lisak
6 лет назадОткрытие сверхпроводников комнатной температуры подарит нам новые удивительные технологии
Сверхпроводники являются одними из самых причудливых и захватывающих материалов, которые пока не открыты. Противоречивые квантовомеханические эффекты означают, что ниже критической температуры они имеют нулевое электрическое сопротивление. Одного этого свойства более чем достаточно, чтобы взорвать воображение.
Ток, который может течь вечно без потери энергии, означает передачу мощности практически без потерь в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начинают доминировать, и передача высокого напряжения на всех континентах становится важной для преодоления перебоев, кабели без потерь приведут к значительной экономии.
Более того, сверхпроводящий провод, несущий ток, который никогда не уменьшается, станет отличным хранилищем электрической энергии. В отличие от батарей, которые со временем ухудшаются, если сопротивление действительно равно нулю, вы можете вернуться к сверхпроводнику за миллиард лет и найти тот же самый ток, протекающий через него. Энергия может быть захвачена и храниться бесконечно!
Не имея сопротивления, через сверхпроводящий провод можно пропускать огромный ток и, в свою очередь, создавать магнитные поля невероятной мощности.
Мы можем использовать их для левитации поездов и создания удивительных ускорений, тем самым революционизируя транспортную систему. Мы могли бы использовать их на электростанциях, заменяя обычные методы, которые вращают турбины в магнитных полях для генерации электричества, а в квантовых компьютерах - двухуровневую систему, требуемую для «кубита», в которой нули и единицы заменяются током, текущим по часовой стрелке или против часовой стрелки в сверхпроводнике.
Артур Кларк сказал, что любая достаточно развитая технология неотличима от магии; сверхпроводники, безусловно, могут показаться волшебными устройствами. Так почему они уже не заняты в трансформации мира? Есть проблема—это критическая температура.
Для всех известных материалов это на сотни градусов ниже нуля. Сверхпроводники также имеют критическое магнитное поле; за пределами определенной силы магнитного поля они перестают работать. Существует компромисс: материалы с высокой критической температурой также часто могут обеспечить наибольшие магнитные поля при охлаждении значительно ниже этой температуры.
Это означает, что приложения сверхпроводников до сих пор были ограничены ситуациями, когда вы можете позволить себе охлаждать компоненты вашей системы до абсолютного нуля: например, в ускорителях частиц и экспериментальных ядерных реакторах термоядерного синтеза.
Но даже когда некоторые аспекты технологии сверхпроводников становятся достаточно работоспособными в ограниченных приложениях, поиск высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Многие физики по-прежнему считают, что сверхпроводник комнатной температуры может существовать. Такое открытие даст нам новые потрясающие технологии.
Поиски сверхпроводников комнатной температуры
После того, как Хайке Каммерлинг-Оннес случайно обнаружил сверхпроводимость, пытаясь доказать теорию Кельвина о том, что сопротивление будет увеличиваться с уменьшением температуры, теоретики пытались объяснить новое свойство в надежде, что понимание этого может позволить синтезировать сверхпроводники комнатной температуры.
Они придумали теорию БКШ (микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний день доминирующей), объясняющую некоторые свойства сверхпроводников. Они также предсказали, что мечты технологов, сверхпроводника комнатной температуры, не могут осуществиться; максимальная температура для сверхпроводимости по теории БКШ составляла всего 30 Кельвинов (-243,15 по Цельсию).
Затем, в 1980-х годах, эта сфера снова изменилось с открытием нетрадиционной или высокотемпературной сверхпроводимости. «Высокая температура» все еще очень холодная: самая высокая температура для сверхпроводимости достигала -70 С для сероводорода при чрезвычайно высоких давлениях. Для нормальных давлений -140 С находится вблизи верхнего предела. К сожалению, высокотемпературные сверхпроводники, которым требуется относительно дешевый жидкий азот, а не жидкий гелий, чтобы охладиться, - это в основном хрупкая керамика, которые дорого преобразовывать в провода и они имеют ограниченное применение.
