Ένας υπεραγωγός είναι ένα υλικό που επιτυγχάνει υπεραγωγιμότητα, ένα «هي » κατάσταση της ύλης Δεν έχει ηλεκτρική αντίσταση και δεν επιτρέπει τη διείσδυση μαγνητικών πεδίων. ότι ηλεκτρικό ρεύμα Σε έναν υπεραγωγό μπορεί να συνεχιστεί επ ‘αόριστον.
Η υπεραγωγιμότητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες. Οι υπεραγωγοί έχουν μια ποικιλία καθημερινών εφαρμογών, από Μηχανές μαγνητικής τομογραφίας σε μαγνητικά τρένα υψηλής ταχύτητας που χρησιμοποιούν μαγνήτες για την ανύψωση αμαξοστοιχιών από την πίστα για τη μείωση της τριβής. Οι ερευνητές προσπαθούν τώρα να βρουν και να αναπτύξουν υπεραγωγούς που λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οι οποίοι θα φέρουν επανάσταση στη μετάδοση και αποθήκευση ενέργειας.
Ποιος ανακάλυψε την υπεραγωγιμότητα;
Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας πιστώνεται Ολλανδός φυσικός Heike Kamerlingh Onnes. Το 1911, ο Onnes μελετούσε τις ηλεκτρικές ιδιότητες του Ερμής Στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο του Λάιντεν στην Ολλανδία, διαπίστωσε ότι η ηλεκτρική αντίσταση του υδραργύρου εξαφανίστηκε εντελώς όταν πέφτει θερμοκρασία σε λιγότερο από 4,2 K – μόλις 4,2 βαθμούς Κελσίου (7,56 βαθμούς Φαρενάιτ) πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Για να επιβεβαιώσει αυτό το αποτέλεσμα, ο Onnes εφάρμοσε ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα δείγμα υπερψυκμένου υδραργύρου και στη συνέχεια αποσύνδεσε την μπαταρία. Διαπίστωσε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στον υδράργυρο συνεχίστηκε χωρίς να μειώνεται, επιβεβαιώνοντας την απουσία ηλεκτρικής αντίστασης και ανοίγοντας την πόρτα για μελλοντικές εφαρμογές υπεραγωγιμότητας.
Η ιστορία της υπεραγωγιμότητας
Οι φυσικοί έχουν περάσει δεκαετίες προσπαθώντας να κατανοήσουν τη φύση της υπεραγωγιμότητας και τι την προκαλεί. Διαπίστωσαν ότι πολλά, αλλά όχι όλα, στοιχεία και υλικά γίνονται υπεραγωγικά όταν ψύχονται κάτω από μια συγκεκριμένη κρίσιμη θερμοκρασία.
Το 1933, οι φυσικοί Walther Meissner και Robert Ochenfeld ανακάλυψαν ότι οι υπεραγωγοί «χτυπούν» οποιαδήποτε κοντινά μαγνητικά πεδία, πράγμα που σημαίνει ότι τα αδύναμα μαγνητικά πεδία δεν μπορούν να διεισδύσουν πολύ στον υπεραγωγό, σύμφωνα με Σούπερ Φυσική, μια εκπαιδευτική ιστοσελίδα από το Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Γεωργίας Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Meissner.
Μόλις το 1950 οι θεωρητικοί φυσικοί Lev Landau και Vitaly Ginzburg δημοσίευσαν μια θεωρία για το πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί, σύμφωνα με τη βιογραφία του Ginzburg στο Ιστοσελίδα βραβείου Νόμπελ. Παρόλο που κατάφεραν να προβλέψουν τις ιδιότητες των υπεραγωγών, η θεωρία τους ήταν «μακροσκοπική», που σημαίνει ότι επικεντρώθηκε στις συμπεριφορές μεγάλης κλίμακας των υπεραγωγών, παραμένοντας αδιάφοροι για το τι συνέβαινε σε μικροσκοπικό επίπεδο.
