Что такое это удивительное свойство называемое сверхпроводимостю, и почему вы можете услышать об этом больше в ближайшем будущем.
В январе 2019 года ЦЕРН объявил, что завершает разработку планов на создание Будущего циклического коллайдера (FCC) для замены Большого адронного коллайдера длиной почти 100 километров, работающего от магнитов, использующих энергию сверхпроводимости. Способная ускорять частицы до скорости, близкой к скорости света, которые будут разбиты друг о друга, FCC может стать «фабрикой Бозона-Хиггса». Но что же такое сверхпроводники, которые делают их такими мощными? Ответ заключается в невероятном свойстве сверхпроводимости, уникальной характеристике материала, которая, как мы знаем, может революционизировать передачу электроэнергии, транспортировку и физику.
Что такое сверхпроводимость?
Сверхпроводимость явно важна, так что же это? Для начала нам нужно понять, как электрический ток проходит через материал и какую роль играет сопротивление в этом процессе. Чтобы иметь электрический ток, вам нужно иметь отрицательно заряженный материал, материал с относительно положительным зарядом и проводник, который передает электроны от отрицательно заряженного материала к положительно заряженному.
Этот процесс, однако, не идеален. Не каждый материал пропускает эти электроны так же легко, как и следующий, и даже в самых проводящих металлах, таких как медь, этот материал оказывает сопротивление току. Это сопротивление означает, что весь ток не может проходить через материал и что ток теряет часть своей энергии в виде тепла. Эта потеря энергии не обязательно является плохой, поскольку именно эта тепловая энергия дает нам электрическое освещение и другие современные технологии, но, если вы передаете энергию из одной части страны в другую, эта потеря энергии невероятно неэффективна.
Другая проблема заключается в том, что ток со временем ослабевает при прохождении через прочный материал, так как он медленно рассеивается в виде тепловой энергии. Это означает, что существует предел того, насколько далеко может пройти электрический ток, прежде чем он полностью рассеется. Вот что делает сверхпроводимость такой особенной. Сверхпроводимость - это когда материал перестает сопротивляться электрическому току и позволяет ему свободно проходить через него без каких-либо видимых потерь энергии. Чтобы привести материал в сверхпроводящее состояние, материал должен быть заморожен до чрезвычайно низкой температуры, иногда до нескольких градусов выше абсолютного нуля (-459,67 градусов по Фаренгейту, -273,15 градусов по Цельсию). Затем, по причинам, которые мы до сих пор не можем объяснить, электрическое сопротивление внезапно прекращается, и электрический ток может оставаться в цепи, казалось бы, навсегда. Это не единственное экзотическое свойство сверхпроводимости. Многие материалы в сверхпроводящем состоянии могут нейтрализовать магнитное поле, что приводит к «зависанию» магнитов над сверхпроводником.
Как же мы обнаружили что-то вроде сверхпроводника?
Как и многие великие научные открытия, сверхпроводимость была открыта совершенно случайно. 8 апреля 1911 года голландский физик Хейке Камерлинг Оннес из Лейденского университета изучал свойства твердой ртути, когда наткнулся на странное явление. Взяв жидкий гелий и используя его, чтобы понизить температуру твердой ртутной катушки до 4,2 градуса Кельвина (-452,11 градуса по Фаренгейту, -268,95 градуса по Цельсию), Оннес увидел, что электрическое сопротивление внезапно исчезло и что сила электрического тока в катушке не рассеялась. Позже Оннес проверил этот процесс на свинце и обнаружил, что он тоже перестал сопротивляться электрическому току, на этот раз при 7 градусах Кельвина. Он назвал недавно обнаруженное свойство сверхпроводимостью и получил Нобелевскую премию в 1913 году за свою работу.
Следующий большой прорыв произошел в 1933 году, когда немецкие ученые Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что материал в сверхпроводящем состоянии отталкивает магнитное поле. Магнит, проходящий через проводник, будет генерировать электрический ток, что делает возможным создание электрических генераторов. В сверхпроводнике ток, который создает магнит, точно отражает поле, создаваемое магнитом, которое отталкивает магнит. Это приводит к зависанию магнита в воздухе, которое сегодня известно, как эффект Мейснера. Ученые продолжают делать открытия в течение следующих нескольких десятилетий, но следующий важный шаг в области сверхпроводимости наступил, когда Алекс Мюллер и Георг Беднорц из исследовательской лаборатории IBM в Рюшликоне, Швейцария, создали керамический материал, который был сверхпроводящим при 30 градусах Кельвина. Это вызвало всплеск активности, поскольку ученые не рассматривали керамику как сверхпроводящий материал - керамика обычно является изолятором - что в итоге привело к тому, что исследовательская группа из Университета Алабама-Хантсвилл разработала керамику, которая была бы сверхпроводящей при 92 градусах Кельвина ( -294 градусов по Фаренгейту, -181.15 градусов по Цельсию), теплее, чем жидкий азот, который широко доступен.
Как используются сверхпроводники?
Мы все еще изучаем практическое применение сверхпроводников, но они уже используются в мире. Помимо конкретных промышленных применений, наиболее широко используемым применением сверхпроводников является аппарат МРТ, обычно используемый в больницах. Только сверхпроводящая система может обеспечить экономию энергии, необходимой для генерации магнитного поля, которое приводит в действие МРТ, которое может быть от 2500 до 10000 раз больше напряженности магнитного поля Земли. Помимо аппарата МРТ, наиболее широко известное использование сверхпроводящих материалов - в ускорителях частиц, таких как те, которые используются в Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе или в его предлагаемом Будущем циклическом коллайдере. Если МРТ звучит мощно, LHC - абсолютный зверь. Отправка триллионов частиц вокруг 27 км туннелей на скоростях, близких к скорости света, поддержание стабильности пучка частиц и движение по точному пути требует магнитного поля огромной мощности, более чем в 100 000 раз превышающего магнитное поле Земли. Это требует огромного количества энергии, которую могут обеспечить сверхпроводящие катушки.
Будущее сверхпроводимости
Мы многое не знаем о сверхпроводящих материалах, и каждый день мы разрабатываем новые применения для сверхпроводников. Надежда состоит в том, чтобы когда-нибудь использовать сверхпроводимость при передаче энергии, что резко снизило бы расходы на электроэнергию во всем мире. Поезда на магнитной подушке, которые используют сверхпроводимость, чтобы вагон парил над рельсом, тем самым устраняя трение, которое может замедлить поезд, могут стать будущим транспорта.
Кто знает? Возможно, однажды у нас будет электроника, которая будет использовать сверхпроводники, чтобы дать нам смартфоны, которые нужно заряжать только один раз в месяц или еще что-то.
Можно только догадываться, но с быстрым развитием нашей технологии мы все, скорее всего, увидим сверхпроводимость в нашей жизни как обычную функцию рано или поздно.