Учитывая ограничения высокотемпературных сверхпроводников, исследователи продолжают полагать, что есть лучший вариант, ожидающий своего открытия - невероятный новый материал, который станет сверхпроводимым, приближаясь к комнатной температуре, доступным и практичным.
Дразнящие подсказки
Без подробного теоретического понимания того, как происходит это явление, хотя постепенный прогресс происходит все время, ученые могут иногда чувствовать, что они принимают обоснованные догадки в области материалов, которые могут быть вероятными кандидатами. Это немного похоже на попытку угадать номер телефона, но с периодической таблицей элементов вместо цифр.
Тем не менее, перспектива остается, по словам одного исследователя, мучительной. Нобелевская премия и потенциально изменение мира энергетики и электричества - не плохое вознаграждение для затраченных усилий.
В некоторых исследованиях основное внимание уделяется купратам, сложным кристаллам, которые содержат слои меди и атомов кислорода. Допирующие купраты с различными элементами, такие экзотические соединения, как оксид меди кальция ртути из бария, являются одними из лучших сверхпроводников, известных сегодня.
Исследования также продолжаются в некоторых аномальных, но необъяснимых сообщениях о том, что графит, пропитанный водой, может выступать в качестве сверхпроводника комнатной температуры, но нет никаких признаков того, что это может быть использовано для технологических приложений.
В начале 2017 года в рамках постоянных усилий по изучению самых экстремальных и экзотических форм материи, которые мы можем создать на Земле, исследователям удалось сжать водород в металл.
Давление, необходимое для этого, было больше, чем в ядре Земли и в тысячи раз превышало давление на дне океана. Некоторые исследователи в этой области, называемые физикой конденсированного вещества, сомневаются в том, что металлический водород вообще был получен.
Считается возможным, что металлический водород может быть сверхпроводником комнатной температуры. Но заставить образцы придерживаться достаточно долго для подробного тестирования оказалось сложным: алмазы, содержащие металлический водород, страдают от «катастрофического отказа» под давлением.
Сверхпроводимость или поведение, которое сильно напоминает ее, наблюдалось также в окиси меди бария иттрия (YBCO) при комнатной температуре в 2014 году. Единственная загвоздка заключалась в том, что этот перенос электронов длился крошечную долю секунды и требовал бомбардировки материала импульсными лазерами.
Не очень практично, можно сказать, но, тем не менее, привлекательно.
Другие новые материалы также показывают привлекательные свойства. Нобелевская премия по физике в 2016 году была присуждена за теоретическую работу, которая характеризует топологические изоляторы-материалы, которые проявляют подобное странное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами для основной массы материала, но необычайно хорошими проводниками в тонком слое на своей поверхности.
Microsoft делает ставку на топологические изоляторы в качестве ключевого компонента при попытке создания квантового компьютера. Они также были учтены потенциально важными компонентами в миниатюризированной цепи.
Ряд замечательных свойств электронной транспортировки также наблюдался в новых ”двумерных" структурах, таких как графен, это материалы, синтезированные толщиной в один атом или молекулу. Исследования продолжаются и в том, как мы можем использовать сверхпроводники, которые мы уже обнаружили; например, некоторые команды пытаются разработать изолирующий материал, который предотвращает перегрев сверхпроводящего кабеля HVDC.
Сверхпроводимость комнатной температуры сегодня остается столь же неуловимой и захватывающей, как и на протяжении более века. Неясно, может ли существовать сверхпроводник комнатной температуры, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим показателем того, что нетрадиционные и весьма полезные квантовые эффекты могут быть обнаружены в совершенно неожиданных материалах.
Возможно, в будущем - посредством искусственного интеллекта или невероятных открытий 21-го века этот маленький кусочек магии сможет переместиться в царство реальности.
