Die physikalischen Prinzipien und Möglichkeiten der Verwendung von Supraleitung (einschließlich der bereits implementierten) werden in der Literatur und im Internet ausführlich beschrieben. Daher beschränken wir uns hier nur auf einen kurzen Ausflug in die Essenz dieses Phänomens und die Möglichkeiten seiner Anwendung und gehen dann zu den interessantesten über: welche (Durchbruch-) Entdeckungen in supraleitende Regionen wurden im vergangenen Jahr buchstäblich fertiggestellt.
Ausführliche und beliebte Informationen zur Supraleitung finden Sie in dem Buch von Vitaly Ginzburg und Evgeny Andryushin, das auf der Website "Elements" veröffentlicht wurde. Eine populärere Darstellung der historischen und praktischen Aspekte der Supraleitung findet sich in einem sehr interessanten Material über Habré im Toshiba-Blog. Ein Artikel vom 29. Juli 2019, seine Indikatoren:
Daher können die meisten Substanzen Leitern oder Dielektrika zugeordnet werden. Elektrischer Strom ist eine Folge von Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit durch ein Material (hauptsächlich leitende Feststoffe oder Flüssigkeiten) von einer Quelle zu einem Empfänger dringen. Jede Substanz hat einen gewissen Resistenzindex. Der Widerstand beruht auf der Bewegung von Atomen in einer Substanz, und diese Atome fangen einen Teil der Elektronen aus dem Fluss ein, da sie die ganze Zeit schwingen und von der Grundposition abweichen. Je höher die Temperatur, desto ausgeprägter ist dieses Phänomen. Wenn jedoch der supraleitende Zustand erreicht ist, stoppt jede Bewegung von Atomen in der Substanz und Elektronen dringen ungehindert durch sie. Offensichtlich sollte dieser Zustand bei sehr niedrigen Temperaturen auftreten, und deshalb entdeckte Kamerling-Oness ihn bei Temperaturen für Quecksilber, Blei und Zinnnahe dem absoluten Nullpunkt, der 0 K oder -273,16 ° C beträgt. Ein beliebig schwacher elektrischer Strom kann in einer supraleitenden Substanz unbegrenzt bestehen bleiben. Bereits 1933 (Kamerling-Oness starb 1926) entdeckten Walter Meissner und Robert Ochsenfeld eine ebenso auffällige Eigenschaft der Supraleitung: Es stellte sich heraus, dass die supraleitende Substanz ihr eigenes Magnetfeld vollständig ausstößt. Und dies öffnet den Weg für solche futuristischen (damaligen) Dinge wie Magnetresonanztomographie unddass die supraleitende Substanz ihr eigenes Magnetfeld vollständig herausdrückt. Und dies öffnet den Weg für solche futuristischen (damaligen) Dinge wie Magnetresonanztomographie unddass die supraleitende Substanz ihr eigenes Magnetfeld vollständig herausdrückt. Und dies öffnet den Weg für solche futuristischen (damaligen) Dinge wie Magnetresonanztomographie und Magnetschwebebahn sowie die Schaffung von Kernreaktoren .
Hier stellen wir fest, dass Kamerling-Oness mit Schwermetallen experimentierte und auch die erste Legierung entdeckte, die in einen Zustand der Supraleitung übergeht und aus Quecksilber, Gold und Blei besteht. Dementsprechend ist die Suche nach Substanzen, die bei möglichst hoher Temperatur supraleitende Eigenschaften annehmen, zur Hauptaufgabe auf dem Weg zur praktischen Anwendung der Supraleitung geworden.
Metall, supraleitende Übergangstemperatur und Entdeckungsjahr. Quelle der Illustration
Die wissenschaftliche Suche auf dem Gebiet der Hochtemperatursupraleiter hat sich also allmählich von Schwermetallen zu Übergangsmetallen, Legierungen, intermetallischen Verbindungen und Nichtmetallen verlagert. Als besonders vielversprechend erwiesen sich Kupferverbindungen (Cuprate) und Verbindungen unter Beteiligung von Selten- und Seltenerdmetallen (Samarium, Yttrium).
