Điều gì sẽ xảy ra nếu… chúng ta nhận được chất siêu dẫn nhiệt độ cao? Ràng buộc của hy vọng

Đường truyền không tổn hao, kỹ thuật điện nhiệt độ thấp, nam châm siêu điện, cuối cùng nén nhẹ hàng triệu độ plasma trong lò phản ứng nhiệt hạch, một đường ray maglev yên tĩnh và nhanh chóng. Chúng ta có rất nhiều hy vọng về chất siêu dẫn ...

Siêu dẫn trạng thái vật chất của điện trở bằng không được gọi là. Điều này đạt được ở một số vật liệu ở nhiệt độ rất thấp. Ông đã phát hiện ra hiện tượng lượng tử này Kamerling Onnes (1) trong thủy ngân, vào năm 1911. Vật lý cổ điển không mô tả được nó. Ngoài điện trở bằng không, một tính năng quan trọng khác của chất siêu dẫn là đẩy từ trường ra khỏi khối lượng của nócái gọi là hiệu ứng Meissner (trong chất siêu dẫn loại I) hoặc sự tập trung của từ trường thành "xoáy" (trong chất siêu dẫn loại II).

Hầu hết các chất siêu dẫn chỉ hoạt động ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. Nó được báo cáo là 0 Kelvin (-273,15 ° C). Sự chuyển động của các nguyên tử ở nhiệt độ này nó hầu như không tồn tại. Đây là chìa khóa của chất siêu dẫn. Như thường lệ các điện tử chuyển động trong vật dẫn va chạm với các nguyên tử dao động khác, gây ra mất năng lượng và sức đề kháng. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng có thể xảy ra hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Dần dần, chúng tôi đang khám phá ra các vật liệu cho thấy hiệu ứng này ở nhiệt độ thấp hơn âm độ C và gần đây là thậm chí ở nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, điều này một lần nữa thường liên quan đến việc áp dụng áp suất cực cao. Ước mơ lớn nhất là tạo ra công nghệ này ở nhiệt độ phòng mà không có áp suất khổng lồ.

Cơ sở vật lý cho sự xuất hiện của trạng thái siêu dẫn là hình thành các cặp gắp hàng - cái gọi là Cooper. Những cặp như vậy có thể phát sinh do sự kết hợp của hai electron có năng lượng tương tự nhau. Năng lượng Fermi, I E. năng lượng nhỏ nhất mà năng lượng của một hệ fermionic sẽ tăng lên sau khi thêm một nguyên tố nữa, ngay cả khi năng lượng của tương tác liên kết chúng là rất nhỏ. Điều này làm thay đổi các đặc tính điện của vật liệu, vì các hạt tải điện đơn là fermion và các cặp là boson.

Hợp tác do đó, nó là một hệ thống gồm hai fermion (ví dụ, các electron) tương tác với nhau thông qua các dao động của mạng tinh thể, được gọi là phonon. Hiện tượng đã được mô tả Leona hợp tác vào năm 1956 và là một phần của lý thuyết BCS về hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp. Các fermion tạo nên cặp Cooper có một nửa spin (hướng theo các hướng ngược nhau), nhưng spin kết quả của hệ là đầy đủ, nghĩa là, cặp Cooper là một boson.

Chất siêu dẫn ở một số nhiệt độ nhất định là một số nguyên tố, ví dụ, cadimi, thiếc, nhôm, iridi, bạch kim, những nguyên tố khác chỉ chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở áp suất rất cao (ví dụ, oxy, phốt pho, lưu huỳnh, germani, liti) hoặc ở dạng các lớp mỏng (vonfram, berili, crôm) và một số có thể chưa siêu dẫn, chẳng hạn như bạc, đồng, vàng, khí quý, hydro, mặc dù vàng, bạc và đồng là một trong những chất dẫn điện tốt nhất ở nhiệt độ phòng.

"Nhiệt độ cao" vẫn yêu cầu nhiệt độ rất thấp

Trong 1964 năm William A. Little gợi ý về khả năng tồn tại của hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao trong polyme hữu cơ. Đề xuất này dựa trên sự kết cặp electron qua trung gian exciton trái ngược với sự kết đôi qua trung gian phonon trong lý thuyết BCS. Thuật ngữ "chất siêu dẫn nhiệt độ cao" đã được sử dụng để mô tả một họ gốm có cấu trúc perovskite mới do Johannes G. Bednorz và C.A. Müller vào năm 1986, mà họ đã nhận được giải Nobel. Những chất siêu dẫn gốm mới này (2) được làm từ đồng và ôxy trộn với các nguyên tố khác như lantan, bari và bitmut.

2. Tấm gốm lơ lửng trên nam châm cực mạnh

Theo quan điểm của chúng tôi, độ siêu dẫn "ở nhiệt độ cao" vẫn rất thấp. Đối với áp suất bình thường, giới hạn là -140 ° C, và thậm chí những chất siêu dẫn như vậy còn được gọi là "nhiệt độ cao". Nhiệt độ siêu dẫn -70 ° C đối với hydro sunfua đã đạt được ở áp suất cực cao. Tuy nhiên, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao yêu cầu nitơ lỏng tương đối rẻ hơn là heli lỏng để làm mát, điều này là cần thiết.

