Физики длительное время были озадачены сверхпроводимостью кристаллов. Эти материалы без сопротивления могут проводить ток в условиях высоких температурных режимов. Такой особенностью они и отличаются от других материалов.
Исследователям удалось создать новые способы микроскопии, которые помогли понять тайну сверхпроводимости кристаллов. Данное открытие в будущем даст возможность изготавливать материалы комнатной температуры. Это станет революцией в сфере электрического снабжения.
Под сверхпроводимостью имеется в виду уникальное состояние материала. Это квантовая физика. Электричество проходит сквозь проводник без рассеивания, при этом полностью отсутствует сопротивление (нет энергетических потерь). Если в замкнутом пространстве сверхпроводника установить сверхток, то процесс может происходить неограниченное количество времени. При условии низкой температуры электроны соединяются и образуют пары, которые называются парами Купера.
Всем известно, что два электрона работают на отталкивание, ведь у них одинаково заряжены (отрицательно). Однако электроны в сверхпроводнике могут притягиваться. Это выходит их второго квантового правила. Если понять, почему в одних материалах электроны объединяются, а в других отталкиваются, можно будет создавать инновационные материалы в условиях комнатной температуры.
В 1986 году ученые открыли сверхпроводник оксида меди. Руководителем группы исследователей была Амалия Колдеа (Оксфорд). Она говорит, что на сегодняшний день купраты выражают свой потенциал на производстве. Они служат при изготовлении магнитов высокой мощности. Купрат – это медный лист и кислород. Их зажимают между ярусами иных элементов.
Амалия говорит: «Если мы откроем сверхпроводимость в условиях комнатной температуры, то это будет аналогично открытию «Святого Грааля». Широкие масштабы реализации позволят найти большое количество разных применений на практике».
Сеамус Дэвис – профессор, руководитель международной группы ученых – заявила об итогах эксперимента, который помог открыть механизм атома. Именно он является основой сверхпроводников при высоких температурных режимах. Данные этого удачного эксперимента опубликовали в издании PNAS. Ключом к широкому применению являются условия комнатной температуры.
Ранее уже говорилось о том, что сверхпроводник проводят электрический ток при нулевом сопротивлении. Таким образом, электричество может сохраняться без рассеивания на протяжении неограниченного времени. Такой механизм уже применяют на практике, например, приложения для МРТ-сканеров. Единственным недостатком является то, что для их функционирования нужна очень низкая температура.
Есть и такие сверхпроводники, которые работают в условиях более высокого температурного режима. К ним относятся купраты (оксид меди). В начале исследования купратов ученые создали специальный купрат (BSCCO). В нем отдельные ярусы кислорода и меди сжимали, получался узор волнистой структуры, а расстояние атомов при этом постоянно менялось. На следующей стадии эксперимента было создано 2 обновленных способа микроскопии. Первичный метод позволяет измерять параметры энергии и увидеть разницу между ними. Сравнивались атомы кислорода и меди, при этом учитывалось их размещение.
Важно понимать, что электроны находятся в определенном положении, а не произвольно относительно ядра. Эти места называются разрешенные орбитали. Орбиталь атома в квантовой механике – это функционал математического характера. Она показывает волнообразное передвижение электрона (двух электронов) возле ядра атома. Если сказать иными словами, присутствие электрона возможно только в конкретных местах, а не произвольно.
Разница между орбиталями измеряется соответственно теории, которая напрямую относится к сверхпроводникам. Это явление в квантовой механике называют суперобменом. Такая сила возможна насчет того, что электроны перемещаются между орбиталями атома. Они переходят на более низкий уровень энергетики. Направление может быть разное (вниз, вверх), но при этом они остаются рядом с ядром. Благодаря сверхобмену, обеспечивается постоянное нахождение электронов в материалах. Все они расположены на расстояниях, но не удаленно. Данное притяжение способно формировать пары Купера сильного действия.
Иной способ позволяет определить параметры волны пары электронов (сверхпроводимость). Здесь измеряется величина всех атомов кислорода и меди.
Профессор, ученый квантовой механики Дэвис говорит:
«Мы смогли визуализировать мощность сверхпроводимости. Ее рассматривали в качестве различий в энергиях орбиталей. Удалось максимально точно определить взаимосвязь, которая нужна, чтобы опровергнуть или подтвердить ключевую теорию сверхпроводимости атомов при высоких температурах».
Результаты исследования подтвердили эту теорию. Они показали зависимость объемного типа между энергетической разницей перемещения заряда с атомами меди и кислорода при условии силы сверхпроводимости. Если электроны легко переносятся между атомами кислорода и меди в конкретном купраторе, то его максимальная температура будет выше, по итогу мощнее сверхпроводимость.
Шейн О’Махони – руководитель группы ученых колледжа при университете Корка. Исследователь говорит о том, что данное открытие является историческим фактом, оно позволит разрабатывать сверхпроводники при условиях комнатной температуры.
В будущем это открытие может применяться в значительном количестве сфер деятельности человека. Например, электрички Маглев, где будет установлена магнитная левитация. Здесь движение обеспечивается с использованием магнитов. В передвижении такого поезда колеса и оси не играют роли. Данный транспорт просто левитирует. Здесь главное обеспечить нужное расстояние сильными магнитами. Это создаст силу тяги для подъема транспортного средства, ведь магниты высокой сверхпроводимости отталкиваются при определенных полюсах.
Данное открытие также можно применять для ядерных реакторов, ПК на квантовой основе, хранения и передачи энергии в условиях максимальной эффективности.
Ученые говорят, что в материалах со сверхпроводимостью сопротивление электротока сводится к минимальным значениям. Это связано с тем, что электроны, которые проводят ток, образуют куперские пары. В проводниках с низкими температурами эти пары держатся вместе с помощью колебаний тепла. Однако они очень нестабильны в условиях повышенной температуры.
Новые открытия говорят о том, что пары Купера в сверхпроводниках высоких температур удерживаются с помощью взаимодействия магнитов. При этом пары электронов связаны квантами с помощью промежуточного кислородного атома.
В заключении Дэвис говорит:
«Это была основная проблема в исследованиях, которая не давала раскрыть тайну на протяжении сорока лет. Мы уверены, что сверхпроводники, работающие при комнатных температурах, будут главным открытием нашей цивилизации. Это можно сравнить с открытием электрической энергии».