Quelle (Oktober 2019)
Wie aus dieser Grafik hervorgeht, ist horizontal das Jahr der Entdeckung supraleitender Eigenschaften in einer Substanz und vertikal die Temperatur des Übergangs in den supraleitenden Zustand. Metalle, Metallverbindungen mit Halbmetallen und Nichtmetallen sind blau gekennzeichnet. In dieser Kategorie sollte auf Niob (Nb) geachtet werden, dessen Verbindungen es erstmals ermöglichten, die Supraleitungsschwelle auf 20 K anzuheben. Cuprate sind rot angegeben, von denen das bekannteste möglicherweise YBaCuO (Yttrium, Barium, Kupfer, Sauerstoff) ist - die erste Verbindung Erzielen supraleitender Eigenschaften oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff.
Verbindungen von Lanthaniden (Lanthan La und Samarium Sm) mit Eisen (Fe) und Elementen der Stickstoffgruppe (P, As) sind grün dargestellt - was auch logisch ist, da die Supraleitung von Niobnitrid bereits 1940 untersucht wurde.
YBaCuO ist im Kontext dieses Artikels so wichtig, dass nun ein Bild seiner Kristallstruktur sowie eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur gegeben werden.
Die Kristallstruktur von YBa 2 Cu 3 O 7 −δ für (A) δ = 0 (YBa 2 Cu 3 O 7 ), in der alle Sauerstoffpositionen in den Basisebenen entlang der b-Achse besetzt sind, und für (B) δ = 1 (YBa 2) Cu 3 O 6) wenn nicht alle diese Positionen besetzt sind. Ein mittlerer Füllgrad mit Sauerstoff wird erreicht, wenn eine solche Probe in einer Sauerstoffatmosphäre abgeschreckt wird. Die Kristallstruktur ist für δ ≥ 0,6 viereckig und für δ <0,6 orthorhombisch.
Die Kristallstruktur der YBCO-Struktur ist eine komplizierte Variation des in Abbildung 4 gezeigten Perowskits. Wie aus der Abbildung hervorgeht, besteht die Einheitszelle aus dem YBCO-Würfel YCuO 3 zu den benachbarten oberen und unteren Würfeln BaCuO 3Gleichzeitig bleiben jedoch einige Sauerstoffpositionen leer. Sauerstoffpositionen, die sich in derselben horizontalen Ebene wie das Yttriumatom befinden, werden niemals gefüllt, wodurch die vorhandenen Sauerstoffatome leicht in Richtung des Yttriumatoms verschoben werden. Die orthorhombische Phase von YBa 2 Cu 3 O 7-δ hat die folgenden Gitterparameter: a = 0,382 nm, b = 0,388 nm und c = 1,168 nm, wenn der δ-Wert sehr klein ist. Der Sauerstoffgehalt in YBCO bestimmt seine Kristallstruktur und die Häufigkeit von Löchern in den CuO2-Ebenen. Bei δ = 1 ist die Verbindung (YBa 2 Cu 3 O 6) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc 92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 Tc , , CuO2 .Die Bildung der viereckigen Phase wird bei Temperaturen im Bereich von 700–900 ° C beobachtet, und die orthorhombische Phase entsteht, wenn die viereckige Phase in einer Sauerstoffatmosphäre langsam auf eine Temperatur von etwa 550 ° C abgekühlt wird. Während des Übergangs von der viereckigen zur orthorhombischen Phase werden viele verschiedene Zwillingsdomänen gebildet, da die Spannung von der Substanz entfernt wird. In der viereckigen Phase nehmen Sauerstoffatome zufällig etwa die Hälfte der ihnen in den Basisebenen zugewiesenen Stellen ein, während derer sie sich in b-Richtung zu Cu-O-Ketten ausrichten, die in der orthorhombischen Phase entstehen. Aus diesem Grund werden in der orthorhombischen Phase Positionen für Sauerstoffatome in a-Richtung geräumt, was anschließend zu einer leichten Kompression der Elementarzelle führt, so dass a <b. Der Beitrag zur Supraleitung erfolgt in Ebenen CuO 2 und CuO-Ketten in der orthorhombischen Phase vorhanden.
