Beth os…cawn ni uwch-ddargludyddion tymheredd uchel? Rhwymiadau gobaith

Llinellau trawsyrru di-golled, peirianneg drydanol tymheredd isel, uwch-electromagnetau, yn olaf yn cywasgu miliynau o raddau o plasma mewn adweithyddion thermoniwclear, rheilen maglev tawel a chyflym. Mae gennym ni gymaint o obeithion am uwch-ddargludyddion...

Uwchddargludedd gelwir y cyflwr materol o wrthwynebiad trydanol sero. Cyflawnir hyn mewn rhai deunyddiau ar dymheredd isel iawn. Darganfuodd y ffenomen cwantwm hwn Kamerling Onnes (1) mewn arian byw, yn 1911. Mae ffiseg glasurol yn methu â'i ddisgrifio. Yn ogystal â sero ymwrthedd, nodwedd bwysig arall o superconductors yw Gwthiwch y maes magnetig allan o'i gyfaintyr effaith Meissner fel y'i gelwir (yn uwch-ddargludyddion math I) neu ganolbwyntio'r maes magnetig yn "vortices" (yn uwch-ddargludyddion math II).

Dim ond ar dymheredd sy'n agos at sero absoliwt y mae'r rhan fwyaf o uwch-ddargludyddion yn gweithio. Dywedir ei fod yn 0 Kelvin (-273,15 °C). Symudiad atomau ar y tymheredd hwn nid yw bron yn bodoli. Dyma'r allwedd i uwch-ddargludyddion. Fel arfer electronau mae symud yn y dargludydd yn gwrthdaro ag atomau dirgrynol eraill, gan achosi colli ynni a gwrthiant. Fodd bynnag, gwyddom fod uwch-ddargludedd yn bosibl ar dymheredd uwch. Yn raddol, rydyn ni'n darganfod deunyddiau sy'n dangos yr effaith hon ar laiws Celsius is, ac yn ddiweddar hyd yn oed ar fantais. Fodd bynnag, mae hyn eto fel arfer yn gysylltiedig â chymhwyso pwysau hynod o uchel. Y freuddwyd fwyaf yw creu'r dechnoleg hon ar dymheredd ystafell heb bwysau enfawr.

Y sail ffisegol ar gyfer ymddangosiad cyflwr superconductivity yw ffurfio parau o ddalwyr cargo - yr hyn a elwir Cooper. Gall parau o'r fath godi o ganlyniad i uno dau electron ag egni tebyg. Fermi egni, h.y. yr egni lleiaf y bydd egni system fermionic yn cynyddu ar ôl ychwanegu un elfen arall, hyd yn oed pan fo egni'r rhyngweithiad sy'n eu rhwymo yn fach iawn. Mae hyn yn newid priodweddau trydanol y deunydd, gan mai fermions yw'r cludwyr sengl a bosonau yw'r parau.

Cydweithio felly, mae'n system o ddau fermion (er enghraifft, electronau) yn rhyngweithio â'i gilydd trwy ddirgryniadau o'r dellt grisial, a elwir yn phonons. Disgrifiwyd y ffenomen Leona yn cydweithredu ym 1956 ac mae'n rhan o ddamcaniaeth BCS o uwchddargludedd tymheredd isel. Mae gan y fermions sy'n rhan o'r pâr Cooper hanner troelli (sy'n cael eu cyfeirio i gyfeiriadau dirgroes), ond mae troelliad canlyniadol y system yn llawn, hynny yw, mae'r pâr Cooper yn boson.

Mae uwch-ddargludyddion ar dymheredd penodol yn rhai elfennau, er enghraifft, cadmiwm, tun, alwminiwm, iridium, platinwm, mae eraill yn mynd i mewn i gyflwr superconductivity dim ond ar bwysedd uchel iawn (er enghraifft, ocsigen, ffosfforws, sylffwr, germaniwm, lithiwm) neu yn y ffurf haenau tenau (twngsten, beryllium, cromiwm), ac efallai nad yw rhai yn uwchddargludo eto, megis arian, copr, aur, nwyon nobl, hydrogen, er bod aur, arian a chopr ymhlith y dargludyddion gorau ar dymheredd yr ystafell.

