Bagaimana jika...kita mendapatkan superkonduktor suhu tinggi? Ikatan harapan

Jalur transmisi lossless, teknik listrik suhu rendah, superelektromagnet, akhirnya dengan lembut mengompresi jutaan derajat plasma dalam reaktor termonuklir, rel maglev yang tenang dan cepat. Kami memiliki begitu banyak harapan untuk superkonduktor...

Superkonduktivitas keadaan material nol hambatan listrik disebut. Hal ini dicapai dalam beberapa bahan pada suhu yang sangat rendah. Dia menemukan fenomena kuantum ini Camerling Onnes (1) dalam merkuri, pada tahun 1911. Fisika klasik gagal menjelaskannya. Selain resistansi nol, fitur penting lainnya dari superkonduktor adalah mendorong medan magnet keluar dari volumenyayang disebut efek Meissner (dalam superkonduktor tipe I) atau pemfokusan medan magnet menjadi "vortisitas" (dalam superkonduktor tipe II).

Kebanyakan superkonduktor hanya bekerja pada suhu mendekati nol mutlak. Hal ini dilaporkan menjadi 0 Kelvin (-273,15 °C). Pergerakan atom pada suhu ini hampir tidak ada. Ini adalah kunci untuk superkonduktor. Seperti biasanya elektron bergerak dalam konduktor bertabrakan dengan atom bergetar lainnya, menyebabkan kehilangan energi dan resistensi. Namun, kita tahu bahwa superkonduktivitas dimungkinkan pada suhu yang lebih tinggi. Secara bertahap, kami menemukan bahan yang menunjukkan efek ini pada suhu minus Celcius yang lebih rendah, dan baru-baru ini bahkan pada suhu plus. Namun, lagi-lagi ini biasanya dikaitkan dengan penerapan tekanan yang sangat tinggi. Impian terbesarnya adalah menciptakan teknologi ini pada suhu kamar tanpa tekanan raksasa.

Dasar fisik untuk munculnya keadaan superkonduktivitas adalah pembentukan pasang tangan-tangan kargo - disebut Cooper. Pasangan tersebut dapat muncul sebagai akibat dari penyatuan dua elektron dengan energi yang sama. energi Fermi, yaitu energi terkecil dimana energi sistem fermionik akan meningkat setelah penambahan satu elemen lagi, bahkan ketika energi interaksi yang mengikatnya sangat kecil. Ini mengubah sifat listrik material, karena pembawa tunggal adalah fermion dan pasangannya adalah boson.

Bekerja sama oleh karena itu, ini adalah sistem dua fermion (misalnya, elektron) yang berinteraksi satu sama lain melalui getaran kisi kristal, yang disebut fonon. Fenomena tersebut telah dijelaskan Leona bekerja sama pada tahun 1956 dan merupakan bagian dari teori superkonduktivitas suhu rendah BCS. Fermion yang membentuk pasangan Cooper memiliki setengah putaran (yang diarahkan ke arah yang berlawanan), tetapi putaran sistem yang dihasilkan penuh, yaitu pasangan Cooper adalah boson.

Superkonduktor pada suhu tertentu adalah beberapa elemen, misalnya, kadmium, timah, aluminium, iridium, platinum, yang lain masuk ke dalam keadaan superkonduktivitas hanya pada tekanan yang sangat tinggi (misalnya, oksigen, fosfor, belerang, germanium, litium) atau dalam bentuk lapisan tipis (tungsten , berilium, kromium), dan beberapa mungkin belum menjadi superkonduktor, seperti perak, tembaga, emas, gas mulia, hidrogen, meskipun emas, perak, dan tembaga termasuk konduktor terbaik pada suhu kamar.

"Suhu tinggi" masih membutuhkan suhu yang sangat rendah

Pada tahun 1964 William A. Little menyarankan kemungkinan adanya superkonduktivitas suhu tinggi di polimer organik. Proposal ini didasarkan pada pasangan elektron yang dimediasi eksiton sebagai lawan dari pasangan yang dimediasi fonon dalam teori BCS. Istilah "superkonduktor suhu tinggi" telah digunakan untuk menggambarkan keluarga baru keramik berstruktur perovskit yang ditemukan oleh Johannes G. Bednorz dan C.A. Müller pada tahun 1986, di mana mereka menerima Hadiah Nobel. Superkonduktor keramik baru (2) ini terbuat dari tembaga dan oksigen yang dicampur dengan elemen lain seperti lantanum, barium, dan bismut.

2. Pelat keramik melayang di atas magnet yang kuat

Dari sudut pandang kami, superkonduktivitas "suhu tinggi" masih sangat rendah. Untuk tekanan normal, batasnya adalah -140 °C, dan bahkan superkonduktor semacam itu disebut "suhu tinggi". Suhu superkonduktivitas -70°C untuk hidrogen sulfida telah dicapai pada tekanan yang sangat tinggi. Namun, superkonduktor suhu tinggi membutuhkan nitrogen cair yang relatif murah untuk pendinginan, daripada helium cair, yang sangat penting.

Di sisi lain, sebagian besar keramik rapuh, tidak terlalu praktis untuk digunakan dalam sistem kelistrikan.

Para ilmuwan masih percaya bahwa ada pilihan yang lebih baik yang menunggu untuk ditemukan, bahan baru yang luar biasa yang akan memenuhi kriteria seperti superkonduktivitas pada suhu kamarterjangkau dan praktis digunakan. Beberapa penelitian telah difokuskan pada tembaga, kristal kompleks yang mengandung lapisan atom tembaga dan oksigen. Penelitian berlanjut pada beberapa laporan anomali tetapi tidak dapat dijelaskan secara ilmiah bahwa grafit yang direndam dalam air dapat bertindak sebagai superkonduktor pada suhu kamar.

Tahun-tahun belakangan ini benar-benar menjadi aliran "revolusi", "terobosan" dan "babak baru" di bidang superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi. Pada Oktober 2020, superkonduktivitas pada suhu kamar (pada 15°C) dilaporkan di karbon disulfida hidrida (3), bagaimanapun, pada tekanan yang sangat tinggi (267 GPa) yang dihasilkan oleh laser hijau. Cawan Suci, yang akan menjadi bahan yang relatif murah yang akan menjadi superkonduktif pada suhu kamar dan tekanan normal, belum ditemukan.

3. Bahan berbasis karbon yang superkonduktif pada 15°C.

Fajar Zaman Magnet

Pencacahan kemungkinan aplikasi superkonduktor suhu tinggi dapat dimulai dengan elektronik dan komputer, perangkat logika, elemen memori, sakelar dan koneksi, generator, amplifier, akselerator partikel. Berikutnya dalam daftar: perangkat yang sangat sensitif untuk mengukur medan magnet, tegangan atau arus, magnet untuk Perangkat medis MRI, perangkat penyimpanan energi magnetik, kereta peluru melayang, mesin, generator, transformator dan saluran listrik. Keuntungan utama dari perangkat superkonduktor impian ini adalah disipasi daya rendah, operasi kecepatan tinggi, dan sensitivitas ekstrim.

untuk superkonduktor. Ada alasan mengapa pembangkit listrik sering dibangun di dekat kota yang sibuk. Bahkan 30 persen. diciptakan oleh mereka Energi listrik mungkin hilang pada saluran transmisi. Ini adalah masalah umum dengan peralatan listrik. Sebagian besar energi menjadi panas. Oleh karena itu, sebagian besar permukaan komputer dikhususkan untuk bagian pendingin yang membantu menghilangkan panas yang dihasilkan oleh sirkuit.

Superkonduktor memecahkan masalah kehilangan energi untuk panas. Sebagai bagian dari eksperimen, para ilmuwan, misalnya, berhasil mencari nafkah arus listrik di dalam cincin superkonduktor lebih dari dua tahun. Dan ini tanpa energi tambahan.

Satu-satunya alasan arus berhenti adalah karena tidak ada akses ke helium cair, bukan karena arus tidak dapat terus mengalir. Eksperimen kami membuat kami percaya bahwa arus dalam bahan superkonduktor dapat mengalir selama ratusan ribu tahun, jika tidak lebih. Arus listrik dalam superkonduktor dapat mengalir selamanya, mentransfer energi secara gratis.

в tidak ada perlawanan arus besar dapat mengalir melalui kawat superkonduktor, yang pada gilirannya menghasilkan medan magnet dengan kekuatan luar biasa. Mereka dapat digunakan untuk melayang kereta maglev (4), yang sudah dapat mencapai kecepatan hingga 600 km/jam dan didasarkan pada magnet superkonduktor. Atau menggunakannya di pembangkit listrik, menggantikan metode tradisional di mana turbin berputar di medan magnet untuk menghasilkan listrik. Magnet superkonduktor yang kuat dapat membantu mengendalikan reaksi fusi. Kawat superkonduktor dapat bertindak sebagai perangkat penyimpanan energi yang ideal, bukan baterai, dan potensi dalam sistem akan dipertahankan selama seribu satu juta tahun.

Di komputer kuantum, Anda dapat mengalir searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam dalam superkonduktor. Mesin kapal dan mobil akan sepuluh kali lebih kecil dari yang ada sekarang, dan mesin MRI diagnostik medis yang mahal akan pas di telapak tangan Anda. Dikumpulkan dari peternakan di gurun pasir yang luas di seluruh dunia, energi matahari dapat disimpan dan ditransfer tanpa kehilangan apapun.

4. Kereta maglev Jepang

Menurut fisikawan dan pempopuler sains yang terkenal, Kakuteknologi seperti superkonduktor akan mengantarkan era baru. Jika kita masih hidup di era listrik, superkonduktor pada suhu kamar akan membawa serta era magnetisme.