жылы түзүлгөн жана BCS төмөнкү температурадагы супер өткөргүчтүк теориясынын бир бөлүгү болуп саналат. Купер түгөйүн түзүүчү фермиондордун жарым спиндери бар (алар карама-каршы багыттарга багытталган), бирок системанын пайда болгон спини толук, б.а. Купер жуп бозон.

Кээ бир элементтер белгилүү бир температурада өтө өткөргүч болуп саналат, мисалы, кадмий, калай, алюминий, иридий, платина, башкалары өтө жогорку басымда (мисалы, кычкылтек, фосфор, күкүрт, германий, литий) же өтө өткөргүчтүк абалына өтөт. жука катмарлардын формасы (вольфрам, бериллий, хром) жана кээ бирлери күмүш, жез, алтын, асыл газдар, суутек сыяктуу өтө өткөргүч боло албайт, бирок алтын, күмүш жана жез бөлмө температурасында эң жакшы өткөргүчтөрдүн катарына кирет.

"Жогорку температура" дагы эле өтө төмөн температураны талап кылат

1964 жылы William A. Little жылы жогорку температурадагы супер өткөргүчтүктүн болушу мүмкүндүгүн сунуш кылган органикалык полимерлер. Бул сунуш BCS теориясында фонон-арачы жупташуудан айырмаланып, экситон-арачы электрондук жупташтырууга негизделген. «Жогорку температурадагы супер өткөргүчтөр» термини Иоганнес Г.Беднорц жана К.А. тарабынан ачылган перовскиттүү түзүлүштөгү керамикалык жаңы үй-бүлөнү сүрөттөө үчүн колдонулган. Мюллер 1986-жылы, алар Нобель сыйлыгын алышкан. Бул жаңы керамикалык супер өткөргүчтөр (2) лантан, барий жана висмут сыяктуу башка элементтер менен аралашкан жезден жана кычкылтектен жасалган.

2. Күчтүү магниттердин үстүндө калкып жүргөн керамикалык табак

Биздин көз карашыбыз боюнча, "жогорку температура" супер өткөргүчтүгү дагы эле өтө төмөн болгон. Кадимки басым үчүн чек -140°C болчу, ал тургай мындай супер өткөргүчтөр "жогорку температура" деп аталчу. Күкүрт суутек үчүн -70°С өтө өткөргүчтүк температурасы өтө жогорку басымда жетишилди. Бирок, жогорку температурадагы супер өткөргүчтөр муздатуу үчүн суюк гелийди эмес, салыштырмалуу арзан суюк азотту талап кылат, бул абдан маанилүү.

Башка жагынан алып караганда, ал негизинен морт керамика, электр системаларында колдонуу үчүн абдан практикалык эмес.

Илимпоздор дагы эле жакшыраак вариант, мисалы, критерийлерге жооп бере турган жаңы көрүнүктүү материалдын ачылышын күтүп жатат деп эсептешет. бөлмө температурасында супер өткөргүчтүк, жеткиликтүү жана колдонуу үчүн практикалык. Кээ бир изилдөөлөр жезге, жез жана кычкылтек атомдорунун катмарларын камтыган татаал кристаллга багытталган. Сууга чыланган графит бөлмө температурасында супер өткөргүчтүн ролун аткара алат деген аномалдуу, бирок илимий жактан түшүнүксүз отчеттор боюнча изилдөөлөр улантылууда.

Соңку жылдар жогорку температурадагы өтө өткөргүчтүк тармагындагы “революциялардын”, “жеткиликтердин” жана “жаңы бөлүмдөрдүн” чыныгы агымы болду. 2020-жылдын октябрь айында бөлмө температурасында (15°C) өтө өткөргүчтүк байкалган көмүртек дисульфид гидриди (3), бирок, жашыл лазер тарабынан түзүлгөн өтө жогорку басымда (267 GPa). Бөлмө температурасында жана нормалдуу басымда өтө өткөрүүчү салыштырмалуу арзан материал боло турган Ыйык Граил али табыла элек.

3. 15°Сте өтө өткөргүч болгон көмүртектүү материал.

