고온 초전도체를 얻는다면? 희망의 결박

무손실 전송선, 저온 전기 공학, 초전자석, 마침내 열핵 원자로에서 수백만도의 플라즈마를 부드럽게 압축하는 조용하고 빠른 자기 부상 레일. 초전도체에 대한 희망이 너무 크네요...

초전도성 전기 저항이 XNUMX인 물질 상태를 호출합니다. 이는 매우 낮은 온도의 일부 재료에서 달성됩니다. 그는 이 양자 현상을 발견했습니다 카멜링 온네스 (1) 1911년 수은에서. 고전 물리학은 이에 대한 설명을 처리할 수 없습니다. 제로 저항 외에도 초전도체의 또 다른 중요한 특징은 자기장을 부피 밖으로 밀어낸다소위 마이스너 효과(제XNUMX형 초전도체) 또는 자기장이 "소용돌이"(제XNUMX형 초전도체에서)로 집중되는 현상입니다.

대부분의 초전도체는 절대 영도에 가까운 온도에서만 작동합니다. 0켈빈(-273,15°C)으로 보고됩니다. 원자의 움직임 이 온도에서는 거의 아무것도 없습니다. 이것이 초전도체의 핵심이다. 평소처럼 전자 도체에서 움직이는 다른 진동 원자와 충돌하여 에너지 손실과 저항. 그러나 우리는 더 높은 온도에서 초전도가 가능하다는 것을 알고 있습니다. 점차적으로 우리는 낮은 영하 섭씨에서도 이러한 효과를 보여주는 물질을 발견하고 있으며 최근에는 심지어 플러스 섭씨에서도 마찬가지입니다. 그러나 이는 일반적으로 극도로 높은 압력을 가하는 것과 관련이 있습니다. 가장 큰 꿈은 엄청난 압력 없이 상온에서 이 기술을 만들어내는 것이다.

초전도 상태 발생의 물리적 기초는 다음과 같습니다. 로드 그래버 쌍의 형성 - 소위 쿠퍼. 이러한 쌍은 비슷한 에너지를 가진 두 전자의 결합으로 인해 발생할 수 있습니다. 페르미에너지, 즉. 페르미온계에 원소를 하나 더 추가한 후 페르미온계의 에너지가 증가하는 가장 작은 에너지. 비록 이들을 연결하는 상호작용의 에너지가 매우 작은 경우에도 마찬가지입니다. 단일 캐리어는 페르미온이고 쌍은 보존이기 때문에 이는 물질의 전기적 특성을 변경합니다.

협조 따라서 이는 포논이라고 하는 결정 격자 진동을 통해 서로 상호 작용하는 두 개의 페르미온(예: 전자) 시스템입니다. 현상이 설명되어 있습니다 레오나가 협력한다 1956년에 발견되었으며 저온 초전도성에 대한 BCS 이론의 일부입니다. 쿠퍼 쌍을 구성하는 페르미온은 반 회전(반대 방향)을 갖지만 결과적으로 시스템의 스핀은 완전 회전입니다. 즉, 쿠퍼 쌍은 보존입니다.

일부 원소(예: 카드뮴, 주석, 알루미늄, 이리듐, 백금)는 특정 온도에서 초전도체가 되고, 다른 원소는 매우 높은 압력(예: 산소, 인, 황, 게르마늄, 리튬)에서만 초전도 상태가 됩니다. 얇은 층(텅스텐, 베릴륨, 크롬)의 형태이며 일부는 은, 구리, 금, 희가스, 수소와 같은 아직 초전도성이 아닐 수 있지만 금, 은 및 구리는 실온에서 최고의 전도체 중 하나입니다.

"고온"에는 여전히 매우 낮은 온도가 필요합니다.

1964 년 윌리엄 A. 리틀 고온 초전도의 존재 가능성을 제시했다. 유기 폴리머. 이 제안은 BCS 이론의 포논 매개 쌍과 달리 엑시톤 매개 전자 쌍에 기반을 두고 있습니다. "고온 초전도체"라는 용어는 Johannes G. Bednorz와 K.A.가 발견한 페로브스카이트 구조를 가진 새로운 세라믹 계열을 설명하는 데 사용되었습니다. 뮬러는 1986년에 노벨상을 받았습니다. 이러한 새로운 세라믹 초전도체(2)는 구리와 산소를 란타늄, 바륨, 비스무트 등의 다른 원소와 혼합하여 만들어졌습니다.

2. 강력한 자석 위에 떠 있는 세라믹 플레이트

우리의 관점에서 볼 때 "고온" 초전도성은 여전히 ​​매우 낮습니다. 상압에서는 한계가 -140°C였으며 이러한 초전도체도 '고온'이라고 불렀습니다. 매우 높은 압력에서 황화수소의 초전도 온도인 -70°C에 도달했습니다. 그러나 고온 초전도체는 냉각을 위해 필수적인 액체 헬륨보다는 비교적 저렴한 액체 질소가 필요하다.

