چه می شود اگر ... ما ابررساناهای با دمای بالا داشته باشیم؟ پیوندهای امید

خطوط انتقال بدون تلفات، مهندسی برق با دمای پایین، ابرالکترومغناطیس‌ها، در نهایت به آرامی میلیون‌ها درجه پلاسما را در راکتورهای هسته‌ای فشرده می‌کنند، یک ریل مغناطیسی آرام و سریع. ما امیدهای زیادی به ابررساناها داریم...

ابررسانایی حالت مادی مقاومت الکتریکی صفر نامیده می شود. این امر در برخی مواد در دماهای بسیار پایین به دست می آید. او این پدیده کوانتومی را کشف کرد Kamerling Onnes (1) در جیوه، در سال 1911. فیزیک کلاسیک قادر به توصیف آن نیست. علاوه بر مقاومت صفر، یکی دیگر از ویژگی های مهم ابررساناها است میدان مغناطیسی را از حجم خود خارج کنیدبه اصطلاح اثر مایسنر (در ابررساناهای نوع I) یا تمرکز میدان مغناطیسی به "گرداب" (در ابررساناهای نوع دوم).

بیشتر ابررساناها فقط در دمای نزدیک به صفر مطلق کار می کنند. 0 کلوین (-273,15 درجه سانتیگراد) گزارش شده است. حرکت اتم ها در این دما تقریباً وجود ندارد. این کلید ابررساناها است. مثل همیشه الکترونها در حال حرکت در هادی با اتم های ارتعاشی دیگر برخورد می کند و باعث می شود اتلاف انرژی و مقاومت. با این حال، می دانیم که ابررسانایی در دماهای بالاتر امکان پذیر است. به تدریج، ما در حال کشف موادی هستیم که این تأثیر را در دمای منفی کمتر و اخیراً حتی در دمای مثبت نشان می دهند. با این حال، این دوباره معمولاً با اعمال فشار بسیار بالا همراه است. بزرگترین رویا ایجاد این فناوری در دمای اتاق بدون فشار غول پیکر است.

اساس فیزیکی برای ظهور حالت ابررسانایی است تشکیل جفت گیرای بار - به اصطلاح کوپر. چنین جفت هایی می توانند در نتیجه اتحاد دو الکترون با انرژی های مشابه ایجاد شوند. انرژی فرمی، یعنی کوچکترین انرژی که با آن انرژی یک سیستم فرمیونی پس از افزودن یک عنصر دیگر افزایش می یابد، حتی زمانی که انرژی برهمکنش بین آنها بسیار کم باشد. این ویژگی‌های الکتریکی ماده را تغییر می‌دهد، زیرا حامل‌های منفرد فرمیون‌ها و جفت‌ها بوزون هستند.

همکاری کردن بنابراین، سیستمی متشکل از دو فرمیون (مثلاً الکترون) است که از طریق ارتعاشات شبکه کریستالی به نام فونون با یکدیگر تعامل دارند. پدیده تشریح شده است لئونا همکاری می کند در سال 1956 و بخشی از نظریه BCS ابررسانایی دمای پایین است. فرمیون هایی که جفت کوپر را تشکیل می دهند نیم اسپین دارند (که در جهت مخالف هستند) اما اسپین حاصل از سیستم پر است، یعنی جفت کوپر یک بوزون است.

ابررساناها در دماهای معین برخی از عناصر هستند، به عنوان مثال، کادمیوم، قلع، آلومینیوم، ایریدیم، پلاتین، برخی دیگر تنها در فشار بسیار بالا (به عنوان مثال، اکسیژن، فسفر، گوگرد، ژرمانیوم، لیتیوم) یا در حالت ابررسانایی عبور می کنند. به شکل لایه های نازک (تنگستن، بریلیم، کروم) و برخی از آنها ممکن است هنوز ابررسانا نباشند، مانند نقره، مس، طلا، گازهای نجیب، هیدروژن، اگرچه طلا، نقره و مس از بهترین هادی ها در دمای اتاق هستند.

"دمای بالا" همچنان به دمای بسیار پایین نیاز دارد

در سال 1964 ویلیام لیتل احتمال وجود ابررسانایی با دمای بالا را در پلیمرهای آلی. این پیشنهاد بر پایه جفت شدن الکترون با واسطه اکسایتون است، در مقابل جفت شدن با واسطه فونون در نظریه BCS. اصطلاح "ابررساناهای درجه حرارت بالا" برای توصیف خانواده جدیدی از سرامیک های پروسکایتی که توسط Johannes G. Bednorz و C.A. کشف شده است، استفاده شده است. مولر در سال 1986 که به خاطر آن جایزه نوبل را دریافت کردند. این ابررساناهای سرامیکی جدید (2) از مس و اکسیژن مخلوط شده با عناصر دیگری مانند لانتانیم، باریم و بیسموت ساخته شده اند.

2. صفحه سرامیکی که روی آهنرباهای قدرتمند شناور است

از دیدگاه ما، ابررسانایی "در دمای بالا" هنوز بسیار پایین بود. برای فشارهای معمولی، حد مجاز 140- درجه سانتیگراد بود و حتی چنین ابررساناهایی را "دما بالا" می نامیدند. دمای ابررسانایی 70- درجه سانتی گراد برای سولفید هیدروژن در فشارهای بسیار بالا به دست آمده است. با این حال، ابررساناهای با دمای بالا به نیتروژن مایع نسبتا ارزان به جای هلیوم مایع برای خنک کردن نیاز دارند، که ضروری است.

