Een supergeleider is een materiaal dat supergeleiding bereikt, a stand van zaken Het heeft geen elektrische weerstand en laat geen magnetische velden binnendringen. Dat elektrische stroom In een supergeleider kan het oneindig doorgaan.
Supergeleiding kan alleen worden bereikt bij extreem lage temperaturen. Supergeleiders hebben een verscheidenheid aan alledaagse toepassingen, van: MRI-machinesرن tot magnetische hogesnelheidstreinen die magneten gebruiken om treinen van het spoor te tillen om wrijving te verminderen. Onderzoekers proberen nu supergeleiders te vinden en te ontwikkelen die bij hogere temperaturen werken, wat een revolutie teweeg zal brengen in de energietransmissie en -opslag.
Wie heeft supergeleiding ontdekt?
De ontdekking van supergeleiding wordt toegeschreven aan: Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. In 1911 bestudeert Onnes de elektrische eigenschappen van kwik In zijn laboratorium aan de Universiteit Leiden in Nederland ontdekte hij dat de elektrische weerstand van kwik volledig verdween toen het werd weggelaten temperatuur- tot minder dan 4,2 K – slechts 4,2 graden Celsius (7,56 graden Fahrenheit) boven het absolute nulpunt.
Om dit resultaat te bevestigen, legde Onnes een elektrische stroom aan op een monster onderkoeld kwik en ontkoppelde vervolgens de batterij. Hij ontdekte dat de elektrische stroom in kwik doorging zonder af te nemen, wat de afwezigheid van elektrische weerstand bevestigde en de deur opende voor toekomstige toepassingen van supergeleiding.
De geschiedenis van supergeleiding
Natuurkundigen hebben decennialang geprobeerd de aard van supergeleiding te begrijpen en wat de oorzaak ervan is. Ze ontdekten dat veel, maar niet alle, elementen en materialen supergeleidend worden wanneer ze onder een bepaalde kritische temperatuur worden gekoeld.
In 1933 ontdekten natuurkundigen Walther Meissner en Robert Ochenfeld dat supergeleiders alle nabije magnetische velden “uitschakelen”, wat betekent dat zwakke magnetische velden niet ver in de supergeleider kunnen doordringen, aldus de onderzoekers. Superfysica, een educatieve website van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Georgia State University. Dit fenomeen wordt het Meissner-effect genoemd.
Pas in 1950 publiceerden theoretische fysici Lev Landau en Vitaly Ginzburg een theorie over hoe supergeleiders werken, volgens Ginzburgs biografie in Nobelprijs website Nobel. Hoewel ze succesvol waren in het voorspellen van de eigenschappen van supergeleiders, was hun theorie ‘macroscopisch’, wat betekent dat het zich concentreerde op het grootschalige gedrag van supergeleiders, terwijl ze onwetend bleven over wat er op microscopisch niveau gebeurde.
Uiteindelijk ontwikkelden natuurkundigen John Bardeen, Leon N. Cooper en Robert Shriver in 1957 een complete microscopische theorie van supergeleiding. Om een elektrische weerstand te creëren, elektronen In het metaal moet het vrij zijn om te springen. Maar wanneer de elektronen in het metaal ongelooflijk koud worden, kunnen ze paren, waardoor ze niet terugkaatsen. Deze elektronenparen, Cooper-paren genoemd, zijn zeer stabiel bij lage temperaturen en zonder “vrije” elektronen om te stuiteren, verdwijnt de elektrische weerstand. Bardeen, Cooper en Shriver hebben deze stukken samengevoegd om hun theorie te vormen, bekend als de BCS-theorie, die ze publiceerden in het tijdschrift fysieke beoordelingsberichten.
Hoe werken supergeleiders?
Wanneer het metaal onder de kritische temperatuur zakt, vormen de elektronen in het metaal bindingen die Cooper-paren worden genoemd. Wanneer ze op deze manier gesloten zijn, kunnen de elektronen geen elektrische weerstand bieden en kan elektriciteit volledig door het metaal stromen, volgens Cambridge Universiteit.
Dit werkt echter alleen bij lagere temperaturen. Wanneer het metaal te warm wordt, hebben de elektronen genoeg energie om de bindingen van het Cooper-paar te verbreken en weer weerstand te bieden. Daarom ontdekte Onnes in zijn oorspronkelijke experimenten dat kwik zich gedroeg als een supergeleider bij 4,19 K, maar niet bij 4,2 K.
Waar worden supergeleiders voor gebruikt?
Het is zeer waarschijnlijk dat u een supergeleider bent tegengekomen zonder het zelfs maar te beseffen. Om de sterke magnetische velden te genereren die worden gebruikt bij magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en kernspinresonantiebeeldvorming (NMRI), gebruiken de machines krachtige elektromagneten, zoals weergegeven in Mayo Kliniek. Deze krachtige elektromagneten zullen gewone metalen smelten door de hitte van zelfs een kleine weerstand. Omdat supergeleiders echter geen elektrische weerstand hebben, wordt er geen warmte gegenereerd en kunnen elektromagneten de nodige magnetische velden opwekken.
