เกิดอะไรขึ้นถ้า…เราได้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง พันธนาการแห่งความหวัง

สายส่งแบบไม่สูญเสียข้อมูล วิศวกรรมไฟฟ้าอุณหภูมิต่ำ ซุปเปอร์แม่เหล็กไฟฟ้า ในที่สุดก็บีบอัดพลาสม่าหลายล้านองศาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์อย่างนุ่มนวล ราง maglev ที่เงียบและเร็ว เรามีความหวังมากมายสำหรับตัวนำยิ่งยวด...

ตัวนำยิ่งยวด สถานะวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์เรียกว่า ทำได้ในวัสดุบางชนิดที่อุณหภูมิต่ำมาก เขาค้นพบปรากฏการณ์ควอนตัมนี้ Kamerling Onnes (1) ในปรอทในปี 1911 ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้ นอกเหนือจากความต้านทานเป็นศูนย์ คุณลักษณะที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของตัวนำยิ่งยวดคือ ดันสนามแม่เหล็กออกจากปริมาตรของมันผลกระทบที่เรียกว่า Meissner (ในตัวนำยิ่งยวดประเภท I) หรือการโฟกัสของสนามแม่เหล็กเป็น "กระแสน้ำวน" (ในตัวนำยิ่งยวดประเภท II)

ตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่ทำงานที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น มีรายงานว่าเป็น 0 เคลวิน (-273,15 °C) การเคลื่อนที่ของอะตอม ที่อุณหภูมินี้แทบจะไม่มีเลย นี่คือกุญแจสำคัญของตัวนำยิ่งยวด โดยทั่วไป อิเล็กตรอน การเคลื่อนที่ในตัวนำชนกับอะตอมที่สั่นสะเทือนอื่น ๆ ทำให้ การสูญเสียพลังงานและความต้านทาน. อย่างไรก็ตาม เราทราบดีว่าตัวนำยิ่งยวดเป็นไปได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เรากำลังค่อยๆ ค้นพบวัสดุที่แสดงผลนี้ที่อุณหภูมิลบต่ำกว่าเซลเซียส และเมื่อเร็วๆ นี้ถึงระดับบวกด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มักเกี่ยวข้องกับการใช้แรงดันที่สูงมาก ความฝันที่ใหญ่ที่สุดคือการสร้างเทคโนโลยีนี้ที่อุณหภูมิห้องโดยไม่มีแรงกดดันมหาศาล

พื้นฐานทางกายภาพสำหรับการปรากฏตัวของสถานะของตัวนำยิ่งยวดคือ การก่อตัวของคู่ของ grabber ขนส่งสินค้า - ที่เรียกว่า คูเปอร์. คู่ดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้จากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนสองตัวที่มีพลังงานใกล้เคียงกัน Fermi พลังงาน, เช่น. พลังงานที่เล็กที่สุดโดยที่พลังงานของระบบ fermionic จะเพิ่มขึ้นหลังจากการเติมธาตุอื่นเข้าไปอีก แม้ว่าพลังงานของปฏิกิริยาจะผูกมัดพวกมันจะมีขนาดเล็กมากก็ตาม สิ่งนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ เนื่องจากตัวพาเดี่ยวคือเฟอร์มิออนและคู่คือโบซอน

ร่วมมือ ดังนั้นจึงเป็นระบบของเฟอร์มิออนสองตัว (เช่น อิเล็กตรอน) มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันผ่านการสั่นสะเทือนของโครงผลึกคริสตัล เรียกว่าโฟนอน ได้อธิบายปรากฏการณ์ ลีโอน่าให้ความร่วมมือ ในปี ค.ศ. 1956 และเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎี BCS ของการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ fermions ที่ประกอบเป็นคูเปอร์คูเปอร์มีครึ่งสปิน (ซึ่งชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม) แต่ผลที่ตามมาของระบบเต็มคือคูเปอร์เป็นโบซอน

ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิหนึ่งเป็นองค์ประกอบบางอย่าง เช่น แคดเมียม ดีบุก อะลูมิเนียม อิริเดียม แพลตตินั่ม อื่นๆ จะผ่านเข้าสู่สภาวะความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ความดันสูงมากเท่านั้น (เช่น ออกซิเจน ฟอสฟอรัส กำมะถัน เจอร์เมเนียม ลิเธียม) หรือใน รูปแบบของชั้นบาง ๆ (ทังสเตน เบริลเลียม โครเมียม) และบางชนิดอาจยังไม่เป็นตัวนำยิ่งยวด เช่น เงิน ทองแดง ทอง ก๊าซมีตระกูล ไฮโดรเจน แม้ว่าทองคำ เงิน และทองแดงจะเป็นตัวนำที่ดีที่สุดที่อุณหภูมิห้อง

"อุณหภูมิสูง" ยังคงต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมาก

ใน 1964 ปี วิลเลียม เอ. ลิตเติ้ล เสนอความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงใน โพลิเมอร์อินทรีย์. ข้อเสนอนี้มีพื้นฐานมาจากการจับคู่อิเล็กตรอนที่อาศัย exciton ซึ่งตรงข้ามกับการจับคู่แบบ phonon-mediated ในทฤษฎี BCS คำว่า "ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง" ถูกใช้เพื่ออธิบายกลุ่มเซรามิกที่มีโครงสร้างเป็น perovskite ใหม่ที่ค้นพบโดย Johannes G. Bednorz และ C.A. Müller ในปี 1986 ซึ่งพวกเขาได้รับรางวัลโนเบล ตัวนำยิ่งยวดเซรามิกชนิดใหม่เหล่านี้ (2) ทำจากทองแดงและออกซิเจนผสมกับองค์ประกอบอื่นๆ เช่น แลนทานัม แบเรียม และบิสมัท

2. จานเซรามิกลอยอยู่เหนือแม่เหล็กอันทรงพลัง

จากมุมมองของเรา ตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิสูง" ยังต่ำมาก สำหรับแรงดันปกติ ขีดจำกัดคือ -140 องศาเซลเซียส และแม้แต่ตัวนำยิ่งยวดดังกล่าวยังถูกเรียกว่า "อุณหภูมิสูง" อุณหภูมิความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ -70 องศาเซลเซียสสำหรับไฮโดรเจนซัลไฟด์อยู่ที่ความดันสูงมาก อย่างไรก็ตาม ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงต้องการไนโตรเจนเหลวที่ค่อนข้างถูกสำหรับการทำความเย็น แทนที่จะใช้ฮีเลียมเหลวซึ่งเป็นสิ่งจำเป็น

ในทางกลับกัน ส่วนใหญ่เป็นเซรามิกที่เปราะ ใช้งานไม่ได้กับระบบไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์ยังคงเชื่อว่ามีทางเลือกที่ดีกว่ารอการค้นพบ ซึ่งเป็นวัสดุใหม่ที่ยอดเยี่ยมที่จะตรงตามเกณฑ์เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องราคาไม่แพงและใช้งานได้จริง งานวิจัยบางชิ้นมุ่งเน้นไปที่ทองแดง ซึ่งเป็นคริสตัลที่ซับซ้อนที่มีชั้นของทองแดงและอะตอมของออกซิเจน การวิจัยยังคงดำเนินต่อไปในรายงานที่ผิดปกติแต่ไม่ได้อธิบายทางวิทยาศาสตร์ว่ากราไฟท์ที่แช่น้ำสามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเป็นกระแสที่แท้จริงของ "การปฏิวัติ" "ความก้าวหน้า" และ "บทใหม่" ในด้านการนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงขึ้น ในเดือนตุลาคม 2020 มีรายงานความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง (ที่ 15°C) ใน คาร์บอนไดซัลไฟด์ไฮไดรด์ (3) อย่างไรก็ตาม ที่ความดันสูงมาก (267 GPa) ที่สร้างโดยเลเซอร์สีเขียว จอกศักดิ์สิทธิ์ ซึ่งน่าจะเป็นวัสดุที่ค่อนข้างถูกซึ่งจะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องและความดันปกติ ยังหาไม่พบ