از طرف دیگر، بیشتر سرامیک شکننده است، برای استفاده در سیستم های الکتریکی چندان کاربردی نیست.

دانشمندان هنوز بر این باورند که گزینه بهتری در انتظار کشف وجود دارد، یک ماده جدید شگفت انگیز که معیارهایی مانند ابررسانایی در دمای اتاقمقرون به صرفه و کاربردی برای استفاده. برخی تحقیقات بر روی مس متمرکز شده است، یک بلور پیچیده که حاوی لایه هایی از اتم های مس و اکسیژن است. تحقیقات در مورد برخی از گزارش‌های غیرعادی اما غیرقابل توضیح علمی ادامه دارد مبنی بر اینکه گرافیت آغشته به آب می‌تواند به عنوان یک ابررسانا در دمای اتاق عمل کند.

سال‌های اخیر جریان واقعی «انقلاب‌ها»، «شکست‌ها» و «فصل‌های جدید» در زمینه ابررسانایی در دماهای بالاتر بوده است. در اکتبر 2020، ابررسانایی در دمای اتاق (در 15 درجه سانتیگراد) گزارش شد دی سولفید کربن هیدرید (3)، با این حال، در فشار بسیار بالا (267 GPa) تولید شده توسط لیزر سبز. جام مقدس که یک ماده نسبتا ارزان است که در دمای اتاق و فشار معمولی ابررسانا است، هنوز پیدا نشده است.

3. مواد مبتنی بر کربن که در دمای 15 درجه سانتیگراد ابررسانا هستند.

طلوع عصر مغناطیسی

شمارش کاربردهای احتمالی ابررساناهای با دمای بالا را می توان با الکترونیک و فناوری رایانه، دستگاه های منطقی، عناصر حافظه، سوئیچ ها و اتصالات، ژنراتورها، تقویت کننده ها، شتاب دهنده های ذرات آغاز کرد. بعدی در لیست: دستگاه های بسیار حساس برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی، ولتاژ یا جریان، آهنربا برای دستگاه های پزشکی ام آر آی، دستگاه های ذخیره انرژی مغناطیسی، قطارهای گلوله شناور، موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و خطوط برق. از مزایای اصلی این دستگاه های ابررسانای رویایی می توان به اتلاف توان کم، سرعت عمل بالا و حساسیت شدید.

برای ابررساناها دلیلی وجود دارد که نیروگاه ها اغلب در نزدیکی شهرهای شلوغ ساخته می شوند. حتی 30 درصد. توسط آنها ایجاد شده است انرژی الکتریکی ممکن است در خطوط انتقال گم شود. این یک مشکل رایج در وسایل برقی است. بیشتر انرژی به سمت گرما می رود. بنابراین، بخش قابل توجهی از سطح رایانه برای خنک کردن قطعاتی که به دفع گرمای تولید شده توسط مدارها کمک می کنند، محفوظ است.

ابررساناها مشکل تلفات انرژی برای گرما را حل می کنند. برای مثال، به عنوان بخشی از آزمایش‌ها، دانشمندان موفق به کسب درآمد می‌شوند جریان الکتریکی داخل حلقه ابررسانا بیش از دو سال و این بدون انرژی اضافی است.

تنها دلیل قطع جریان این بود که دسترسی به هلیوم مایع وجود نداشت، نه به این دلیل که جریان نمی توانست به جریان خود ادامه دهد. آزمایش‌های ما ما را به این باور می‌رساند که جریان‌های موجود در مواد ابررسانا می‌توانند صدها هزار سال، حتی بیشتر، جریان داشته باشند. جریان الکتریکی در ابررساناها می تواند برای همیشه جریان داشته باشد و انرژی را به صورت رایگان انتقال دهد.

в بدون مقاومت جریان عظیمی می تواند از طریق سیم ابررسانا عبور کند که به نوبه خود میدان های مغناطیسی با قدرت باورنکردنی ایجاد می کند. می توان از آنها برای معلق کردن قطارهای مگلو (4) استفاده کرد که می توانند به سرعت تا 600 کیلومتر در ساعت برسند و بر اساس آهنرباهای ابررسانا. یا استفاده از آنها در نیروگاه ها، جایگزین روش های سنتی که در آن توربین ها در میدان های مغناطیسی می چرخند تا الکتریسیته تولید کنند. آهنرباهای ابررسانای قدرتمند می توانند به کنترل واکنش همجوشی کمک کنند. یک سیم ابررسانا می تواند به جای باتری به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی ایده آل عمل کند و پتانسیل موجود در سیستم برای هزار و یک میلیون سال حفظ خواهد شد.

در رایانه های کوانتومی، می توانید در یک ابررسانا در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت جریان داشته باشید. موتور کشتی‌ها و خودروها ده برابر کوچک‌تر از امروز خواهند بود و دستگاه‌های MRI گران قیمت تشخیصی پزشکی در کف دست شما جای می‌گیرند. انرژی خورشیدی که از مزارع بیابان‌های وسیع در سراسر جهان جمع‌آوری شده است، می‌تواند بدون هیچ ضرری ذخیره و منتقل شود.

4. قطار ماگلو ژاپنی

به گفته فیزیکدان و محبوب کننده مشهور علم، کاکوفناوری هایی مانند ابررساناها عصر جدیدی را آغاز خواهند کرد. اگر هنوز در عصر الکتریسیته زندگی می‌کردیم، ابررساناها در دمای اتاق عصر مغناطیس را با خود به ارمغان می‌آوردند.