Co to jest nadprzewodnictwo?

Nadprzewodnictwo to fajna część fizyki, która ma zastosowanie w wielu aspektach naszego życia. Gdyby naukowcom udało się odkryć nadprzewodnik temperatury i ciśnienia w pomieszczeniu, zrewolucjonizowałoby to technologię. Niestety okazało się to bardzo trudnym zadaniem i może w ogóle nie być możliwe.

Co to jest nadprzewodnictwo?

Przewodnik elektryczny to materiał, który może przewodzić prąd. Każdy materiał ma swój własny opór elektryczny, który jest miarą jego przeciwstawienia się przepływowi prądu elektrycznego. Materiał o dużej rezystancji jest słabym przewodnikiem i na odwrót.

Nadprzewodnictwo to zjawisko fizyczne, w którym materiał ma zerowy opór elektryczny. W tym stanie istnieje szereg ciekawych i użytecznych efektów. Nadprzewodnik nie mający rezystancji oznacza, że ​​prąd elektryczny może przez niego przepływać, nie tracąc energii ani go nie nagrzewając. Może to pozwolić na doskonale wydajne przesyłanie i magazynowanie energii.

Nadprzewodniki mogą również tworzyć wyjątkowo silne magnesy, czego przykłady można znaleźć w aparatach MRI i akceleratorach cząstek. Eksperymenty wykazały, że prądy elektryczne w tych magnesach mogą utrzymywać się przez lata bez żadnego mierzalnego spadku siły. Badania sugerują, że prąd byłby stabilny przez co najmniej 100 000 lat, a niektóre szacunki przewidują, że byłby w stanie utrzymywać się dłużej niż szacowany czas życia wszechświata.

Umieszczone nad magnesem nadprzewodniki tworzą równe pole magnetyczne, które odpycha magnes. Pozwala to nadprzewodnikom doskonale lewitować nad lub pod magnesem, a nawet wzdłuż toru magnesów.

Wymagania dotyczące nadprzewodnictwa

Materiał zaczyna nadprzewodnictwo dopiero poniżej pewnej temperatury, gdzie jego opór elektryczny nagle spada do zera. Niestety, wszystkie znane nadprzewodniki stają się nadprzewodnikami dopiero w ekstremalnie niskich temperaturach. Nadprzewodnik „wysokotemperaturowy” definiuje się jako materiał, który zachowuje się jak nadprzewodnik powyżej temperatury ciekłego azotu (73K lub -200°C). Dokładna temperatura, w której opór elektryczny materiału spada do zera, nazywana jest „temperaturą krytyczną”.

Wskazówka: Szczególnie zimne elementy fizyki są zazwyczaj mierzone w kelwinach (K). Jeden Kelwin odpowiada jednemu stopniowi Celsjusza, ale skala Kelvina zaczyna się od zera absolutnego, czyli -273,15°C.

Najwyższym odkrytym nadprzewodnikiem od 2020 roku jest Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, którego temperatura krytyczna wynosi 138K lub -135°C przy ciśnieniu jednej atmosfery.

Temperatura nie jest jedynym ważnym czynnikiem nadprzewodnictwa, ciśnienie odgrywa również rolę w wielu nadprzewodnikach. Siarkowodór (H2S) ma temperaturę krytyczną zaledwie 203K (-70°C), a dekawodorek lantanu (LAH10) ma temperaturę krytyczną 250K (-23°C). Niestety, materiały te muszą być pod niewiarygodnie wysokim ciśnieniem, aby stały się nadprzewodnikami, przy czym H2S wymaga ciśnienia 986 923 atmosfer, a LaH10 1 677 770 atmosfer.

Wskazówka: Nacisk na tej skali jest zwykle mierzony w GPa lub Gigapaskalach, przy czym liczby wynoszą odpowiednio 100 GPa i 170 GPa. Aby uczynić tę wartość bardziej zrozumiałą, zamieniono ją na atmosfery. Ciśnienie jednej atmosfery to średnie ciśnienie powietrza na poziomie morza na Ziemi. Dla porównania, ciśnienie w najgłębszym punkcie ziemskich oceanów, Głębi Challengera w rowie Mariana, wynosi 1071 atmosfer na wysokości 10 994 metrów poniżej poziomu morza.

Potencjalne przyszłe zastosowania nadprzewodników w temperaturze pokojowej

Termin „nadprzewodnik w temperaturze pokojowej” jest używany w odniesieniu do potencjalnych przyszłych materiałów, które wykazują nadprzewodnictwo w temperaturach powyżej 273K lub 0°C. Aby stały się szczególnie przydatne w świecie rzeczywistym, materiały te musiałyby być również nadprzewodnikami przy ciśnieniu jednej atmosfery lub w jej pobliżu.

Nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej pomógłby zmniejszyć światowe problemy energetyczne, niemal całkowicie eliminując energię elektryczną traconą podczas przesyłu na duże odległości liniami energetycznymi. Pozwoliłyby również na szybsze komputery i urządzenia do przechowywania pamięci wraz z bardziej czułymi czujnikami naukowymi. O wiele tańsze byłoby uruchamianie super silnych magnesów stosowanych w urządzeniach takich jak akceleratory cząstek, maszyny do rezonansu magnetycznego, prototypowe reaktory syntezy jądrowej i pociągi maglev, ponieważ magnesy nie wymagałyby ciekłego azotu do chłodzenia nadprzewodnika wystarczająco do pracy.