Магниттик доордун таңы

Жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдүн мүмкүн болгон колдонмолорунун тизмеси электроника жана компьютердик технологиялар, логикалык түзүлүштөр, эс тутум элементтери, өчүргүчтөр жана байланыштар, генераторлор, күчөткүчтөр, бөлүкчөлөрдүн тездеткичтеринен башталышы мүмкүн. Кийинки тизмеде: магниттик талааларды, чыңалууларды же токторду өлчөө үчүн өтө сезгич түзүлүштөр, медициналык MRI аппараттары, магниттик энергияны сактоочу түзүлүштөр, левитациялык ок ​​поезддер, кыймылдаткычтар, генераторлор, трансформаторлор жана электр линиялары. Бул түш суперөткөргүч түзүлүштөрдүн негизги артыкчылыктары аз электр диссипация, жогорку иш ылдамдыгы жана болот өтө сезгичтик.

Супер өткөргүчтөр үчүн. Электр станциялары көп шаарлардын жанында курулганынын себеби бар. Ал тургай 30 пайыз. алар тарабынан түзүлгөн Электр энергиясы ал берүү линияларында жоголуп кетиши мүмкүн. Бул электр приборлорунун жалпы көйгөйү. Энергиянын көбү жылуулукка жумшалат. Ошондуктан, компьютердин аянтынын олуттуу бөлүгү схемалар тарабынан пайда болгон жылуулукту таркатууга жардам берген муздатуу компоненттерине арналган.

Өтө өткөргүчтөр жылуулуктан улам энергияны жоготуу маселесин чечет. Эксперименттердин бир бөлүгү катары, мисалы, илимпоздор акча табууга жетишет өтө өткөргүч шакекченин ичиндеги электр тогу эки жылдан ашык. Жана бул кошумча энергиясыз.

Агымдын токтоп калганынын бирден-бир себеби суюк гелийге жол жок болгондуктан, токтун андан ары агып кетиши мүмкүн эмес. Биздин эксперименттер бизди супер өткөргүч материалдардагы агымдар жүз миңдеген жылдар бою, болбосо андан да көп жылдар бою агып кете алат деген ишенимге алып келет. Өтө өткөргүчтөрдөгү электр тогу түбөлүккө агып, энергияны бекер өткөрүп берет.

в каршылык жок Өтө өткөргүч зым аркылуу эбегейсиз агым агып кетиши мүмкүн, ал өз кезегинде укмуштуудай кубаттуу магнит талаасын пайда кылган. Алар 4 км/саат ылдамдыкка жете турган маглев поезддерин (600) көтөрүү үчүн колдонулушу мүмкүн жана супер өткөргүч магниттер. Же болбосо электр энергиясын өндүрүү үчүн турбиналарды магнит талаасында айлантуучу салттуу ыкмаларды алмаштырып, электр станцияларында колдонуңуз. Күчтүү супер өткөргүч магниттер ядролук синтез реакцияларын башкарууга жардам берет. Өтө өткөргүч зым батарейка эмес, идеалдуу энергия сактоочу түзүлүш катары иштей алат жана системадагы потенциал миң жана миллион жыл бою сакталат.

Кванттык компьютерлерде сиз супер өткөргүчтө саат жебеси боюнча же ага каршы агып кете аласыз. Кораблдердин жана машиналардын кыймылдаткычтары азыркыдан он эсе кичиреймек, ал эми кымбат баалуу медициналык диагностикалык MRI аппараттары алаканга батмак. Дүйнө жүзүндөгү эбегейсиз чөлдөрдөгү чарбалардан чогултулган күн энергиясы эч кандай коромжусуз сакталып, берилиши мүмкүн.

4. Япониянын маглев поезди

Физик жана илимдин белгилүү популяризаторунун айтымында, КакуСупер өткөргүчтөр сыяктуу технологиялар жаңы доорду ачат. Эгерде биз дагы эле электр доорунда жашап жаткан болсок, бөлмө температурасындагы супер өткөргүчтөр магниттик доорду алып келмек.