Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, приведут нас к удивительным технологиям

19 Мая 2018, Илья Хель 36

Сверхпроводники можно назвать одними из самых интересных и удивительных материалов в природе. Не поддающиеся логическому обсуждению квантово-механические эффекты приводят к тому, что у сверхпроводников ниже критической температуры совершенно исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя никакой энергии, означает передачу энергии практически без потери в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.

Более того, сверхпроводящий провод, переносящий ток без потерь, станет отличным хранилищем электроэнергии. В отличие от батарей, которые со временем ухудшаются, если сопротивление будет действительно нулевым, можно будет найти сверхпроводник через миллиард лет и обнаружить, что в нем течет все тот же старый ток. Энергию можно было бы хранить неограниченно долго!

В отсутствие сопротивления через сверхпроводящий провод можно было бы пропускать мощный ток и получать магнитные поля невероятной мощности.

Их можно было бы использовать для левитирующих поездов и невероятного разгона, преобразовав всю транспортную систему. Можно было бы использовать на электростанциях, заменяя обычные методы, которые вращают турбину в магнитных поля для генерации электричества, и в квантовых компьютерах, в которых нули и единицы (обычные биты) заменяются текущим по часовой или против часовой стрелки током в сверхпроводнике.

Артур Кларк однажды сказал, что достаточно развитая технология будет неотличима от магии; сверхпроводники определенно похожи на волшебные устройства. Почему же они до сих пор не изменили наш мир? Проблема в критической температуре.

Для большинства известных таких материалов критическая температура — это сотни градусов ниже точки замерзания. У сверхпроводников также есть критическое магнитное поле; за пределами магнитного поля определенной силы они перестают работать. Так вышло, что материалы с внутренней высокой критической температурой зачастую предлагают и самые мощные магнитные поля при охлаждении значительно ниже этой температуры.


Это значит, что применение сверхпроводников до сих пор было ограничено ситуациями, когда вы могли позволить себе охлаждение компонентов почти до температуры абсолютного нуля: в ускорителях частиц и на экспериментальных реакторах ядерного синтеза, например.

Но даже если некоторые аспекты сверхпроводниковых технологий ограничивают их в применении, поиск высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Многие физики все еще верят, что сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут существовать. И такое открытие проложило бы дорогу невероятным новым технологиям.

В поиске сверхпроводников, работающих при комнатной температуре

После того, как Хейке Камерлинг-Оннес случайно открыл сверхпроводимость, пытаясь доказать теорию лорда Кельвина о том, что сопротивление будет расти при понижении температуры, теоретики пытаются объяснить новое свойство в надежде, что его понимание позволит создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Так появилась теория БКШ (Бардина, Купера, Шриффера), которая объясняет некоторые свойства сверхпроводников. Также было предсказано, что мечта технологов, сверхпроводники при комнатной температуре, может быть неосуществима; максимальная температура сверхпроводимости согласно теории БКШ составляла всего 30 градусов выше абсолютного нуля.

В 1980-х годах все изменилось, благодаря открытию необычной высокотемпературной сверхпроводимости. «Высокая температура» все еще очень холодная: самая высокая температура для сверхпроводимости составила -70 градусов для сульфида водорода при чрезвычайно высоком давлении. При нормальном давлении верхним пределом является -140 градусов. К сожалению, высокотемпературные сверхпроводники, которые требуют относительно дешевого жидкого азота, а не жидкого гелия, для охлаждения — это по большей части хрупкая керамика, которую крайне сложно свернуть в провода и применить на практике.

Учитывая ограничения высокотемпературных сверхпроводников, ученые продолжают полагать, что есть лучший вариант, ожидающий открытия — невероятный новый материал, который сделает сверхпроводимость доступной, практичной, а главное — работающей при комнатной температуре.

Волнительные намеки

Без подробного теоретического понимания возникновения этого явления — хотя существенный прогресс делается постоянно — ученые иногда чувствуют, что занимаются гаданием на кофейной гуще, пытаясь подобрать подходящие материалы. Это похоже на попытку угадать номер телефона, который составлен из таблицы периодических элементов вместо цифр. Но перспектива остается и очень волнует. Нобелевская премия и дивный, новый мир энергии и электричества — неплохая награда за успешный результат.

В некоторых исследованиях основное внимание уделяется купратам, сложным кристаллам, содержащим слои меди и атомов кислорода. Соединение купратов с различными элементами, экзотическими соединениями вроде ртуть-барий-кальций-медь оксида, создают лучшие сверхпроводники, известные сегодня.

Ученые также продолжают сообщать аномальные и неожиданные новости о том, что пропитанный водой графит может выступать в качестве сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, но нет никаких указателей на то, что эти новости можно положить в основу технологий.

