Definicja, typy i zastosowania nadprzewodników

Model tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) można obejrzeć w centrum dla zwiedzających CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych). Johannes Simon/Getty Images

Nadprzewodnik to pierwiastek lub stop metaliczny, który po schłodzeniu poniżej pewnej temperatury progowej dramatycznie traci opór elektryczny. W zasadzie nadprzewodniki mogą umożliwiać: prąd elektryczny płynąć bez strat energii (chociaż w praktyce bardzo trudno jest wyprodukować idealny nadprzewodnik). Ten rodzaj prądu nazywany jest superprądem.

Temperatura progowa, poniżej której materiał przechodzi w stan nadprzewodnikowy, oznaczana jest jako T_c , co oznacza temperaturę krytyczną. Nie wszystkie materiały zamieniają się w nadprzewodniki, a każdy z nich ma swoją wartość T_c .

Rodzaje nadprzewodników

• Nadprzewodniki typu I działają jako przewodniki w temperaturze pokojowej, ale po schłodzeniu poniżej T_c , ruch molekularny w materiale zmniejsza się na tyle, że przepływ prądu może poruszać się bez przeszkód.
• Nadprzewodniki typu 2 nie są szczególnie dobrymi przewodnikami w temperaturze pokojowej, przejście do stanu nadprzewodnika jest bardziej stopniowe niż nadprzewodniki typu 1. Mechanizm i fizyczna podstawa tej zmiany stanu nie jest obecnie w pełni poznana. Nadprzewodniki typu 2 to zazwyczaj związki i stopy metali.

Odkrycie nadprzewodnika

Nadprzewodnictwo zostało po raz pierwszy odkryte w 1911 r., kiedy rtęć została schłodzona do około 4 stopni Kelvina przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingh Onnes, za co w 1913 r. otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki. Od tamtej pory dziedzina ta znacznie się rozszerzyła i odkryto wiele innych form nadprzewodników, w tym nadprzewodniki typu 2 w latach 30. XX wieku.

Podstawowa teoria nadprzewodnictwa, teoria BCS, przyniosła naukowcom — Johnowi Bardeenowi, Leonowi Cooperowi i Johnowi Schriefferowi — Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1972 roku. Część Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1973 r. trafiła do Briana Josephsona, również za pracę z nadprzewodnictwem.

W styczniu 1986 roku Karl Muller i Johannes Bednorz dokonali odkrycia, które zrewolucjonizowało sposób myślenia naukowców o nadprzewodnikach. Przed tym punktem rozumiano, że nadprzewodnictwo objawia się tylko po schłodzeniu do bliskiej temperatury zero absolutne , ale używając tlenku baru, lantanu i miedzi, odkryli, że stał się nadprzewodnikiem w temperaturze około 40 stopni Kelvina. Zainicjowało to wyścig w celu odkrycia materiałów, które działają jako nadprzewodniki w znacznie wyższych temperaturach.

W ciągu następnych dziesięcioleci najwyższe temperatury, jakie osiągnięto, wynosiły około 133 stopnie Kelvina (chociaż można było osiągnąć nawet 164 stopnie Kelvina, jeśli zastosuje się wysokie ciśnienie). W sierpniu 2015 r. artykuł opublikowany w czasopiśmie Nature donosił o odkryciu nadprzewodnictwa w temperaturze 203 stopni Kelvina pod wysokim ciśnieniem.

Zastosowania nadprzewodników

Nadprzewodniki są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, ale przede wszystkim w strukturze Wielkiego Zderzacza Hadronów. Tunele zawierające wiązki naładowanych cząstek są otoczone rurkami zawierającymi potężne nadprzewodniki. Nadprądy, które przepływają przez nadprzewodniki, generują intensywne pole magnetyczne, poprzez Indukcja elektromagnetyczna , które można wykorzystać do przyspieszenia i kierowania zespołem zgodnie z potrzebami.

Ponadto nadprzewodniki wykazują efekt Meissnera w którym anulują cały strumień magnetyczny wewnątrz materiału, stając się doskonale diamagnetycznymi (odkryte w 1933 r.). W tym przypadku linie pola magnetycznego faktycznie poruszają się wokół schłodzonego nadprzewodnika. To właśnie ta właściwość nadprzewodników jest często wykorzystywana w eksperymentach z lewitacją magnetyczną, takich jak blokowanie kwantowe widoczne w lewitacji kwantowej. Innymi słowy, jeśli Powrót do przyszłości hoverboardy w stylu kiedykolwiek stały się rzeczywistością. W mniej prozaicznych zastosowaniach nadprzewodniki odgrywają rolę we współczesnych postępach w pociągi lewitacji magnetycznej , które zapewniają potężną możliwość szybkiego transportu publicznego opartego na energii elektrycznej (którą można wytworzyć przy użyciu energii odnawialnej) w przeciwieństwie do obecnych nieodnawialnych opcji, takich jak samoloty, samochody i pociągi zasilane węglem.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine