Список сверхпроводников и принцип их работы

Введение

Сверхпроводимость - удивительное явление в физике, когда некоторые материалы при охлаждении ниже критической температуры демонстрируют нулевое электрическое сопротивление и изгнание магнитных полей. Это делает их незаменимыми в различных областях применения, включая медицинскую визуализацию, хранение энергии и транспорт. Давайте обсудим, как работают сверхпроводники, на примере десяти сверхпроводящих материалов.

Как работают сверхпроводники

Сверхпроводимость возникает, когда электроны материала объединяются в пары, образуя так называемые пары Купера. Эти пары перемещаются по материалу без рассеяния, что и вызывает электрическое сопротивление. В обычных проводниках, таких как медь или алюминий, электроны испытывают сопротивление при столкновении с атомами, что приводит к потере энергии. Однако в сверхпроводниках, как только материал охлаждается ниже критической температуры, возникает явление протекания тока без сопротивления, что позволяет энергии двигаться без потерь.

На квантовом уровне сверхпроводимость объясняется теорией БКС (Бардина, Купера и Шриффера). Эта теория описывает, как взаимодействие между электронами и колебаниями в кристаллической решетке приводит к образованию куперовских пар. Эти пары движутся коллективно, без рассеяния, что делает материал способным проводить электричество без рассеивания энергии.

Свойства сверхпроводников

Сверхпроводники обладают уникальным набором свойств, которые отличают их от других материалов:

Рисунок 1 Критическая температура сверхпроводников[1]

• Нулевое электрическое сопротивление: Наиболее важным свойством сверхпроводников является то, что они позволяют электричеству течь без какого-либо сопротивления, что исключает потерю энергии при передаче.
• Эффект Мейсснера: Сверхпроводники демонстрируют эффект Мейсснера, при котором они изгоняют магнитные поля из своих внутренностей при переходе в сверхпроводящее состояние. Это явление позволяет использовать их в таких приложениях, как магнитная левитация.
• Критическая температура (Tc): Каждый сверхпроводник имеет определенную критическую температуру, ниже которой он проявляет сверхпроводимость. Эта температура зависит от материала. Например, у некоторых высокотемпературных сверхпроводников критическая температура выше точки кипения жидкого азота (-196°C).
• Квантовая левитация: Сверхпроводники могут левитировать над магнитами благодаря взаимодействию между магнитным полем, создаваемым сверхпроводником, и полем, создаваемым магнитом. Этот принцип используется в таких технологиях, как поезда маглев.
• Высокая способность переносить ток: Сверхпроводники могут проводить гораздо больший электрический ток, чем обычные проводники, что делает их идеальными для использования в высокоэнергетических приложениях, таких как ускорители частиц.

10 примеров сверхпроводников

[2]

1. Ниобий (Nb) Ниобий является одним из наиболее часто используемых сверхпроводников благодаря своей относительно высокой критической температуре 9,25 К и простоте применения в практических приложениях, таких как аппараты МРТ и ускорители частиц.
2. Оксид иттрий-барий-медь (YBCO) YBCO - это высокотемпературный сверхпроводник с критической температурой около 93 К, что делает его идеальным для применения в энергетике, включая силовые кабели и магнитные экраны.
3. Диборид магния (MgB2) Диборид магния с критической температурой 39 К - относительно недорогой сверхпроводник. Он находит применение в электронике, накопителях энергии и магнитно-резонансной томографии.
4. Свинец (Pb) Свинец был одним из первых материалов, в которых была обнаружена сверхпроводимость. Его критическая температура составляет 7,2 К, и он используется в различных научных экспериментах и приложениях, требующих низких температур.
5. Оксид меди висмут-стронций-кальций (BSCCO) BSCCO - еще один высокотемпературный сверхпроводник, критическая температура которого составляет около 108 К. Он используется в силовых кабелях, магнитах и других электрических устройствах.
6. Сверхпроводники на основе железа Сверхпроводники на основе железа - относительно новый класс, открытый в 2008 году, - известны своими высокими критическими температурами и потенциалом для применения в электронике и энергетике.
7. Вольфрам (W) Вольфрам - материал с высокой плотностью, проявляющий сверхпроводимость при очень низких температурах, что делает его полезным в некоторых нишевых приложениях, включая высокопольные магниты.
8. Ванадий-галлий (V3Ga) Ванадий-галлий - сверхпроводник с относительно высокой критической температурой 13,8 К. Он используется в приложениях, требующих одновременно сверхпроводимости и высоких магнитных полей.
9. Оксид меди (CuO) Оксид меди - пример высокотемпературного сверхпроводника, работающего при температуре выше 77 К, то есть при температуре жидкого азота. Он используется в современных электрических и электронных устройствах.
10. Оксид меди лантан-стронций (LSCO) LSCO относится к классу высокотемпературных сверхпроводников и находит применение в научных исследованиях и электронике, включая устройства, требующие низких потерь энергии.

Список сверхпроводников

Здесь приведена сводная таблица с наиболее распространенными примерами сверхпроводников. Более подробную информацию и примеры можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

[3]

Заключение

Обладая нулевым электрическим сопротивлением и уникальными магнитными свойствами, сверхпроводники совершают революцию в самых разных областях - от медицинской визуализации до транспорта. По мере продолжения исследований, вероятно, будут открыты новые материалы с более высокими критическими температурами, что откроет еще больше возможностей для их применения.

Ссылки:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). Криогеника для ускорителей и детекторов частиц.

[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei. (2021). Сверхпроводящие материалы: Вызовы и возможности для крупномасштабных применений. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] Список сверхпроводников. (2024, 16 августа). В Википедии. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors