Надпровідник – це матеріал, який досягає надпровідності, a стан речовини Він не має електричного опору і не допускає проникнення магнітних полів. що електричний струм У надпровіднику це може тривати нескінченно довго.
Надпровідності можна досягти лише при надзвичайно низьких температурах. Надпровідники мають різноманітне повсякденне застосування, від МРТ апарати رن високошвидкісним магнітним поїздам, які використовують магніти для підняття поїздів з колії для зменшення тертя. Зараз дослідники намагаються знайти і розробити надпровідники, які працюють при більш високих температурах, що зробить революцію в передачі та зберіганні енергії.
Хто відкрив надпровідність?
Відкриття надпровідності приписується Голландський фізик Хайке Камерлінгх Оннес. У 1911 році Оннес вивчав електричні властивості Росії Меркурій У своїй лабораторії в Лейденському університеті в Нідерландах він виявив, що електричний опір ртуті повністю зникає, коли вона падає температури до менш ніж 4,2 К – лише 4,2 градуса Цельсія (7,56 градусів за Фаренгейтом) вище абсолютного нуля.
Щоб підтвердити цей результат, Оннес подав електричний струм на зразок переохолодженої ртуті, а потім від’єднав акумулятор. Він виявив, що електричний струм у ртуті тривав без зменшення, підтверджуючи відсутність електричного опору та відкриваючи двері для майбутніх застосувань надпровідності.
Історія надпровідності
Фізики десятиліттями намагалися зрозуміти природу надпровідності та її причини. Вони виявили, що багато, але не всі елементи та матеріали стають надпровідними при охолодженні нижче певної критичної температури.
У 1933 році фізики Вальтер Мейснер та Роберт Охенфельд виявили, що надпровідники “вибивають” будь-яке поруч розташоване магнітне поле, тобто слабкі магнітні поля не можуть проникнути далеко у надпровідник, згідно Супер фізика, навчальний веб-сайт кафедри фізики та астрономії університету штату Джорджія. Це явище називається ефектом Майснера.
Лише в 1950 році фізики-теоретики Лев Ландау та Віталій Гінзбург опублікували теорію про те, як працюють надпровідники, згідно з біографією Гінзбурга в Веб-сайт Нобелівської премії. Хоча вони успішно прогнозували властивості надпровідників, їх теорія була “макроскопічною”, що означає, що вона зосереджувалась на широкомасштабній поведінці надпровідників, залишаючись незнаючими про те, що відбувається на мікроскопічному рівні.
Нарешті, в 1957 році фізики Джон Бардін і Леон Н. Купер і Роберт Шрайвер, повна мікроскопічна теорія надпровідності. Для створення електричного опору, Електрони У металі він повинен вільно стрибати. Але коли електрони всередині металу неймовірно охолоджуються, вони можуть спарюватися, не даючи їм відскакувати. Ці пари електронів, які називаються парами Купера, дуже стабільні при низьких температурах, і, коли “вільні” електрони не відскакують, електричний опір зникає. Бардін, Купер і Шрайвер об’єднали ці шматки, щоб сформувати свою теорію, відому як теорія BCS, яку вони опублікували в журналі повідомлення фізичного огляду.
Як працюють надпровідники?
Коли метал опускається нижче критичної температури, електрони в металі утворюють зв’язки, які називаються парами Купера. Закрившись таким чином, електрони не можуть забезпечити будь-якого електричного опору, і електрика може протікати через метал повністю, згідно з Кембриджський університет.
Однак це працює лише при більш низьких температурах. Коли метал стає занадто теплим, електрони мають достатньо енергії, щоб розірвати зв’язки пари Купера і повернутися до забезпечення опору. Ось чому Оннес у своїх оригінальних експериментах виявив, що ртуть поводилася як надпровідник при 4,19 К, але не 4,2 К.
Для чого використовуються надпровідники?
Дуже ймовірно, що ви зіткнулися з надпровідником, навіть не підозрюючи про це. Для створення сильних магнітних полів, що використовуються в магнітно-резонансній томографії (МРТ) та ядерно-магнітно-резонансній томографії (ЯМР), машини використовують потужні електромагніти, як показано в Клініка Майо. Ці потужні електромагніти плавлять звичайні метали завдяки нагріванню навіть невеликого опору. Однак, оскільки надпровідники не мають електричного опору, тепло не генерується, і електромагніти можуть генерувати необхідні магнітні поля.
Подібні надпровідні електромагніти використовуються у феромагнітних поїздах, експериментальних реакторах ядерного синтезу та лабораторіях прискорювачів високоенергетичних частинок, а надпровідники використовуються для живлення електромагнітних гармат та гармат, базових станцій мобільних телефонів, швидких цифрових схем та детекторів частинок.
В основному, в будь-який час, коли вам потрібне дійсно сильне магнітне поле або електричний струм, і ви не хочете, щоб ваші пристрої плавилися в той момент, коли вони включаються, вам потрібен надпровідник.
“Одне з найцікавіших застосувань надпровідників – це квантові комп’ютери”, – сказав Олексій Безрадін, фізик конденсованої речовини з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн. Через унікальні властивості електричних струмів у надпровідниках їх можна використовувати для побудови квантових комп’ютерів.
“Ці комп’ютери складаються з квантових бітів або кубітів. Кубіти, на відміну від традиційних одиниць інформації, можуть існувати одночасно в станах квантової суперпозиції” 0 “і” 1 “. Надпровідні пристрої можуть імітувати це, сказав Безардін Live Наука. ”Наприклад, струм у надпровідній петлі може протікати одночасно за годинниковою стрілкою та проти. Такий випадок є прикладом надпровідного кубіта “.
Які останні дослідження надпровідників?
Мехмед Доган, докторант Каліфорнійського університету в Берклі, заявив, що сьогодні завданням для дослідників є “розробка матеріалів, які є надпровідними в умовах навколишнього середовища, оскільки в даний час надпровідність існує лише при дуже низьких температурах або при дуже великому тиску”. Наступним викликом є розробка теорії, яка пояснює, як працюють нові надпровідники, і передбачає властивості цих матеріалів, – сказав Дагган в ефірі Live Science.
Надпровідники поділяються на дві основні категорії: низькотемпературні надпровідники (LTS), також відомі як звичайні надпровідники, і високотемпературні надпровідники (HTS), або нетрадиційні надпровідники. LTS можна описати теорією BCS, щоб пояснити, як електрони утворюють пари Купера, тоді як HTS використовує інші мікроскопічні методи для досягнення нульового опору. Витоки ВТС є однією з головних невирішених проблем сучасної фізики.
Більшість історичних досліджень надпровідності були спрямовані на LTS, оскільки відкриття та вивчення цих надпровідників набагато легше, і майже всі додатки надпровідності включають LTS.
Навпаки, ВТС є активною та захоплюючою галуззю досліджень у сучасну епоху. Все, що діє як надпровідник вище 70 К, зазвичай вважається ВТС. Хоча це все ще дуже холодно, ця температура бажана, оскільки її можна досягти охолодженням рідким азотом, який є більш поширеним і легкодоступним, ніж рідкий гелій, необхідний для охолодження до нижчих температур, необхідних для LTS.
Майбутнє надпровідників
“Святий Грааль” досліджень надпровідників полягає у пошуку матеріалу, який може виконувати роль надпровідника при кімнатній температурі. Поки що Найвища надпровідна температура Гідрид сірки вуглецю з високим тиском, який досягав надпровідності при 59 F (15 С, або близько 288 K), був досягнутий, але для цього було потрібно 267 гігапаскалів тиску. Цей тиск еквівалентний внутрішньому тиску планет-гігантів, таких як Юпітер, що робить його недоцільним для повсякденних застосувань.
Надпровідники кімнатної температури дозволяють здійснювати електричну передачу енергії без втрат і втрат, ефективніші магнітні поїзди, а також дешевше і ширше використання технології МРТ. Практичне застосування надпровідників кімнатної температури безмежне – фізикам просто потрібно знати, як надпровідники працюють при кімнатній температурі і який матеріал “Золотоволокнистий” забезпечує надпровідність.
Додаткові ресурси
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
