Aukštos temperatūros superlaidumas

Iš pradžių superlaidininkai buvo naudojami labai ribotai, nes jų darbinė temperatūra neturėtų viršyti 20 K (-253 ° C). Pavyzdžiui, skystojo helio temperatūra 4,2 K (-268,8 ° C) yra gerai tinkama superlaidininkui dirbti, tačiau norint atvėsti ir palaikyti tokią žemą temperatūrą reikia daug energijos, o tai techniškai yra labai problemiška.

Aukštos temperatūros superlaidininkai, kuriuos 1986 m. Atrado Karlas Mülleris ir Georgas Bednoretsas, kritinę temperatūrą rodė kur kas aukštesnę, o skysčio azoto temperatūra esant 75 K (-198 ° C) tokiems laidininkams yra visiškai pakankama veikimui. Be to, azotas yra daug pigesnis nei helis kaip šaltnešis.

1987 m. Buvo atrastas lantano, stroncio, vario ir deguonies (La - Sr - Cu - O) jungčių "laidumas beveik iki nulio", esant 36 K (-237 ° C) temperatūrai. Pirmą kartą itrio, bario, vario ir deguonies (Y-Ba-Cu-O) junginių savybė, kad jie turi superlaidžių savybių, buvo nustatyta 77,4 K (-195,6 ° C) temperatūroje virš skysto azoto virimo temperatūros.

2003 m. Buvo atrastas keramikinis junginys Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), kurio kritinė temperatūra yra 138 K (-135 ° C) ir pasiekia 166 K (-107 ° C) esant 400 kbar slėgiui; ir 2015 m. buvo nustatytas naujas vandenilio sulfido (H2S), kuris tapo superlaidininku esant 100 GPa slėgiui, esant ne aukštesnei kaip 203 K (-70 ° C), rekordas.

Superlaidumas kaip fizinis reiškinys, pirmiausia mikroskopiniu lygiu, buvo paaiškintas amerikiečių fizikų Johno Bardino, Leono Cooperio ir Johno Shrifferio darbe 1957 m. Jų teorija rėmėsi vadinamųjų Cooperio elektronų porų samprata, o pati teorija buvo vadinama BCS teorija pagal pirmąsias jos autorių vardų raides ir iki šių dienų vyrauja ši makroskopinė superlaidininkų teorija.

Remiantis šia teorija, Cooperio porų elektronų būsenos koreliuoja su priešingais sukimais ir momentais. Tuo pat metu teorijoje buvo naudojamos vadinamosios Nikolajaus Bogolyubovo transformacijos, kurios parodė, kad superlaidumas gali būti laikomas elektronų dujų superfluidumo procesu.

Netoli Fermi paviršiaus elektronai gali būti efektyviai pritraukti, sąveikaudami vienas su kitu per fononus, ir pritraukiami tik tie elektronai, kurių energija nuo elektronų energijos Fermi paviršiuje skiriasi ne daugiau kaip hVd (čia Vd yra Debye dažnis), o likusieji elektronai nesąveikauja.

Sąveikaujantys elektronai ir sujungti į Cooperio poras. Šios poros pasižymi kai kuriomis savybėmis, būdingomis bozonams, ir aušindami bozonai gali pereiti į vieną kvantinę būseną. Taigi dėl šios savybės poros gali judėti nesusidurdamos nei su grotelėmis, nei su kitais elektronais, tai yra, Cooperio poros juda be energijos nuostolių.

Praktiškai aukštos temperatūros superlaidininkai užtikrina be nuostolių perduodamą energiją, todėl jų įvedimas ir naudojimas ateityje yra naudingas ir efektyvus. Maitinimo kabeliai, transformatoriai, elektrinės mašinos, indukcinis energijos kaupimas su neribotu galiojimo laiku, srovės ribotuvai ir kt. - Aukštos temperatūros superlaidininkai yra naudojami visur elektrotechnikoje.

Mažės matmenys, mažės nuostoliai, padidės visos elektros energijos gamybos, perdavimo ir paskirstymo efektyvumas. Transformatoriai bus mažesnis svoris ir labai maži nuostoliai, palyginti su transformatoriais su įprastomis apvijomis. Superlaidūs transformatoriai bus ekologiški, jų nereikės aušinti, o perkrovos atveju srovė bus ribota.

Superlaidūs srovės ribotuvai yra mažiau inerciniai. Įjungus energijos kaupimo įrenginius ir superlaidžius generatorius elektros tinkluose, padidės jų stabilumas. Didmiesčių maitinimas bus vykdomas superlaidžiais požeminiais kabeliais, kurie gali praleisti iki 5 kartų didesnę srovę, o tokių kabelių klojimas žymiai sutaupys miesto teritorijas, nes, palyginti su šiais laikais, kabeliai bus kompaktiškesni.

Skaičiavimai rodo, kad, pavyzdžiui, pastatyti 1 GW galios elektros liniją esant 154 kV įtampai, jei bus naudojami superlaidūs kabeliai, kainuos 38% pigiau nei tuo atveju, jei ji būtų įgyvendinta naudojant standartinę technologiją. Ir tai yra atsižvelgiant į dizainą ir montavimą, nes reikiamų sriegių yra mažiau, atitinkamai, bendras kabelių skaičius yra mažesnis, o vamzdžių vidinis skersmuo taip pat yra mažesnis.

Pažymėtina, kad didelę galią gali perduoti superlaidus kabelis net esant žemai įtampai, sumažinant elektromagnetinė tarša, ir tai pasakytina apie tankiai apgyvendintas vietoves, kuriose tiek ekologų, tiek visuomenės susirūpinimas kelia aukštos įtampos linijų klojimą.

Taip pat žadamas aukštų temperatūrų superlaidininkų įvedimas į alternatyviosios energijos sritį, kur pelningumas anaiptol nėra antrinis faktorius, o superlaidininkų panaudojimas čia padidins naujų šaltinių efektyvumą. Be to, ateinančius 20 metų pasaulyje yra stabili tendencija sparčiai vystytis.