Der wichtigste Teil der vorherigen Passage ist fett gedruckt. In der Tat hängen Supraleitung und Magnetfeldabstoßung nicht nur und weniger mit der Temperatur des Materials als vielmehr mit der Atomstruktur seines Gitters zusammen. YBCO kann ebenso wie ein Supraleiter und ein Isolator sein; Seine Eigenschaften hängen von den Positionen der Sauerstoffatome im Kristallgitter ab.
Ähnliche Phänomene ermöglichen es, eine Supraleitung in flachen Graphenschichten zu erreichen, die so nahe wie möglich beieinander liegen. Wenn Sie eine Graphenschicht relativ zur anderen um den sogenannten " magischen Winkel " drehen "(Ungefähr 1,1 Grad) Supraleitung erscheint; bei sehr niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von –269 ° C. Weitere Einzelheiten zu den supraleitenden Eigenschaften von Graphen sind im Material " Supraleiter aus flachem Graphen" beschrieben. Untersuchung flacher Zonen "auf Habré.
Ein vielversprechender Weg zur Suche nach supraleitenden Substanzen führt daher zu Untersuchungen exotischer Verbindungen von Metallen mit Nichtmetallen. Sobald sie überzeugt waren, gehen Metallhydride bei noch höheren Temperaturen als Nitride in einen supraleitenden Zustand über. Gleichzeitig stellen wir fest, dass es möglich ist, die Temperatur eines solchen Übergangs nicht nur durch eine ausgeklügelte Auswahl von Gelenken zu erhöhen, sondern auch durch Erhöhen des Drucks.
Bis etwa 2015 dominierten Cuprate zweifellos die Führung von Hochtemperatursupraleitern, und HgBa 2 CuO 4 + δ (Quecksilber-Barium-Kupfer-Sauerstoff), das 1993 synthetisiert wurde, war der absolute Rekordhalter, der bei einer Temperatur von 164 K oder - in einen supraleitenden Zustand überging 109 ° C. Im Jahr 2015 wurde jedoch festgestellt, dass Schwefelwasserstoff H 2 S bei einer Temperatur von 203 K (nur -70 ° C) in einen supraleitenden Zustand übergeht . Ein solcher Übergang erfordert jedoch einen Druck von 1,5 Millionen Atmosphären, was die Möglichkeit der Verwendung von Schwefelwasserstoff als Supraleiter praktisch ausschließt. Diese Entdeckung führte jedoch zur Suche nach Supraleitung in Hydriden.
Im Mai 2019 die Supraleitung von Lanthan - Hydrid (LaH 10 ) wurde bestätigt , bei dieser Temperatur und einen Druck von etwa 2 Millionen Atmosphären, wurde Lanthan Hydrid seinen Magnetfeldes zu befreien - bei einer Temperatur von -23 ° C. Im November 2019 Thorium Hydrid ThH 10 erhalten wurde , bei der Supraleitung tritt bei einer Temperatur von -112 ° C und 1,7 Millionen Atmosphären. Die Skoltech-Spezialisten Artem Oganov und Ivan Troyan spielen dabei eine Schlüsselrolle.
Schließlich gelang es der Universität von Rochester im Oktober 2020, eine Supraleitung in kohlenstoffhaltigem Schwefelhydrid bei einem Druck von etwa 2,6 Millionen Atmosphären und bei Temperaturen nahe Raumtemperatur von 15 Grad Celsius zu erreichen.
Es gibt also zwei Möglichkeiten, wie sich die Wissenschaft einer relativ billigen und realisierbaren Hochtemperatursupraleitung nähert:
Experimentieren mit Cupraten bei atmosphärischem Druck, wobei allmählich ein Anstieg der Tc bis zum mäßigen Gefrieren auf etwa 200 K (-73 ° C) erreicht wird.