Soortgelijke supergeleidende elektromagneten worden gebruikt in ferromagnetische treinen, experimentele kernfusiereactoren en laboratoria voor hoogenergetische deeltjesversnellers, en supergeleiders worden gebruikt voor het aandrijven van elektromagnetische geweren en geweren, basisstations voor mobiele telefoons, snelle digitale circuits en deeltjesdetectoren.
Kortom, elke keer dat je een heel sterk magnetisch veld of elektrische stroom nodig hebt en je niet wilt dat je apparaten smelten op het moment dat ze worden ingeschakeld, heb je een supergeleider nodig.
“Een van de meest interessante toepassingen van supergeleiders is voor kwantumcomputers”, zegt Alexei Bezradin, een fysicus van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Vanwege de unieke eigenschappen van elektrische stromen in supergeleiders, kunnen ze worden gebruikt om kwantumcomputers te bouwen.
“Deze computers bestaan uit kwantumbits of qubits. Qubits kunnen, in tegenstelling tot traditionele informatie-eenheden, bestaan in kwantumsuperpositietoestanden van ‘0’ en ‘1’ tegelijkertijd. Supergeleidende apparaten kunnen dit simuleren, vertelde Bezardin aan Live Wetenschap.” De stroom in een supergeleidende lus kan bijvoorbeeld tegelijkertijd met de klok mee en tegen de klok in stromen. Zo’n geval is een voorbeeld van een supergeleidende qubit.”
Wat is het laatste onderzoek naar supergeleiders?
Mehmet Dogan, een postdoctoraal onderzoeker aan de University of California, Berkeley, zei dat de grootste uitdaging voor onderzoekers van vandaag is “materialen te ontwikkelen die supergeleidend zijn bij omgevingsomstandigheden, omdat supergeleiding momenteel alleen bestaat bij zeer lage temperaturen of bij zeer hoge drukken.” De volgende uitdaging is om een theorie te ontwikkelen die uitlegt hoe de nieuwe supergeleiders werken en de eigenschappen van die materialen voorspelt, vertelde Duggan WordsSideKick.com in een e-mail.
Supergeleiders vallen in twee hoofdcategorieën: supergeleiders bij lage temperatuur (LTS), ook bekend als conventionele supergeleiders, en supergeleiders bij hoge temperatuur (HTS), of onconventionele supergeleiders. LTS kan worden beschreven door BCS-theorie om uit te leggen hoe elektronen Cooper-paren vormen, terwijl HTS andere microscopische methoden gebruikt om nulweerstand te bereiken. De oorsprong van HTS is een van de belangrijkste onopgeloste problemen van de moderne natuurkunde.
Het meeste historisch onderzoek naar supergeleiding is in de richting van LTS geweest, omdat de ontdekking en studie van die supergeleiders veel gemakkelijker is, en bijna alle toepassingen van supergeleiding hebben betrekking op LTS.
HTS is daarentegen een actief en opwindend onderzoeksgebied in de moderne tijd. Alles dat als een supergeleider boven 70 K fungeert, wordt over het algemeen als HTS beschouwd. Hoewel dit nog steeds erg koud is, is deze temperatuur wenselijk omdat deze kan worden bereikt door koeling met vloeibare stikstof, wat gebruikelijker en gemakkelijker beschikbaar is dan vloeibaar helium dat nodig is voor koeling tot de lagere temperaturen die nodig zijn voor LTS.
De toekomst van supergeleiders
De “heilige graal” van supergeleideronderzoek is het vinden van een materiaal dat bij kamertemperatuur als supergeleider kan werken. Tot nu toe is de Hoogste supergeleidende temperatuur Het koolstofzwavelhydride onder hoge druk, dat supergeleiding bereikte bij 59 F (15 C, of ongeveer 288 K), werd bereikt, maar vereiste 267 gigapascal druk om dit te doen. Deze druk is gelijk aan de interne druk van reuzenplaneten zoals Jupiter, waardoor het onpraktisch is voor alledaagse toepassingen.
Supergeleiders bij kamertemperatuur zorgen voor elektrische overdracht van energie zonder verlies of verspilling, efficiëntere magnetische treinen en goedkoper en wijdverbreider gebruik van MRI-technologie. De praktische toepassingen van supergeleiders bij kamertemperatuur zijn grenzeloos – natuurkundigen hoeven alleen maar te weten hoe supergeleiders werken bij kamertemperatuur en welk “Goldilocks” -materiaal supergeleiding mogelijk maakt.
