Opredelitev, vrste in uporaba superprevodnika

Model tunela velikega hadronskega trkalnika (LHC) je viden v centru za obiskovalce CERN (Evropska organizacija za jedrske raziskave). Johannes Simon/Getty Images

Superprevodnik je element ali kovinska zlitina, pri kateri material dramatično izgubi vso električno upornost, ko se ohladi pod določeno mejno temperaturo. Načeloma lahko superprevodniki dovolijo električni tok da teče brez izgube energije (čeprav je v praksi idealen superprevodnik zelo težko izdelati). To vrsto toka imenujemo supertok.

Temperatura praga, pod katero material preide v stanje superprevodnika, je označena kot T_c , kar pomeni kritično temperaturo. Vsi materiali se ne spremenijo v superprevodnike in materiali, ki se spremenijo, imajo vsak svojo vrednost T_c .

Vrste superprevodnikov

• Superprevodniki tipa I delujejo kot prevodniki pri sobni temperaturi, ko pa se ohladijo pod T_c , se molekularno gibanje znotraj materiala dovolj zmanjša, da se tok lahko premika neovirano.
• Superprevodniki tipa 2 niso posebno dobri prevodniki pri sobni temperaturi, prehod v stanje superprevodnika je bolj postopen kot pri superprevodnikih tipa 1. Mehanizem in fizična osnova za to spremembo stanja trenutno nista popolnoma razumljena. Superprevodniki tipa 2 so običajno kovinske spojine in zlitine.

Odkritje superprevodnika

Superprevodnost je prvič odkril leta 1911, ko je nizozemski fizik Heike Kamerlingh Onnes ohladil živo srebro na približno 4 stopinje Kelvina, kar mu je leta 1913 prineslo Nobelovo nagrado za fiziko. V letih od takrat se je to področje močno razširilo in odkrili so številne druge oblike superprevodnikov, vključno s superprevodniki tipa 2 v tridesetih letih prejšnjega stoletja.

Osnovna teorija superprevodnosti, teorija BCS, je znanstvenikom – Johnu Bardeenu, Leonu Cooperju in Johnu Schriefferju – leta 1972 prinesla Nobelovo nagrado za fiziko. Del Nobelove nagrade za fiziko leta 1973 je prejel Brian Josephson, prav tako za delo s superprevodnostjo.

Januarja 1986 sta Karl Muller in Johannes Bednorz prišla do odkritja, ki je spremenilo pogled znanstvenikov na superprevodnike. Pred to točko je veljalo, da se superprevodnost pokaže le, ko se ohladi na blizu absolutna ničla , vendar so z uporabo oksida barija, lantana in bakra ugotovili, da je postal superprevodnik pri približno 40 stopinjah Kelvina. To je sprožilo tekmo za odkrivanje materialov, ki so delovali kot superprevodniki pri veliko višjih temperaturah.

V naslednjih desetletjih so bile najvišje dosežene temperature približno 133 stopinj Kelvina (čeprav bi lahko dosegli do 164 stopinj Kelvina, če bi uporabili visok pritisk). Avgusta 2015 je članek, objavljen v reviji Nature, poročal o odkritju superprevodnosti pri temperaturi 203 stopinje Kelvina pod visokim pritiskom.

Uporaba superprevodnikov

Superprevodniki se uporabljajo v različnih aplikacijah, predvsem pa v strukturi velikega hadronskega trkalnika. Predori, ki vsebujejo žarke nabitih delcev, so obdani s cevmi, v katerih so močni superprevodniki. Supertokovi, ki tečejo skozi superprevodnike, ustvarjajo močno magnetno polje, skozi elektromagnetna indukcija , ki se lahko uporablja za pospeševanje in usmerjanje ekipe po želji.

Poleg tega superprevodniki kažejo Meissnerjev učinek pri katerem izničijo ves magnetni tok znotraj materiala in postanejo popolnoma diamagnetni (odkrito leta 1933). V tem primeru magnetne silnice dejansko potujejo okoli ohlajenega superprevodnika. Ta lastnost superprevodnikov se pogosto uporablja v eksperimentih z magnetno levitacijo, kot je kvantno zaklepanje, ki ga vidimo pri kvantni levitaciji. Z drugimi besedami, če Nazaj v prihodnosti hoverboardi v slogu postanejo resničnost. V manj vsakdanji uporabi imajo superprevodniki vlogo pri sodobnem napredku v magnetni levitacijski vlaki , ki zagotavlja močno možnost za hitri javni prevoz, ki temelji na električni energiji (ki se lahko proizvede iz obnovljivih virov energije) v nasprotju s trenutnimi možnostmi, ki niso obnovljive, kot so letala, avtomobili in vlaki na premog.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.