3. วัสดุที่เป็นคาร์บอนเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส

รุ่งอรุณแห่งยุคแม่เหล็ก

การแจงนับการใช้งานที่เป็นไปได้ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงสามารถเริ่มต้นด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ลอจิก องค์ประกอบหน่วยความจำ สวิตช์และการเชื่อมต่อ เครื่องกำเนิด แอมพลิฟายเออร์ เครื่องเร่งอนุภาค ถัดไปในรายการ: อุปกรณ์ที่มีความไวสูงสำหรับวัดสนามแม่เหล็ก แรงดันไฟหรือกระแส แม่เหล็กสำหรับ MRI เครื่องมือแพทย์, อุปกรณ์กักเก็บพลังงานแม่เหล็ก, รถไฟหัวกระสุนลอยได้, เครื่องยนต์, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, หม้อแปลงไฟฟ้า และสายไฟ ข้อได้เปรียบหลักของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดในฝันเหล่านี้คือการกระจายพลังงานต่ำ การทำงานด้วยความเร็วสูง และ ความไวสูง.

สำหรับตัวนำยิ่งยวด มีเหตุผลว่าทำไมโรงไฟฟ้ามักถูกสร้างขึ้นใกล้กับเมืองที่พลุกพล่าน แม้แต่ 30 เปอร์เซ็นต์ สร้างโดยพวกเขา พลังงานไฟฟ้า มันอาจจะหายไปในสายส่ง นี่เป็นปัญหาทั่วไปของเครื่องใช้ไฟฟ้า พลังงานส่วนใหญ่ไปสู่ความร้อน ดังนั้นพื้นผิวคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่จึงมีไว้สำหรับชิ้นส่วนทำความเย็นที่ช่วยกระจายความร้อนที่เกิดจากวงจร

ตัวนำยิ่งยวดแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานจากความร้อน ส่วนหนึ่งของการทดลอง เช่น นักวิทยาศาสตร์สามารถหาเลี้ยงชีพได้ กระแสไฟฟ้าภายในวงแหวนตัวนำยิ่งยวด กว่าสองปี และนี่คือไม่มีพลังงานเพิ่มเติม

เหตุผลเดียวที่กระแสหยุดเพราะไม่สามารถเข้าถึงฮีเลียมเหลวได้ ไม่ใช่เพราะกระแสไม่สามารถไหลต่อไปได้ การทดลองของเราทำให้เราเชื่อว่ากระแสในวัสดุตัวนำยิ่งยวดสามารถไหลได้เป็นเวลาหลายแสนปี หากไม่มากกว่านั้น กระแสไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดสามารถไหลตลอดไป ถ่ายเทพลังงานได้ฟรี

в ไม่มีการต่อต้าน กระแสขนาดใหญ่สามารถไหลผ่านลวดตัวนำยิ่งยวด ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีกำลังมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ สามารถใช้ลอยรถไฟ maglev (4) ซึ่งสามารถเข้าถึงความเร็วได้ถึง 600 กม./ชม. และขึ้นอยู่กับ แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด. หรือใช้ในโรงไฟฟ้า แทนที่วิธีการแบบเดิมที่กังหันหมุนในสนามแม่เหล็กเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอันทรงพลังสามารถช่วยควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันได้ ลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานในอุดมคติ แทนที่จะเป็นแบตเตอรี่ และศักยภาพในระบบจะคงอยู่เป็นเวลาหนึ่งพันล้านปี

ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม คุณสามารถไหลตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาในตัวนำยิ่งยวด เครื่องยนต์ของเรือและรถยนต์จะมีขนาดเล็กกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันถึงสิบเท่า และเครื่อง MRI วินิจฉัยทางการแพทย์ที่มีราคาแพงจะพอดีกับฝ่ามือของคุณ รวบรวมจากฟาร์มในทะเลทรายอันกว้างใหญ่ทั่วโลก พลังงานแสงอาทิตย์สามารถจัดเก็บและถ่ายโอนได้โดยไม่สูญเสีย

4. รถไฟแม็กเลฟของญี่ปุ่น

ตามที่นักฟิสิกส์และผู้มีชื่อเสียงด้านวิทยาศาสตร์กล่าว คาคุเทคโนโลยีเช่นตัวนำยิ่งยวดจะนำเข้าสู่ยุคใหม่ หากเรายังอยู่ในยุคไฟฟ้า ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องจะนำยุคของแม่เหล็กติดตัวไปด้วย