Wir experimentieren mit Hydriden, die es bereits ermöglicht haben, eine Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen, und versuchen, den Druck von Millionen Atmosphären auf einen akzeptablen zu reduzieren.
Natürlich ist der dritte Weg zu erwähnen, nämlich die Verwendung von Borverbindungen. In der rechten Ecke der obigen chronologischen Tabelle befindet sich Magnesiumdiborid MgB 2 .
Es wird durch Sintern einfacher Substanzen (Bor und Magnesium) gewonnen und wird bereits beim Bau von Tomographen als Ersatz für Niob-Titan-Legierungen verwendet. Die kritische Temperatur dieser Substanz beträgt –39 K, dh sie ist deutlich höher als die von supraleitenden Niobverbindungen. Die Experimente mit Supraleitern auf Bor-Basis werden fortgesetzt (wiederholen wir, dass diese Substanzklasse bei normalem atmosphärischen Druck eine Supraleitung erreicht), und eines der vielversprechendsten borhaltigen Materialien ist BSiC 2 , ein Artikel, über den veröffentlicht wurdeim März 2020. Nach theoretischen Berechnungen sollte es T c bei einer Temperatur von etwa 73,6 K und seine verwandte, stabilere Verbindung BC 3 bei Temperaturen in der Größenordnung von 40 K erreichen.
Es gibt vorsichtige Annahmen, wonach reiner metallischer Wasserstoff ein idealer Supraleiter sein kann, der bei Raumtemperatur arbeitet. Darüber hinaus könnte fester metallischer Wasserstoff gemäß dem in dem am 26. September 2019 veröffentlichten Artikel "Supraleitende Hydride unter Druck" angegebenen Schema supraleitende Eigenschaften bis zu Temperaturen über 750 K, dh bis zu fast 500 Grad Celsius, aufrechterhalten. Andererseits würde dies einen kolossalen Druck erfordern - mehr als 400 GPa.
Ein AnsatzVermutlich erlaubt es, den Druck zu verringern, um unter Beteiligung von Wasserstoff Supraleitung zu erhalten - um mit Kohlenwasserstoffverbindungen zu experimentieren, die maximal mit Wasserstoffatomen gesättigt sind, und Kohlenstoff liefert starke elektronische Bindungen, wodurch das Material möglicherweise intakt bleibt, selbst wenn Druck abgelassen wird. Experimente mit Verbindungen wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel liefern jedoch noch nicht das gewünschte Ergebnis, wahrscheinlich weil quantenmechanische Effekte zwischen Atomen, die noch nicht berücksichtigt wurden, ins Spiel kommen.
Zu diesem Zeitpunkt hätte die Überprüfung mit einem schüchternen "Nun, lasst uns metallischen Wasserstoff holen - dann werden wir reden" enden können, aber wir werden es anders beenden.
Artem Oganov und Ivan Troyan, die oben im Zusammenhang mit ihrer entdeckten Supraleitung von Thoriumhydrid erwähnt wurden, sowie der Doktorand Dmitry Semyonok von Skoltech und Alexander Kvashnin von MIPT entwickelten den evolutionären USPEX-Algorithmus. Dieser Algorithmus ermöglicht es, das Erreichen der Temperatur T c in einer bestimmten Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Position ihrer Bestandteile im Periodensystem vorherzusagen . Eine detaillierte Übersicht über den USPEX-Algorithmus finden Sie hier . Gegenwärtig ist geplant, ein neuronales Netzwerk zu trainieren, um diese Abhängigkeiten zu erkennen und nach Verbindungen zu suchen, die es ermöglichen, den Druck, der eine Hochtemperatursupraleitung liefert, auf akzeptable Werte zu bringen.
Es bleibt zu hoffen, dass der Erfolg dieses Teams sehr nahe ist.