Робот-альбатрос, здатний літати і плавати
20 Травня , 2018
Вертоліт-безпілотник вперше доставив вантаж американським морським піхотинцям
21 Травня , 2018

В пошуках високотемпературних надпровідників

Надпровідники можна назвати одними з найцікавіших і дивовижніших матеріалів в природі. Квантово-механічні ефекти, які не піддаються логічному обговоренню, призводять до того, що у надпровідників нижче критичної температури зовсім зникає електричний опір. Однієї цієї властивості достатньо, щоб запалити уяву. Струм, який може текти постійно, не втрачаючи енергії, означає передачу енергії практично без втрати в дротах. Коли поновлювані джерела енергії почнуть домінувати в мережі і високовольтні передачі через континенти стануть безперервними, кабелі без втрат приведуть до значної економії.

Більше того, надпровідний дріт, який переносить струм без втрат, стане відмінним сховищем електроенергії. На відміну від батарей, які з часом деградують, якщо опір буде дійсно нульовим, можна буде знайти надпровідник через мільярд років і виявити, що в ньому тече все той же старий струм. Енергію можна було б зберігати необмежено довго!

При відсутності опору через надпровідний дріт можна було б пропускати потужний струм і отримувати магнітні поля неймовірної потужності. Їх можна було б використовувати для левітуючих потягів і неймовірного розгону, докорінно змінивши всю транспортну систему.

Артур Кларк одного разу сказав, що досить розвинену технологію важко буде відрізнити від магії; надпровідники дуже схожі на чарівні пристрої. Чому ж вони досі не змінили наш світ? Проблема в критичній температурі.

Для більшості відомих таких матеріалів критична температура — це сотні градусів нижче нуля. У надпровідників також є критичне магнітне поле; за межами магнітного поля певної сили вони перестають працювати. Так вийшло, що матеріали з внутрішньою високою критичною температурою часто пропонують найпотужніші магнітні поля при охолодженні значно нижчій цієї температури.

Це означає, що застосування надпровідників досі було обмежено ситуаціями, коли ви могли дозволити собі охолодження компонентів майже до температури абсолютного нуля: в прискорювачах частинок і на експериментальних реакторах ядерного синтезу, наприклад.

Але навіть якщо деякі аспекти надпровідникових технологій обмежують їх застосування, пошук високотемпературних надпровідників триває. Багато фізиків все ще вірить, що надпровідники, що працюють при кімнатній температурі, можуть існувати. І таке відкриття проклало б дорогу неймовірним новим технологіям.

Після того, як Хейке Камерлінг-Оннес випадково відкрив надпровідність, намагаючись довести теорію лорда Кельвіна про те, що опір буде зростати при зниженні температури, теоретики намагаються пояснити нову властивість в надії, що його розуміння дозволить створити надпровідники, що працюють при кімнатній температурі.

Так з’явилася теорія БКШ (Бардіна, Купера, Шріффера), яка пояснює деякі властивості надпровідників. Також було передбачено, що мрія технологів, надпровідники при кімнатній температурі, може бути нездійсненна; максимальна температура надпровідності згідно теорії БКШ становила всього 30 градусів вище абсолютного нуля.

У 1980-х роках все змінилося, завдяки відкриттю незвичайної високотемпературної надпровідності. «Висока температура» все ще дуже холодна: найвища температура для надпровідності склала -70 градусів для сульфіду водню при надзвичайно високому тиску. При нормальному тиску верхньою межею є -140 градусів. На жаль, високотемпературні надпровідники, які потребують відносно дешевого рідкого азоту, а не рідкого гелію, для охолодження — це в основному тендітна кераміка, з якої дуже складно зробити дроти і застосувати на практиці.

Враховуючи обмеження високотемпературних надпровідників, вчені продовжують вважати, що є кращий варіант, який очікує відкриття — неймовірний новий матеріал, який зробить надпровідність доступною, практичною, а головне — працюючою  при кімнатній температурі.

Без докладного теоретичного розуміння виникнення цього явища — хоча істотний прогрес відбувається постійно — вчені іноді відчувають, що займаються ворожінням на кавовій гущі, намагаючись підібрати відповідні матеріали. Це схоже на спробу вгадати номер телефону, який складено з таблиці періодичних елементів замість цифр. Але перспектива залишається і дуже хвилює. Нобелівська премія і дивний, новий світ енергії і електрики — непогана нагорода за успішний результат.

У деяких дослідженнях основна увага приділяється купратам, складним кристалам, що містять шари міді та атомів кисню. Сполуки купратів з різними елементами і екзотичними сполуками типу оксид ртуть-барій-кальцій-міді, створюють кращі надпровідники, відомі на сьогодні.

Вчені також продовжують повідомляти несподівані новини про те, що просочений водою графіт може виступати в якості надпровідника, що працює при кімнатній температурі, але немає ніяких фактів того, що ці новини можна покласти в основу технологій.

На початку 2017 року, досліджуючи найекстремальніші та екзотичні форми матерії, які ми можемо створити на Землі, вчені зуміли стиснути водень до стану металу. Для цього їм знадобився тиск, що перевищує тиск у ядрі Землі і в тисячі разів більший, ніж на дні океану. Деякі вчені в цій галузі — фізиці конденсованої матерії — взагалі сумніваються, що металевий водень вдалося зробити.

Проте вважається, що металевий водень може бути надпровідником, який працює при кімнатній температурі. Але робота зі зразками виявляється дуже складною, тому що навіть алмази, що містять металевий водень, не витримують неймовірний тиск.

Надпровідність — або поведінка, що сильно її нагадує, — також спостерігалась у ітрій-барій-мідь оксиду при кімнатній температурі в 2014 році. Проблема лише в тому, що транспортування електрона проходило лише крихітну частку секунди і вимагало бомбардування матеріалу лазерними імпульсами.

Інші нові матеріали теж демонструють цікаві властивості. Нобелівська премія з фізики 2016 року була присуджена за теоретичну роботу, яка характеризує топологічні ізолятори — матеріали, які проявляють дивну квантову поведінку. Їх можна вважати ідеальними ізоляторами в загальній масі матеріалу, але надзвичайно гарними надпровідниками в тонкому шарі на поверхні.

Microsoft робить ставку на топологічні ізолятори в якості ключового компонента квантового комп’ютера. Також вони вважаються потенційно важливими компонентами мініатюрних мікросхем.

Деякі примітні властивості транспортування електронів також спостерігалися в нових «двовимірних» структурах — подібних графену, але з інших елементів. Це матеріали завтовшки в один атом або молекулу.

Надпровідність при кімнатній температурі залишається такою ж невловимою і захоплюючою, якою і була на протязі більше століття. Незрозуміло, чи може існувати надпровідник, що працює при кімнатній температурі, але відкриття високотемпературних надпровідників є багатообіцяючим показником того, що незвичайні і дуже корисні квантові ефекти можуть бути знайдені зовсім несподівано.

Author: LEU

Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

LEU
LEU
Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: