Сверхпроводник представляет собой элемент или металлический сплав, который при охлаждении ниже определенной пороговой температуры материал резко теряет все электрическое сопротивление. В принципе, сверхпроводники могут электрический ток течь без каких-либо потерь энергии (хотя на практике идеальный сверхпроводник очень трудно произвести). Этот тип тока называется сверхтоком.
Пороговая температура, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, обозначается как Tс, что означает критическую температуру. Не все материалы превращаются в сверхпроводники, и материалы, каждый из которых имеет свою ценность Tс.
Типы сверхпроводников
- Тип I сверхпроводники действуют как проводники при комнатной температуре, но при охлаждении ниже Tсмолекулярное движение внутри материала настолько уменьшается, что поток тока может двигаться беспрепятственно.
- Сверхпроводники типа 2 не являются особенно хорошими проводниками при комнатной температуре, переход в состояние сверхпроводника более постепенный, чем у сверхпроводников типа 1. Механизм и физическая основа для этого изменения в состоянии, в настоящее время, полностью не поняты. Сверхпроводники типа 2 обычно представляют собой металлические соединения и сплавы.
Открытие сверхпроводника
Сверхпроводимость была впервые обнаружена в 1911 году, когда ртуть была охлаждена примерно до 4 градусов Кельвина голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом, которая принесла ему Нобелевскую премию по физике 1913 года. За прошедшие годы это поле значительно расширилось, и было открыто много других видов сверхпроводников, включая сверхпроводники 2-го типа в 1930-х годах.
Базовая теория сверхпроводимости, теория BCS, заслужила ученых - Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера - Нобелевской премией 1972 года по физике. Часть Нобелевской премии 1973 года по физике досталась Брайану Джозефсону также за работу со сверхпроводимостью.
В январе 1986 года Карл Мюллер и Йоханнес Беднорц сделали открытие, которое произвело революцию в том, как ученые думают о сверхпроводниках. До этого момента было понимание, что сверхпроводимость проявляется только при охлаждении до полный нольНо, используя оксид бария, лантана и меди, они обнаружили, что он стал сверхпроводником примерно при 40 градусах Кельвина. Это положило начало гонке за открытием материалов, которые функционировали как сверхпроводники при гораздо более высоких температурах.
За прошедшие десятилетия самые высокие температуры, которые были достигнуты, составляли около 133 градусов Кельвина (хотя вы могли получить до 164 градусов Кельвина, если бы вы приложили высокое давление). В августе 2015 года в статье, опубликованной в журнале Nature, сообщалось об обнаружении сверхпроводимости при температуре 203 градуса Кельвина при высоком давлении.
Применение сверхпроводников
Сверхпроводники используются во множестве приложений, но наиболее заметно в структуре Большого адронного коллайдера. Туннели, содержащие пучки заряженных частиц, окружены трубками, содержащими мощные сверхпроводники. Сверхтоки, протекающие через сверхпроводники, создают сильное магнитное поле электромагнитная индукция, что может быть использовано для ускорения и направления команды по желанию.
Кроме того, сверхпроводники демонстрируют Эффект Мейснера в котором они подавляют весь магнитный поток внутри материала, становясь совершенно диамагнитным (обнаружен в 1933 году). В этом случае линии магнитного поля фактически перемещаются вокруг охлаждаемого сверхпроводника. Именно это свойство сверхпроводников часто используется в экспериментах с магнитной левитацией, таких как квантовая блокировка, наблюдаемая в квантовой левитации. Другими словами, если Назад в будущее Стиль ховербордов стал реальностью. В менее приземленном приложении сверхпроводники играют роль в современных достижениях поезда с магнитной левитацией, которые предоставляют мощную возможность для высокоскоростного общественного транспорта, который основан на электричестве (который может быть генерируется с использованием возобновляемой энергии) в отличие от невозобновляемых текущих опций, таких как самолеты, автомобили и уголь поезда.
Под редакцией Энн Мари Хельменстин, доктор философии