Toatemperatuurist ülijuhtide otsingul

Kujutage ette maailma, milles magnetiline levitatsioon (maglev) rongid on tavalised, arvutid on välkkiire, toitekaablitel on vähe kadusid ja on olemas uued osakeste detektorid. See on maailm, kus toatemperatuuri ülijuhid on reaalsus. Siiani on see tulevikuunistus, kuid teadlased on toatemperatuuri ülijuhtivuse saavutamisele lähemal kui kunagi varem.

Toatemperatuuri ülijuht (RTS) on teatud tüüpi kõrge temperatuuriga ülijuht (high-T_c või HTS), mis töötab lähemal toatemperatuuril kui et absoluutne null. Töötemperatuur üle 0 ° C (273,15 K) on siiski tublisti madalam sellest, mida enamik meist peab "normaalseks" toatemperatuuriks (20 kuni 25 ° C). Kriitilisest temperatuurist madalamal temperatuuril ülijuht on null elektritakistus ja magnetvoo väljade väljasaatmine. Ehkki see on ülim lihtsustamine, võib ülijuhtivust pidada täiuslikuks seisundiks elektrijuhtivus.

Kõrgtemperatuurilistel ülijuhtidel on ülijuhtivus üle 30 K (–243,2 ° C). Kui traditsioonilist ülijuhti tuleb jahutada vedela heeliumiga, et saada ülijuhtiv, võib kõrgel temperatuuril kasutatavat ülijuhti kasutada

Ülijuhtivuse kriitilise temperatuuri tõstmine praktilisele temperatuurile on füüsikute ja elektriinseneride jaoks püha graal. Mõnede teadlaste arvates on toatemperatuuri ülijuhtivus võimatu, teised aga osutavad edusammudele, mis on juba ületanud varem peetud uskumused.

Ülijuhtivuse avastas 1911 Heike Kamerlingh Onnes vedela heeliumiga jahutatud tahkes elavhõbedas (1913. aasta Nobeli füüsikapreemia). Alles 1930ndatel tegid teadlased ettepaneku selgitada ülijuhtivuse toimimist. 1933 selgitasid Fritz ja Heinz London Meissneri efekt, milles ülijuht väljutab sisemisi magnetvälju. Londoni teooriast kasvasid seletused nii, et need hõlmasid Ginzburg-Landau teooriat (1950) ja mikroskoopilist BCS-teooriat (1957, nimetatud Bardeenile, Cooperile ja Schriefferile). BCS teooria kohaselt tundus temperatuuril üle 30 K ülijuhtivus olevat keelatud. Veel avastasid Bednorz ja Müller 1986. aastal esimese kõrge temperatuuriga ülijuhi, lantaanil baseeruva kupraadi perovskiitmaterjali, mille siirdetemperatuur oli 35 K. Avastus teenis neile 1987. aasta Nobeli füüsikapreemia ja avas ukse uute avastuste jaoks.

Mihhail Eremetsi ja tema meeskonna poolt 2015. aastal avastatud kõrgeima temperatuuriga ülijuhtiv jõud on väävelhüdriid (H₃S). Väävelhüdriidi siirdetemperatuur on umbes 203 K (-70 ° C), kuid seda ainult äärmiselt kõrge rõhu all (umbes 150 gigapaskalit). Teadlased ennustavad, et kriitiline temperatuur võib tõusta temperatuuril üle 0 ° C, kui väävliaatomid asendatakse fosfori, plaatina, seleeni, kaaliumi või telluuriga, rakendatakse veel kõrgemat rõhku. Ehkki teadlased on pakkunud välja väävelhüdriidsüsteemi käitumise selgitused, pole nad suutnud elektrilist ega magnetilist käitumist korrata.

Toatemperatuuril on ülijuhtiv käitumine peale väävelhüdriidi ka muude materjalide kohta. Kõrgtemperatuuriline ülijuhtiv ütrium-baariumvaseoksiid (YBCO) võib muutuda ülijuhtivuseks 300 K juures, kasutades infrapunalaseri impulsse. Tahkisfüüsik Neil Ashcroft ennustab, et tahke metalliline vesinik peaks toatemperatuuri lähedal olema ülijuhtiv. Metallilise vesiniku tootmist väitnud Harvardi meeskond teatas, et Meissneri efekti võis täheldada temperatuuril 250 K. Tuginedes eksitoni vahendatud elektronide sidumisele (mitte BCS-i teooria fonoonide vahendatud sidumisele), on see paremal all olevates orgaanilistes polümeerides võib täheldada võimalikku kõrge temperatuuri ülijuhtivust tingimusi.

Teaduskirjanduses ilmub arvukalt teateid toatemperatuuri ülijuhtivuse kohta, nii et 2018. aasta seisuga näib saavutus olevat võimalik. Kuid efekt püsib harva kaua ja seda on kuratlikult keeruline korrata. Teine teema on see, et Meissneri efekti saavutamiseks võib olla vajalik äärmine surve. Kui stabiilne materjal on toodetud, hõlmavad kõige ilmsemad rakendused tõhusate elektrijuhtmete ja võimsate elektromagnetide väljatöötamist. Sealt edasi on taevas piiriks, niipalju kui elektroonikat puudutab. Toatemperatuuril olev suprajuht pakub praktilisel temperatuuril energiakadu. Enamik RTS-i rakendusi tuleb veel ette kujutada.

• Toatemperatuuri ülijuht (RTS) on materjal, mille ülijuhtivus on kõrgem kui temperatuur 0 ° C. Normaalsel toatemperatuuril pole see tingimata ülijuhtiv.
• Ehkki paljud teadlased väidavad, et on täheldanud toatemperatuuri ülijuhtivust, pole teadlased suutnud tulemusi usaldusväärselt korrata. Kõrgtemperatuurilised ülijuhid on siiski olemas, siirdetemperatuuril vahemikus –243,2 ° C kuni –135 ° C.
• Toatemperatuuril töötavate ülijuhtide potentsiaalseteks rakendusteks on kiiremad arvutid, uued andmesalvestusmeetodid ja täiustatud energiaülekanne.

• Bednorz, J. G.; Müller, K. A. (1986). "Võimalik kõrge TC ülijuhtivus Ba-La-Cu-O süsteemis". Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189–193.
• Drozdov, A. P.; Eremets, M. I.; Troyan, I. A.; Ksenofontov, V.; Shylin, S I. (2015). "Tavapärane ülijuhtivus väävelhüdriidsüsteemi kõrge rõhu juures 203 kelvinit". Loodus. 525: 73–6.
• Ge, Y. F.; Zhang, F.; Yao, Y. G. (2016). "Ülijuhtivuse tõendamine esmatähtsusega temperatuuril 280 K madala fosforisisaldusega vesiniksulfiidis". Füüs. Rev. B. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Kõrgtemperatuurilise ülijuhi elektroonika käsiraamat. CRC Press.
• Mankowsky, R.; Subedi, A.; Först, M.; Mariager, S. O.; Chollet, M.; Lemke, H. T.; Robinson, J. S.; Glownia, J. M.; Minitti, M P.; Frano, A.; Fechner, M.; Spaldin, N A.; Loew, T.; Keimer, B.; Georges, A.; Cavalleri, A. (2014). "Mittelineaarne võre dünaamika YBa parema ülijuhtivuse alusena₂Cu₃O_6.5". Loodus. 516 (7529): 71–73.
• Mourachkine, A. (2004). Toatemperatuuri ülijuhtivus. Cambridge'i rahvusvaheline teaduskirjastus.