Hvað er ofurleiðni?

Ofurleiðni er flottur hluti af eðlisfræði sem hefur notkun á mörgum þáttum lífs okkar. Ef vísindamenn gætu uppgötvað ofurleiðara við stofuhita og þrýsting myndi það gjörbylta tækninni. Því miður hefur þetta reynst mjög erfitt verkefni og kannski alls ekki hægt.

Hvað er ofurleiðni?

Rafleiðari er efni sem getur leitt rafmagn. Hvert efni hefur sína eigin rafviðnám sem er mælikvarði á andstöðu þess við flæði rafstraums. Efni með mikla viðnám er lélegur leiðari og öfugt.

Ofurleiðni er eðlisfræðilegt fyrirbæri þar sem efni hefur núll rafviðnám. Í þessu ástandi er fjöldi áhugaverðra og gagnlegra áhrifa. Ofurleiðari sem hefur enga viðnám þýðir að rafstraumur getur farið í gegnum hann án þess að missa orku eða hita hann upp. Þetta getur leyft fullkomlega skilvirka orkuflutning og geymslu.

Ofurleiðarar geta líka búið til einstaklega öfluga segla, dæmi um það má finna í segulómunarvélum og í agnahröðlum. Tilraunir hafa sýnt að rafstraumar í þessum seglum geta varað í mörg ár án mælanlegrar minnkunar á styrk. Rannsóknir benda til þess að straumurinn yrði stöðugur í að minnsta kosti 100.000 ár, en sumt áætlanir gera ráð fyrir að straumurinn geti varað lengur en áætlaður líftími alheimsins.

Þegar þeir eru settir yfir segul mynda ofurleiðarar jafnt segulsvið sem hrindir frá sér seglinum. Þetta gerir ofurleiðurum kleift að sveifla fullkomlega fyrir ofan eða neðan segul eða jafnvel meðfram segulbraut.

Kröfur um ofurleiðni

Efni byrjar aðeins að ofleiða undir ákveðnu hitastigi, þar sem rafviðnám þess fellur skyndilega niður í núll. Því miður verða allir þekktir ofurleiðarar aðeins ofurleiðandi við mjög kalt hitastig. „Háhita“ ofurleiðari er skilgreindur sem efni sem hegðar sér sem ofurleiðari yfir hitastigi fljótandi köfnunarefnis (73K eða -200°C). Nákvæmt hitastig þar sem rafviðnám efnis fellur niður í núll er kallað „kritískt hitastig“.

Ábending: Sérstaklega kaldir þættir í eðlisfræði eru almennt mældir í Kelvin (K). Eitt Kelvin jafngildir einni gráðu á Celsíus, en Kelvin kvarðinn byrjar á algjöru núlli, eða -273,15°C.

Ofurleiðari með hæsta hitastig sem uppgötvaðist, frá og með 2020, er Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 sem hefur viðkvæmt hitastig 138K eða -135°C við einn loftþrýsting.

Hitastig er ekki eini mikilvægi þátturinn í ofurleiðni, þrýstingur spilar einnig þátt í fjölda ofurleiðara. Brennisteinsvetni (H2S) hefur mikilvægan hitastig sem er aðeins 203K (-70°C), og lanthanum dekahýdríð (LAH10) hefur mikilvægan hitastig upp á 250K (-23°C). Því miður þurfa þessi efni að vera við ótrúlega háan þrýsting til að verða ofurleiðandi, þar sem H2S þarf 986.923 loftþrýsting og LaH10 þarf 1.677.770 andrúmsloft.

Ábending: Þrýstingur á þessum kvarða er almennt mældur í GPa eða Giga-pascal þar sem tölurnar eru 100 GPa og 170 GPa í sömu röð. Til að gera þetta gildi skiljanlegra hefur því verið breytt í andrúmsloft. Ein loftþrýstingur er meðalloftþrýstingur við sjávarmál á jörðinni. Til samanburðar má nefna að þrýstingurinn á dýpsta punkti hafs jarðar, Challenger Deep in the Mariana skurður, er 1.071 andrúmsloft í 10.994 metrum undir sjávarmáli.

Hugsanleg framtíðarnotkun fyrir ofurleiðara við stofuhita

Hugtakið „ofurleiðari við stofuhita“ er notað til að vísa til hugsanlegra framtíðarefna sem sýna ofurleiðni við hitastig yfir 273K eða 0°C. Til að verða sérstaklega gagnleg í hinum raunverulega heimi þyrftu þessi efni einnig að vera ofurleiðandi við eða nálægt einni þrýstingslofthjúpi.

Ofurleiðari við stofuhita myndi hjálpa til við að draga úr orkuvandamálum heimsins með því að nánast útrýma raforku sem tapast við langlínuflutning um raflínur. Þeir myndu einnig leyfa hraðari tölvur og minnisgeymslutæki ásamt viðkvæmari vísindaskynjurum. Það yrði mun ódýrara að keyra ofursterku seglana sem notaðir eru í tæki eins og öreindahröðla, segulómunarvélar, frumgerð kjarnasamrunakjarna og maglev lesta, þar sem seglarnir þyrftu ekki fljótandi köfnunarefni til að kæla ofurleiðarann ​​nógu mikið til að virka.