Τέλος, το 1957, οι φυσικοί John Bardeen και Leon N. Οι Cooper και Robert Shriver, μια ολοκληρωμένη μικροσκοπική θεωρία υπεραγωγιμότητας. Για να δημιουργήσετε μια ηλεκτρική αντίσταση, το Ηλεκτρόνια Στο μέταλλο πρέπει να είναι ελεύθερο να πηδήξει. Αλλά όταν τα ηλεκτρόνια μέσα στο μέταλλο κρυώσουν απίστευτα, μπορούν να ζευγαρωθούν, αποτρέποντάς τους να αναπηδήσουν. Αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων, που ονομάζονται ζεύγη Cooper, είναι πολύ σταθερά σε χαμηλές θερμοκρασίες και χωρίς “ελεύθερα” ηλεκτρόνια να αναπηδήσουν, η ηλεκτρική αντίσταση εξαφανίζεται. Οι Bardeen, Cooper και Shriver ένωσαν αυτά τα κομμάτια για να σχηματίσουν τη θεωρία τους, γνωστή ως θεωρία BCS, την οποία δημοσίευσαν στο περιοδικό φυσικά μηνύματα αναθεώρησης.
Πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί;
Όταν το μέταλλο πέφτει κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια στη μεταλλική μορφή συνδέονται που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Όταν είναι κλειστά με αυτόν τον τρόπο, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική αντίσταση και η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ρέει εντελώς μέσω του μετάλλου, σύμφωνα με Πανεπιστήμιο Cambridge.
Ωστόσο, αυτό λειτουργεί μόνο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Όταν το μέταλλο ζεσταθεί πολύ, τα ηλεκτρόνια έχουν αρκετή ενέργεια για να σπάσουν τους δεσμούς ζεύγους Cooper και να επιστρέψουν στην παροχή αντίστασης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο Onnes, στα αρχικά του πειράματα, διαπίστωσε ότι ο υδράργυρος συμπεριφερόταν ως υπεραγωγός στα 4,19 K, αλλά όχι στα 4,2 K.
Σε τι χρησιμοποιούνται οι υπεραγωγοί;
Είναι πολύ πιθανό ότι έχετε συναντήσει έναν υπεραγωγό χωρίς καν να το συνειδητοποιήσετε. Προκειμένου να δημιουργηθούν τα ισχυρά μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) και στην πυρηνική μαγνητική τομογραφία (NMRI), οι μηχανές χρησιμοποιούν ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες, όπως φαίνεται στο Κλινική Mayo. Αυτοί οι ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες θα λιώσουν τα συνηθισμένα μέταλλα λόγω της θερμότητας ακόμη και λίγης αντίστασης. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι υπεραγωγοί δεν έχουν ηλεκτρική αντίσταση, δεν παράγεται θερμότητα και οι ηλεκτρομαγνήτες μπορούν να παράγουν τα απαραίτητα μαγνητικά πεδία.
Παρόμοιοι υπεραγωγοί ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται επίσης σε σιδηρομαγνητικά τρένα, πειραματικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες σύντηξης και εργαστήρια επιταχυντών σωματιδίων υψηλής ενέργειας και οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ηλεκτρομαγνητικών όπλων και πυροβόλων όπλων, σταθμών βάσης κινητών τηλεφώνων, γρήγορων ψηφιακών κυκλωμάτων και ανιχνευτών σωματιδίων.
Βασικά, κάθε φορά που χρειάζεστε ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο ή ηλεκτρικό ρεύμα και δεν θέλετε οι συσκευές σας να λιώσουν τη στιγμή που ενεργοποιούνται, χρειάζεστε υπεραγωγό.
“Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρμογές υπεραγωγών είναι για τους κβαντικούς υπολογιστές”, δήλωσε ο Alexei Bezradin, ένας φυσικός συμπυκνωμένου υλικού στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των ηλεκτρικών ρευμάτων στους υπεραγωγούς, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών.