Mae "tymheredd uchel" yn dal i fod angen tymheredd isel iawn

Yn y flwyddyn 1964 William A. Bach awgrymu y posibilrwydd o fodolaeth uwch-ddargludedd tymheredd uchel yn polymerau organig. Mae'r cynnig hwn yn seiliedig ar baru electronau exciton-mediated yn hytrach na pharu ffonon-gyfryngol yn theori BCS. Mae'r term "superconductors tymheredd uchel" wedi'i ddefnyddio i ddisgrifio teulu newydd o serameg perovskite a ddarganfuwyd gan Johannes G. Bednorz a C.A. Müller yn 1986, a chawsant y Wobr Nobel amdano. Mae'r uwch-ddargludyddion cerameg newydd hyn (2) wedi'u gwneud o gopr ac ocsigen wedi'u cymysgu ag elfennau eraill megis lanthanum, bariwm a bismuth.

2. Plât ceramig yn hofran dros magnetau pwerus

O'n safbwynt ni, roedd uwchddargludedd "tymheredd uchel" yn dal yn isel iawn. Ar gyfer pwysau arferol, y terfyn oedd -140 ° C, a galwyd hyd yn oed uwch-ddargludyddion o'r fath yn "dymheredd uchel". Mae'r tymheredd uwchddargludedd o -70 ° C ar gyfer hydrogen sylffid wedi'i gyrraedd ar bwysau hynod o uchel. Fodd bynnag, mae uwch-ddargludyddion tymheredd uchel angen nitrogen hylifol cymharol rad ar gyfer oeri, yn hytrach na heliwm hylif, sy'n hanfodol.

Ar y llaw arall, cerameg brau ydyw yn bennaf, nid yw'n ymarferol iawn i'w ddefnyddio mewn systemau trydanol.

Mae gwyddonwyr yn dal i gredu bod opsiwn gwell yn aros i gael ei ddarganfod, deunydd newydd gwych a fydd yn cwrdd â meini prawf megis uwch-ddargludedd ar dymheredd ystafellfforddiadwy ac ymarferol i'w defnyddio. Mae peth ymchwil wedi canolbwyntio ar gopr, crisial cymhleth sy'n cynnwys haenau o atomau copr ac ocsigen. Mae ymchwil yn parhau ar rai adroddiadau afreolaidd ond anesboniadwy yn wyddonol y gall graffit wedi'i socian â dŵr weithredu fel uwch-ddargludydd ar dymheredd ystafell.

Mae'r blynyddoedd diwethaf wedi bod yn ffrwd wirioneddol o "chwyldroadau", "torri tir newydd" a "phenodau newydd" ym maes uwch-ddargludedd ar dymheredd uwch. Ym mis Hydref 2020, adroddwyd bod uwch-ddargludedd ar dymheredd ystafell (ar 15 ° C). hydride carbon disulfide (3), fodd bynnag, ar bwysedd uchel iawn (267 GPa) a gynhyrchir gan y laser gwyrdd. Nid yw'r Greal Sanctaidd, a fyddai'n ddeunydd cymharol rad a fyddai'n uwch-ddargludol ar dymheredd ystafell a phwysau arferol, wedi'i ddarganfod eto.