반면에, 대부분 부서지기 쉬운 세라믹이므로 전기 시스템에 사용하기에는 그다지 실용적이지 않습니다.

과학자들은 여전히 ​​다음과 같은 기준을 충족할 수 있는 새롭고 놀라운 물질이 발견되기를 기다리고 있다고 믿고 있습니다. 실온에서의 초전도성, 저렴하고 실용적입니다. 일부 연구는 구리와 산소 원자의 층을 포함하는 복잡한 결정인 구리에 중점을 두었습니다. 물에 젖은 흑연이 실온에서 초전도체로 작용할 수 있다는 변칙적이지만 과학적으로 설명할 수 없는 보고서에 대한 연구가 계속되고 있습니다.

최근 몇 년 동안 고온 초전도 분야에서는 진정한 "혁명", "획기적 발전" 및 "새로운 장"의 흐름이 이어졌습니다. 2020년 15월 상온(XNUMX°C)에서 초전도성이 보고되었습니다. 이황화탄소 수소화물 (3) 그러나 녹색 레이저에 의해 생성된 매우 높은 압력(267GPa)에서 발생했습니다. 상온, 상압에서 초전도성을 갖는 비교적 값싼 물질인 성배는 아직 발견되지 않았다.

3. 15°C에서 초전도성을 나타내는 탄소 기반 소재.

자기 시대의 여명

고온 초전도체의 가능한 응용 목록은 전자 및 컴퓨터 기술, 논리 장치, 메모리 요소, 스위치 및 연결, 발전기, 증폭기, 입자 가속기부터 시작할 수 있습니다. 다음 목록에는 자기장, 전압 또는 전류 측정을 위한 고감도 장치, MRI 의료기기, 자기 에너지 저장 장치, 공중에 떠오르는 초고속 열차, 엔진, 발전기, 변압기 및 전력선. 이러한 꿈의 초전도 장치의 주요 장점은 낮은 전력 손실, 고속 작동 및 극도의 감도.

초전도체용. 발전소가 번화한 도시 근처에 건설되는 경우가 많은 이유가 있습니다. 30%라도 말이죠. 그들에 의해 창조된 전기 에너지 전송선에서 손실될 수 있습니다. 이는 가전제품의 일반적인 문제입니다. 대부분의 에너지는 열에 소비됩니다. 따라서 컴퓨터 표면적의 상당 부분은 회로에서 발생하는 열을 방출하는 데 도움이 되는 냉각 구성 요소에 사용됩니다.

초전도체는 열로 인한 에너지 손실 문제를 해결합니다. 예를 들어 실험의 일환으로 과학자들은 생계를 유지합니다. 초전도 고리 내부의 전류 XNUMX년여. 그리고 이것은 추가 에너지가 없습니다.

전류가 멈춘 유일한 이유는 전류가 계속 흐르지 못해서가 아니라 액체 헬륨에 접근할 수 없었기 때문입니다. 우리의 실험을 통해 우리는 초전도 물질의 전류가 그 이상은 아니더라도 수십만 년 동안 흐를 수 있다고 믿게 되었습니다. 초전도체의 전류는 영원히 흐르며 에너지를 무료로 전달할 수 있습니다.

в 저항 없음 초전도 선재에는 엄청난 전류가 흐를 수 있었고, 이로 인해 엄청난 힘의 자기장이 생성되었습니다. 그들은 이미 최대 4km/h의 속도에 도달할 수 있고 다음을 기반으로 하는 자기 부상 열차(600)를 공중에 띄우는 데 사용될 수 있습니다. 초전도 자석. 또는 발전소에서 사용하여 자기장에서 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 전통적인 방법을 대체합니다. 강력한 초전도 자석은 핵융합 반응을 제어하는 ​​데 도움이 될 수 있습니다. 초전도 선재는 배터리가 아닌 이상적인 에너지 저장장치 역할을 할 수 있으며, 시스템 내 잠재력은 XNUMX만년 동안 유지된다.

양자 컴퓨터에서는 초전도체에서 시계 방향이나 시계 반대 방향으로 흐를 수 있습니다. 선박과 자동차 엔진은 오늘날보다 XNUMX배 더 작을 것이며 값비싼 의료 진단 MRI 기계는 손바닥 안에 들어갈 것입니다. 전 세계 광활한 사막의 농장에서 수집된 태양 에너지는 손실 없이 저장되고 전송될 수 있습니다.

4. 일본 자기부상열차

물리학자이자 유명한 과학 대중화자에 따르면, 카쿠초전도체와 같은 기술이 새로운 시대를 열어갈 것입니다. 우리가 아직 전기 시대에 살고 있다면 상온 초전도체는 자기 시대를 가져올 것입니다.