В начале 2017 года, исследуя самые экстремальные и экзотические формы материи, которые мы можем создать на Земле, ученые умудрились сжать водород до состояния металла. Для этого им понадобилось давление, превышающее давление в ядре Земли и в тысячи раз большее, чем на дне океана. Некоторые ученые в этой области — физике конденсированной материи — вообще сомневаются, что металлический водород удалось произвести.

Однако полагается, что металлический водород может быть сверхпроводником, работающим при комнатной температуре. Но работа с образцами оказывается очень сложной, потому что даже алмазы, содержащие металлический водород, не выдерживают катастрофического давления.

Сверхпроводимость — или поведение, сильно ее напоминающее, — также наблюдалась у иттрий-барий-медь оксида при комнатной температуре в 2014 году. Проблема лишь в том, что транспорт электрона проходил лишь крошечную долю секунды и требовал бомбардировки материала лазерными импульсами.

Не особо практично — да. Интересно — еще бы!

И другие новые материалы демонстрируют любопытные свойства. Нобелевская премия по физике 2016 года была присуждена за теоретическую работу, которая характеризует топологические изоляторы — материалы, проявляющие похожее странное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами в общей массе материала, но необычайно хорошими сверхпроводниками в тонком слое на поверхности.

Microsoft делает ставку на топологические изоляторы в качестве ключевого компонента квантового компьютера. Также они считаются потенциально важными компонентами миниатюрных микросхем.

Некоторые примечательные свойства транспорта электронов также наблюдались в новых «двумерных» структурах — подобных графену, но из других элементов. Это материалы толщиной в один атом или молекулу.

Сверхпроводимость при комнатной температуре остается такой же неуловимой и захватывающей, какой и была на протяжении более века. Непонятно, может ли существовать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим показателем того, что необычные и очень полезные квантовые эффекты могут быть найдены совершенно неожиданно.

Возможно, в будущем — при помощи искусственного интеллекта или открытий камерлингов-оннесов 21 века — эти технологии также станут неотличимы от магии.

Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, приведут нас к удивительным технологиям

36 комментариев Оставить свой

  1. JA_LULU_MASYU_I_NASTASYU

    Пусть вынесут этот вопрос в новый сезон Битвы экстрасенсов

  2. Aladdin

    До сих пор нет точного объяснения физического принципа сверхпроводимости,а потому и нет такого проводника....

    • Vladimir8

      Aladdin, Все давно уже обьяснили почти 100 лет обратно - это обычная квантовая физика. Сверхпроводимость — квантовое явление. Почитай что такое туннельный эффект. Поэтому нужно полное охлаждение - при нем молекулы перестают себя вести как при обычной физике , пропадает магнитное поле и привет сверхпроводимость. Другой вопрос как можно оградить материал от влияния температуры. Почитай еще про конденсат Бозе-Эйнштейна. Думаю проще создать изолятор который поддерживает квантовое состояние материи, чем создать сверхпроводимость при комнатной температуре.

      • Aladdin

        Vladimir8, Это всё слова,термины,которые не дают чёткого понимания механизма сверхпроводимости.
        И интересно когда же квантовая физика стала обычной? Если её сам Эйнштейн не признавал из-за например неопределённости,поведение частиц атома носит вероятностный характер(опять же по теории).....

        • Elitnyy2

          Aladdin, Электроны об'единяются а пАры, что делает их похожими на молекулы, только состоящие из электронов только. Это и даёт сверхпроводимость , как помню. Почему - фиг знает , или забыл

  3. AMDRYZEN

    Для рельсотрона то что надо , пулять управояемыми болванками из нанотрубок из рельсотрона вот это будет жесть .

  4. DemidovAleksey

    Можно и при комнатной температуре сделать сверх проводник, я так думаю

  5. DemidovAleksey

    Кристалическая решотку сделать из углерода меди вот и все

  6. DemidovAleksey

    Возможность есть.

  7. Noobonytos

    Атомы в кристаллической решетке стоят ровными цепочками и движутся с минимальной кинетической энергией (тепловой энергией) тем самым максимально не мешая свободным электронам проходить между ними, вот и вся проводимость

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, они охлажденные, ну попробуй сделать =)

    • Elitnyy2

      Noobonytos, Можно магнитным полем, лазером и т.п. сделать так, чтобы атомы вибрировали вдоль, а не поперек проводника, чтобы так не мешать тепловым движением движению свободных электронов. ИМХО, самый преспективный материал - металлы, которые и так проводят ток, хотя и с сопротивлением, давая бОльшую свободу электронам , ну или там графен ...

  8. DemidovAleksey

    Ладно , делаем сверх проводник из метала таким образом что бы электроны пробегали бысстрее, берем тигел простое вещество медь с кубическая гранецентрированая можно просто проволоку медную для плавки не трогая родного компазита то есть меди она и так сама по себе нормальная, устанавливаем емкость прямоугольной формыс двойным дном, к первой стенки внутри емкости выводим по плоскости в центре провода из метала которые будут с двух сторон вход и выход (выход подключаем к источнику питания, межу первым и вторым дном подключаем трубки с циркуляционным насосом которые будут охладжать первое дно до -200-180 Сельсия и краник для подачи охлаждающей жидкости, нагреваем тигель с медью так что бы медь была достаточно нагретой , включаем ситочник питания который создает поле в первой секции и подает электричество к потребителю. первое дно само собой уже теплое заливаем распалав меди накрываем его крышкой которая также становится проводником, увеличиваем подачу напряжения на потреббителе, включаем охлаждение и еще добавляем мощность на потребителе.ждем полного застывания меди и получаем сверх пропускную кресталическую решотку.

    • ELVIS

      DemidovAleksey, Самогонный аппарат!

      • DemidovAleksey

        ELVIS, Самагонный апарат основан на выпаривании а в этом случае ты метал наливаешь в метал и его охлаждение не столь быстрое.

  9. DemidovAleksey

    У меня такой вариант .

  10. DemidovAleksey

    Выход к потребителю подключаем*

  11. DemidovAleksey

    Почему мы его охлаждаем , так как нагретый метал при получении электричества которе протекает по стенкам сосуда переходит мнгновенно в медь создавая еще в расплавленной меди нужные решотки для пропускной способности, когда медь остывает мы увеличаваем подачу электро энергии что бы не потерять и закрепить пропускную способность, крышками стенок мы создаем и вытесняем магнитную амплитуду меди которая еще не закрепиласть в конечном результате, подав охлаждающюю жидкость мы еще увеличиваем напряжение электричесва на потребитель и ждем полного закрепления решотки увеличив пропускную способность и её структуру гораздо выше. Можно установить магнит с севера на юг что бы ускорить поток электронов при застывании.

  12. DemidovAleksey

    и подписываем e -> + направление что бы знать в какую сторону сгенерировано напряжение

  13. Noobonytos

    Ток по стенкам сосуда течёт, говоришь. Есть и более простые способы убить себя.

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, Все правельно по стенкам сасуда, мы вытесняем магнитное поле меди как и в сверх проводнике, посмотри кристалическую решотку сверх проводника

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, Электричество течет непосредственно на элемент потребления пока мы не залили медь, дальше он течет через медь так как на стенках сасуда расположенны элементы питания, тем самым со стенок не убирается напряжение и переходит в центральный источник меди.

  14. Noobonytos

    А что за метал ещё, кроме меди используется?

    • Elitnyy2

      Noobonytos, Золото и серебро лучшие проводники при нормальной температуре

  15. Noobonytos

    Шарах, шандарах, хлопки, взрывы, дым, молнии, волосы дыбом, искры из глаз - сумасшедший профессор в действии =)

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, Что шарах =D? Это откуратнее делать надо, что бы не шарахать. Серебро с медью попробуй

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, серебро медь углерод в сплаве

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, А лучше это делать в лаборатории.

    • DemidovAleksey

      Noobonytos, То что к трубке охлаждающей жидкости тоде потребитель нужен это и так понятно.

  16. DemidovAleksey

    калий лучше не добавлять наверное пройдет реакция

  17. RikasEpta

    Сверхпроводимость такой-же миф как и вечный двигатель.

    • DemidovAleksey

      RikasEpta, Значит можно собраться к примеру в соц сети ВК и опсудить сверх проводимость, что говоря о сверх проводимости то это делают в азотных проводах, а те кто желает смомощю этого проводника летать-припарировать передовать информацию на твердом иточнике то это уже другое дело. Можно попробывать сделать кварц и сплавить его с количеством серебра выставив кристалическую решотку , то электроны мы будем гонять по настоящему.

      • Elitnyy2

        DemidovAleksey, Говорят атланты получали энергию из кварца

    • DemidovAleksey

      RikasEpta, Ели бы была команда програмистов механиков и химиков с инженерами можно было бы сделать к примеру фторую софию - робота или искуственный ителект по мощенее или к примеру компютер достаточно мощный. Или квадро коптер который летал бы на одном заряде к примеру часов 30 а то и больше.

  18. Elitnyy2

    Говорят, у американцев есть секретная технология высокотемпературной сверхпроводимости - ртутью в алюминии создаются крошечные каналы, в которых, видимо, и летят электроны без сопротивления . Напоминает волноводы в радиотехнике . Кстати, а какое там сопротивление у плазмы?

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.