מה אם... נקבל מוליכים בטמפרטורה גבוהה? כריכות של תקווה
קווי תמסורת נטולי אובדן, הנדסת חשמל בטמפרטורה נמוכה, סופר-אלקטרומגנטים, סוף סוף דחיסה עדינה של מיליוני מעלות של פלזמה בכורים תרמו-גרעיניים, מסילת מגלב שקטה ומהירה. יש לנו כל כך הרבה תקוות עבור מוליכים...
מוליכות על מצב החומר של התנגדות חשמלית אפס נקרא. זה מושג בחומרים מסוימים בטמפרטורות נמוכות מאוד. הוא גילה את התופעה הקוונטית הזו קמרלינג אוננס (1) בכספית, בשנת 1911. הפיזיקה הקלאסית לא מצליחה לתאר זאת. בנוסף לאפס התנגדות, תכונה חשובה נוספת של מוליכים היא לדחוף את השדה המגנטי מהנפח שלומה שנקרא אפקט מייסנר (במוליכים מסוג I) או מיקוד השדה המגנטי ל"מערבולות" (במוליכים מסוג II).
רוב המוליכים עובדים רק בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. מדווחים שזה 0 קלווין (-273,15 מעלות צלזיוס). תנועת האטומים בטמפרטורה זו הוא כמעט לא קיים. זה המפתח למוליכי-על. בדרך כלל אלקטרונים נע במוליך להתנגש באטומים רוטטים אחרים, מה שגורם אובדן אנרגיה והתנגדות. עם זאת, אנו יודעים שמוליכות-על אפשרית בטמפרטורות גבוהות יותר. בהדרגה, אנו מגלים חומרים שמראים את האפקט הזה במינוס צלזיוס נמוך יותר, ולאחרונה אפילו בפלוס. עם זאת, זה שוב קשור בדרך כלל להפעלת לחץ גבוה במיוחד. החלום הגדול ביותר הוא ליצור טכנולוגיה זו בטמפרטורת החדר ללא לחץ ענק.
הבסיס הפיזי להופעת מצב העל-מוליכות הוא היווצרות זוגות של חוטפי מטענים - מה שנקרא קופר. זוגות כאלה יכולים להיווצר כתוצאה מאיחוד של שני אלקטרונים בעלי אנרגיות דומות. אנרגיית פרמי, כלומר האנרגיה הקטנה ביותר שבאמצעותה תגדל האנרגיה של מערכת פרמיונית לאחר הוספת אלמנט אחד נוסף, גם כאשר האנרגיה של האינטראקציה הקושרת אותם קטנה מאוד. זה משנה את התכונות החשמליות של החומר, שכן הנשאים הבודדים הם פרמיונים והזוגות הם בוזונים.
לְשַׁתֵף פְּעוּלָה לכן, זוהי מערכת של שני פרמיונים (לדוגמה, אלקטרונים) המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות רעידות של סריג הגביש, הנקראים פונונים. התופעה תוארה לאונה משתפת פעולה בשנת 1956 והוא חלק מתאוריית BCS של מוליכות-על בטמפרטורה נמוכה. לפרמיונים המרכיבים את צמד הקופר יש חצאי ספינים (שמכוונים לכיוונים מנוגדים), אך הספין המתקבל של המערכת הוא מלא, כלומר, צמד הקופר הוא בוזון.
מוליכים בטמפרטורות מסוימות הם אלמנטים מסוימים, למשל, קדמיום, בדיל, אלומיניום, אירידיום, פלטינה, אחרים עוברים למצב של מוליכות-על רק בלחץ גבוה מאוד (לדוגמה, חמצן, זרחן, גופרית, גרמניום, ליתיום) או ב- צורה של שכבות דקות (טונגסטן, בריליום, כרום), וייתכן שחלקן עדיין אינן מוליכות-על, כגון כסף, נחושת, זהב, גזים אצילים, מימן, אם כי זהב, כסף ונחושת הם בין המוליכים הטובים ביותר בטמפרטורת החדר.
"טמפרטורה גבוהה" עדיין דורשת טמפרטורות נמוכות מאוד
בשנת 1964 וויליאם א. ליטל הציע את האפשרות של קיומה של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ב פולימרים אורגניים. הצעה זו מבוססת על זיווג אלקטרוני בתיווך אקציטון לעומת זיווג בתיווך פונון בתורת BCS. המונח "מוליכים בטמפרטורה גבוהה" שימש כדי לתאר משפחה חדשה של קרמיקה בעלת מבנה פרוסקיט שהתגלתה על ידי יוהנס ג'י בדנורז ו-C.A. מולר ב-1986, עליו קיבלו את פרס נובל. מוליכים קרמיים חדשים אלו (2) היו עשויים מנחושת וחמצן מעורבבים עם יסודות אחרים כגון לנתנום, בריום וביסמוט.
2. פלטה קרמית מרחפת מעל מגנטים עוצמתיים
מנקודת המבט שלנו, מוליכות-על "בטמפרטורה גבוהה" עדיין הייתה נמוכה מאוד. עבור לחצים רגילים, הגבול היה -140 מעלות צלזיוס, ואפילו מוליכים כאלה כונו "טמפרטורה גבוהה". טמפרטורת מוליכות העל של -70 מעלות צלזיוס עבור מימן גופרתי הושגה בלחצים גבוהים במיוחד. עם זאת, מוליכים בטמפרטורה גבוהה דורשים חנקן נוזלי זול יחסית ולא הליום נוזלי לקירור, וזה חיוני.
מצד שני, מדובר בעיקר בקרמיקה שבירה, לא ממש פרקטית לשימוש במערכות חשמל.
מדענים עדיין מאמינים שיש אפשרות טובה יותר שמחכה להתגלות, חומר חדש נפלא שיעמוד בקריטריונים כמו מוליכות-על בטמפרטורת החדרנוח ומעשי לשימוש. חלק מהמחקרים התמקדו בנחושת, גביש מורכב המכיל שכבות של אטומי נחושת וחמצן. המחקר נמשך על כמה דיווחים חריגים אך בלתי מוסברים מבחינה מדעית לפיהם גרפיט ספוג במים יכול לשמש כמוליך-על בטמפרטורת החדר.
השנים האחרונות היו זרם של ממש של "מהפכות", "פריצות דרך" ו"פרקים חדשים" בתחום מוליכות העל בטמפרטורות גבוהות יותר. באוקטובר 2020, דווח על מוליכות-על בטמפרטורת החדר (ב-15 מעלות צלזיוס) ב פחמן דיסולפיד הידריד (3), לעומת זאת, בלחץ גבוה מאוד (267 GPa) שנוצר על ידי הלייזר הירוק. הגביע הקדוש, שיהיה חומר זול יחסית שיהיה מוליך על בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל, טרם נמצא.
3. חומר על בסיס פחמן בעל מוליך ב-15 מעלות צלזיוס.
שחר העידן המגנטי
ספירת היישומים האפשריים של מוליכים בטמפרטורה גבוהה יכולה להתחיל עם אלקטרוניקה ומחשבים, התקני לוגיקה, רכיבי זיכרון, מתגים וחיבורים, גנרטורים, מגברים, מאיצי חלקיקים. הבאים ברשימה: מכשירים רגישים ביותר למדידת שדות מגנטיים, מתחים או זרמים, מגנטים עבור מכשור רפואי MRI, התקני אחסון אנרגיה מגנטית, רכבות כדורים מרחפים, מנועים, גנרטורים, שנאים וקווי חשמל. היתרונות העיקריים של מכשירי מוליכי-על חלומיים אלה יהיו פיזור הספק נמוך, פעולה במהירות גבוהה ו רגישות קיצונית.
עבור מוליכים. יש סיבה לכך שתחנות כוח נבנות לרוב ליד ערים סואנות. אפילו 30 אחוז. שנוצרו על ידם אנרגיה חשמלית זה עלול ללכת לאיבוד בקווי תמסורת. זוהי בעיה נפוצה במכשירי חשמל. רוב האנרגיה עוברת לחום. לכן, חלק ניכר ממשטח המחשב מוקדש לחלקי קירור המסייעים בפיזור החום הנוצר מהמעגלים.
מוליכים פותרים את בעיית הפסדי האנרגיה לחום. במסגרת ניסויים מצליחים מדענים, למשל, להתפרנס זרם חשמלי בתוך הטבעת המוליכה-על מעל שנתיים. וזה ללא אנרגיה נוספת.
הסיבה היחידה שהזרם נפסק הייתה בגלל שלא הייתה גישה להליום נוזלי, לא בגלל שהזרם לא יכול היה להמשיך לזרום. הניסויים שלנו מביאים אותנו להאמין שזרמים בחומרים מוליכים יכולים לזרום במשך מאות אלפי שנים, אם לא יותר. זרם חשמלי במוליכי-על יכול לזרום לנצח, ולהעביר אנרגיה בחינם.
в אין התנגדות זרם עצום יכול לזרום דרך החוט המוליך, אשר בתורו יצר שדות מגנטיים בעלי עוצמה מדהימה. ניתן להשתמש בהן להרחקת רכבות מגלב (4), שיכולות כבר להגיע למהירויות של עד 600 קמ"ש ומבוססות על מגנטים מוליכים על. או להשתמש בהם בתחנות כוח, במקום שיטות מסורתיות שבהן טורבינות מסתובבות בשדות מגנטיים כדי לייצר חשמל. מגנטים בעלי מוליכים חזקים יכולים לעזור לשלוט בתגובת ההיתוך. חוט מוליך-על יכול לשמש כמכשיר אידיאלי לאחסון אנרגיה, ולא כסוללה, והפוטנציאל במערכת יישמר במשך אלף ומיליון שנים.
במחשבים קוונטיים, אתה יכול לזרום עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון במוליך-על. מנועי ספינות ומכוניות יהיו קטנים פי עשרה ממה שהם היום, ומכונות MRI אבחנתיות רפואיות יקרות יכנסו לכף ידך. נאספים מחוות במדבריות המדבריות העצומות ברחבי העולם, ניתן לאחסן ולהעביר אנרגיה סולארית ללא כל אובדן.
4. רכבת מגלב יפנית
לפי הפיזיקאי והפופולרי המפורסם של המדע, קאקוטכנולוגיות כמו מוליכים יפתחו עידן חדש. אם היינו עדיין חיים בעידן החשמל, מוליכים בטמפרטורת החדר היו מביאים איתם את עידן המגנטיות.