“Αυτοί οι υπολογιστές αποτελούνται από κβαντικά bits, ή qubits. Τα Qubits, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μονάδες πληροφοριών, μπορούν να υπάρχουν σε καταστάσεις κβαντικής υπέρθεσης να είναι” 0 “και” 1 “ταυτόχρονα. Οι υπεραγωγικές συσκευές μπορούν να προσομοιώσουν αυτό.” Για παράδειγμα, το ρεύμα σε έναν υπεραγωγό βρόχο μπορεί να ρέει δεξιόστροφα και αριστερόστροφα ταυτόχρονα. Μια τέτοια περίπτωση είναι ένα παράδειγμα ενός υπεραγωγού qubit. “
Ποια είναι η τελευταία έρευνα για τους υπεραγωγούς;
Ο Μεχμέτ Ντογκάν, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Μπέρκλεϊ, δήλωσε ότι η νούμερο ένα πρόκληση για τους ερευνητές σήμερα είναι “η ανάπτυξη υλικών υπεραγωγών σε συνθήκες περιβάλλοντος, επειδή επί του παρόντος η υπεραγωγιμότητα υπάρχει μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ή σε πολύ υψηλές πιέσεις.” Η επόμενη πρόκληση είναι να αναπτυχθεί μια θεωρία που εξηγεί πώς λειτουργούν οι νέοι υπεραγωγοί και προβλέπει τις ιδιότητες αυτών των υλικών, δήλωσε ο Duggan στο Live Science σε ένα email.
Οι υπεραγωγοί εμπίπτουν σε δύο κύριες κατηγορίες: υπεραγωγούς χαμηλής θερμοκρασίας (LTS), επίσης γνωστοί ως συμβατικοί υπεραγωγοί, και υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας (HTS), ή μη συμβατικοί υπεραγωγοί. Το LTS μπορεί να περιγραφεί από τη θεωρία BCS για να εξηγήσει πώς τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη Cooper, ενώ το HTS χρησιμοποιεί άλλες μικροσκοπικές μεθόδους για να επιτύχει μηδενική αντίσταση. Η προέλευση του HTS είναι ένα από τα κύρια άλυτα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής.
Το μεγαλύτερο μέρος της ιστορικής έρευνας για την υπεραγωγιμότητα ήταν προς την κατεύθυνση του LTS, επειδή η ανακάλυψη και η μελέτη αυτών των υπεραγωγών είναι πολύ πιο εύκολη και σχεδόν όλες οι εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας περιλαμβάνουν LTS.
Αντίθετα, το HTS είναι ένα ενεργό και συναρπαστικό πεδίο έρευνας στη σύγχρονη εποχή. Οτιδήποτε λειτουργεί ως υπεραγωγός άνω των 70 K θεωρείται γενικά HTS. Αν και αυτό εξακολουθεί να είναι πολύ κρύο, αυτή η θερμοκρασία είναι επιθυμητή επειδή μπορεί να επιτευχθεί με ψύξη με υγρό άζωτο, το οποίο είναι πιο κοινό και άμεσα διαθέσιμο από το υγρό ήλιο που απαιτείται για ψύξη στις χαμηλότερες θερμοκρασίες που απαιτούνται για το LTS.
Το μέλλον των υπεραγωγών
Το “ιερό δισκοπότηρο” της έρευνας υπεραγωγών βρίσκει ένα υλικό που μπορεί να λειτουργήσει ως υπεραγωγός σε θερμοκρασίες δωματίου. Μέχρι στιγμής, το Υψηλότερη υπεραγωγική θερμοκρασία Το υδρίδιο θείου άνθρακα υψηλής πίεσης, το οποίο έφτασε στην υπεραγωγιμότητα στους 59 F (15 C, ή περίπου 288 K), επιτεύχθηκε, αλλά απαιτούσε πίεση 267 gigapascals. Αυτή η πίεση είναι ισοδύναμη με την εσωτερική πίεση γιγαντιαίων πλανητών, όπως ο Δίας, καθιστώντας την ανέφικτη για καθημερινές εφαρμογές.
Οι υπεραγωγοί θερμοκρασίας δωματίου επιτρέπουν την ηλεκτρική μεταφορά ενέργειας χωρίς απώλειες ή απόβλητα, αποτελεσματικότερα μαγνητικά τρένα και φθηνότερη και ευρύτερη χρήση της τεχνολογίας MRI. Οι πρακτικές εφαρμογές των υπεραγωγών θερμοκρασίας δωματίου είναι απεριόριστες – οι φυσικοί πρέπει απλώς να γνωρίζουν πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες δωματίου και τι υλικό “Goldilocks” επιτρέπει την υπεραγωγιμότητα.
Επιπρόσθετοι πόροι
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”