Mặt khác, nó chủ yếu là gốm giòn, không thực tế lắm để sử dụng trong hệ thống điện.

Các nhà khoa học vẫn tin rằng có một lựa chọn tốt hơn đang chờ được khám phá, một loại vật liệu mới tuyệt vời sẽ đáp ứng các tiêu chí như siêu dẫn ở nhiệt độ phònggiá cả phải chăng và thiết thực để sử dụng. Một số nghiên cứu đã tập trung vào đồng, một tinh thể phức tạp có chứa các lớp nguyên tử đồng và oxy. Nghiên cứu vẫn tiếp tục về một số báo cáo bất thường nhưng chưa giải thích được về mặt khoa học rằng than chì ngâm trong nước có thể hoạt động như một chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Những năm gần đây là một dòng thực sự của các "cuộc cách mạng", "đột phá" và "chương mới" trong lĩnh vực siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vào tháng 2020 năm 15, hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng (ở XNUMX ° C) đã được báo cáo trong cacbon đisulfua hyđrua (3), tuy nhiên, ở áp suất rất cao (267 GPa) do tia laser màu xanh lá cây tạo ra. Chén Thánh, một vật liệu tương đối rẻ tiền có thể siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và áp suất bình thường, vẫn chưa được tìm thấy.

3. Vật liệu gốc carbon siêu dẫn ở 15 ° C.

Dawn of the Magnetic Age

Việc liệt kê các ứng dụng có thể có của chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể bắt đầu với thiết bị điện tử và máy tính, thiết bị logic, phần tử bộ nhớ, công tắc và kết nối, máy phát điện, bộ khuếch đại, máy gia tốc hạt. Tiếp theo trong danh sách: các thiết bị có độ nhạy cao để đo từ trường, điện áp hoặc dòng điện, nam châm cho Thiết bị y tế MRI, thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường, tàu cao tốc bay, động cơ, máy phát điện, máy biến áp và đường dây điện. Ưu điểm chính của các thiết bị siêu dẫn mơ ước này là tiêu hao năng lượng thấp, vận hành tốc độ cao và cực kỳ nhạy cảm.

đối với chất siêu dẫn. Có một lý do tại sao các nhà máy điện thường được xây dựng gần các thành phố bận rộn. Thậm chí 30 phần trăm. do họ tạo ra Năng lượng điện nó có thể bị mất trên đường truyền. Đây là sự cố thường gặp với các thiết bị điện. Phần lớn năng lượng chuyển sang nhiệt năng. Do đó, một phần đáng kể của bề mặt máy tính được dành cho các bộ phận làm mát giúp tản nhiệt do các vi mạch tạo ra.

Chất siêu dẫn giải quyết vấn đề thất thoát năng lượng cho nhiệt. Ví dụ như là một phần của các thí nghiệm, các nhà khoa học xoay sở để kiếm sống dòng điện bên trong vòng siêu dẫn hơn hai năm. Và điều này là không có năng lượng bổ sung.

Lý do duy nhất mà dòng điện dừng lại là vì không thể tiếp cận với helium lỏng, không phải vì dòng điện không thể tiếp tục chạy. Các thí nghiệm của chúng tôi khiến chúng tôi tin rằng các dòng điện trong vật liệu siêu dẫn có thể chảy trong hàng trăm nghìn năm, nếu không muốn nói là hơn. Dòng điện trong chất siêu dẫn có thể chạy mãi mãi, truyền năng lượng miễn phí.

в không kháng cự một dòng điện cực lớn có thể chạy qua dây siêu dẫn, từ đó tạo ra từ trường có sức mạnh đáng kinh ngạc. Chúng có thể được sử dụng để đẩy các đoàn tàu maglev (4), vốn đã có thể đạt tốc độ lên đến 600 km / h và được dựa trên nam châm siêu dẫn. Hoặc sử dụng chúng trong các nhà máy điện, thay thế các phương pháp truyền thống trong đó tuabin quay trong từ trường để tạo ra điện. Các nam châm siêu dẫn mạnh mẽ có thể giúp kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Một sợi dây siêu dẫn có thể hoạt động như một thiết bị lưu trữ năng lượng lý tưởng, hơn là một cục pin, và tiềm năng trong hệ thống sẽ được bảo toàn trong một nghìn triệu năm.

Trong máy tính lượng tử, bạn có thể chảy theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ trong chất siêu dẫn. Động cơ tàu thủy và xe hơi sẽ nhỏ hơn XNUMX lần so với ngày nay, và các máy MRI chẩn đoán y tế đắt tiền sẽ nằm gọn trong lòng bàn tay bạn. Được thu thập từ các trang trại trên các sa mạc rộng lớn trên thế giới, năng lượng mặt trời có thể được lưu trữ và chuyển giao mà không bị thất thoát.

4. Tàu maglev Nhật Bản

Theo nhà vật lý và nhà phổ biến khoa học nổi tiếng, Kakucác công nghệ như chất siêu dẫn sẽ mở ra một kỷ nguyên mới. Nếu chúng ta vẫn đang sống trong kỷ nguyên điện, thì chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ mang theo kỷ nguyên từ tính.