3. Deunydd seiliedig ar garbon sy'n uwchddargludol ar 15°C.

Gwawr yr Oes Magnetig

Gall cyfrif cymwysiadau posibl uwch-ddargludyddion tymheredd uchel ddechrau gydag electroneg a chyfrifiaduron, dyfeisiau rhesymeg, elfennau cof, switshis a chysylltiadau, generaduron, mwyhaduron, cyflymyddion gronynnau. Nesaf ar y rhestr: dyfeisiau sensitif iawn ar gyfer mesur meysydd magnetig, folteddau neu gerrynt, magnetau ar gyfer Dyfeisiau meddygol MRI, dyfeisiau storio ynni magnetig, trenau bwled levitating, peiriannau, generaduron, trawsnewidyddion a llinellau pŵer. Prif fanteision y dyfeisiau superconducting breuddwyd hyn fydd afradu pŵer isel, gweithrediad cyflymder uchel a sensitifrwydd eithafol.

ar gyfer uwch-ddargludyddion. Mae yna reswm pam mae gweithfeydd pŵer yn aml yn cael eu hadeiladu ger dinasoedd prysur. Hyd yn oed 30 y cant. creu ganddynt Ynni trydan gall gael ei golli ar linellau trawsyrru. Mae hon yn broblem gyffredin gydag offer trydanol. Mae'r rhan fwyaf o'r egni yn mynd i wres. Felly, mae cyfran sylweddol o wyneb y cyfrifiadur wedi'i neilltuo i oeri rhannau sy'n helpu i wasgaru'r gwres a gynhyrchir gan y cylchedau.

Mae uwch-ddargludyddion yn datrys problem colledion ynni ar gyfer gwres. Fel rhan o arbrofion, mae gwyddonwyr, er enghraifft, yn llwyddo i ennill bywoliaeth cerrynt trydan y tu mewn i'r cylch uwch-ddargludo dros ddwy flynedd. Ac mae hyn heb ynni ychwanegol.

Yr unig reswm y stopiodd y cerrynt oedd oherwydd nad oedd mynediad i heliwm hylifol, nid oherwydd na allai'r cerrynt barhau i lifo. Mae ein harbrofion yn ein harwain i gredu y gall cerrynt mewn deunyddiau uwchddargludo lifo am gannoedd o filoedd o flynyddoedd, os nad mwy. Gall cerrynt trydan mewn uwch-ddargludyddion lifo am byth, gan drosglwyddo egni am ddim.

в dim gwrthwynebiad gallai cerrynt enfawr lifo drwy'r wifren uwchddargludo, a oedd yn ei thro yn cynhyrchu meysydd magnetig o bŵer anhygoel. Gellir eu defnyddio i godi trenau maglev (4), sydd eisoes yn gallu cyrraedd cyflymder o hyd at 600 km/h ac sy'n seiliedig ar magnetau uwch-ddargludo. Neu defnyddiwch nhw mewn gweithfeydd pŵer, gan ddisodli dulliau traddodiadol lle mae tyrbinau'n troi mewn meysydd magnetig i gynhyrchu trydan. Gallai magnetau uwch-ddargludo pwerus helpu i reoli'r adwaith ymasiad. Gall gwifren uwchddargludo weithredu fel dyfais storio ynni ddelfrydol, yn hytrach na batri, a bydd potensial y system yn cael ei gadw am fil a miliwn o flynyddoedd.

Mewn cyfrifiaduron cwantwm, gallwch chi lifo'n glocwedd neu'n wrthglocwedd mewn uwch-ddargludydd. Byddai injans llongau a cheir ddeg gwaith yn llai nag ydyn nhw heddiw, a byddai peiriannau MRI diagnostig meddygol drud yn ffitio yng nghledr eich llaw. Wedi'i gasglu o ffermydd yn yr anialwch anialwch helaeth ledled y byd, gellir storio a throsglwyddo ynni solar heb unrhyw golled.

4. trên maglev Japaneaidd

Yn ôl y ffisegydd a phoblogydd enwog gwyddoniaeth, Kakubydd technolegau fel uwchddargludyddion yn arwain at oes newydd. Pe baem yn dal i fyw yn oes trydan, byddai uwch-ddargludyddion ar dymheredd ystafell yn dod â chyfnod magnetedd gyda nhw.