Bir süperiletken, süperiletkenlik sağlayan bir malzemedir. Maddenin durumu Elektrik direnci yoktur ve manyetik alanların nüfuz etmesine izin vermez. o elektrik akımı Bir süperiletkende süresiz olarak devam edebilir.
Süper iletkenlik ancak aşırı soğuk sıcaklıklarda elde edilebilir. Süperiletkenler, çeşitli günlük uygulamalara sahiptir. MRI makineleri Sürtünmeyi azaltmak için trenleri raydan çıkarmak için mıknatıs kullanan yüksek hızlı manyetik trenlere. Araştırmacılar şimdi daha yüksek sıcaklıklarda çalışan, enerji iletimi ve depolamasında devrim yaratacak süper iletkenler bulmaya ve geliştirmeye çalışıyorlar.
Süper iletkenliği kim keşfetti?
Süperiletkenliğin keşfi, Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes. 1911’de Onnes, elektriksel özellikleri inceliyordu. Merkür Hollanda’daki Leiden Üniversitesi’ndeki laboratuvarında, cıva düştüğünde elektrik direncinin tamamen kaybolduğunu buldu. sıcaklık 4,2 K’dan az – mutlak sıfırın sadece 4,2 santigrat derece (7,56 Fahrenhayt derece) üzerinde.
Bu sonucu doğrulamak için Onnes, aşırı soğutulmuş cıva örneğine bir elektrik akımı uyguladı ve ardından pili çıkardı. Cıvadaki elektrik akımının azalmadan devam ettiğini, elektrik direncinin olmadığını doğruladığını ve gelecekteki süperiletkenlik uygulamalarına kapı açtığını buldu.
Süperiletkenliğin tarihi
Fizikçiler, süperiletkenliğin doğasını ve buna neyin sebep olduğunu anlamaya çalışmak için onlarca yıl harcadılar. Belirli bir kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda, hepsi olmasa da birçok element ve malzemenin süper iletken hale geldiğini buldular.
1933’te fizikçiler Walther Meissner ve Robert Ochenfeld, süperiletkenlerin yakındaki herhangi bir manyetik alanı “devre dışı bıraktığını” keşfettiler, bu da zayıf manyetik alanların süperiletkene çok fazla nüfuz edemeyeceği anlamına geliyor. süper fizik, Georgia State Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nden bir eğitim sitesi. Bu fenomene Meissner etkisi denir.
1950’ye kadar teorik fizikçiler Lev Landau ve Vitaly Ginzburg, Ginzburg’un ABD’deki biyografisine göre süper iletkenlerin nasıl çalıştığı hakkında bir teori yayınladı. Nobel Ödülü web sitesi. Süperiletkenlerin özelliklerini tahmin etmede başarılı olmalarına rağmen, teorileri “makroskopik” idi, yani süperiletkenlerin büyük ölçekli davranışlarına odaklanırken mikroskobik düzeyde neler olup bittiğine dair bilgisiz kaldı.
Sonunda, 1957’de fizikçiler John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Shriver tam bir mikroskobik süperiletkenlik teorisi geliştirdiler. Elektrik direnci oluşturmak için, elektronlar Metalde zıplamak serbest olmalıdır. Ancak metalin içindeki elektronlar inanılmaz derecede soğuduğunda, eşleşerek sıçramalarını önleyebilirler. Cooper çiftleri adı verilen bu elektron çiftleri, düşük sıcaklıklarda çok kararlıdır ve sıçrayacak “serbest” elektronlar olmadığında elektrik direnci ortadan kalkar. Bardeen, Cooper ve Shriver, dergide yayınladıkları BCS teorisi olarak bilinen teorilerini oluşturmak için bu parçaları bir araya getirdiler. fiziksel inceleme mesajları.
Süper iletkenler nasıl çalışır?
Metal kritik sıcaklığın altına düştüğünde, metaldeki elektronlar Cooper çiftleri adı verilen bağlar oluşturur. Bu şekilde kapatıldığında, elektronlar herhangi bir elektrik direnci sağlayamaz ve elektrik, metalin içinden tamamen akabilir. Cambridge Üniversitesi.
Ancak, bu yalnızca daha düşük sıcaklıklarda çalışır. Metal çok ısındığında, elektronlar Cooper çifti bağlarını kırmak ve direnç sağlamaya geri dönmek için yeterli enerjiye sahip olur. Bu nedenle Onnes, orijinal deneylerinde cıvanın 4.19 K’da bir süperiletken gibi davrandığını, ancak 4.2 K’da olmadığını buldu.
Süper iletkenler ne için kullanılır?
Farkına bile varmadan bir süperiletkenle karşılaşmanız çok olasıdır. Manyetik rezonans görüntülemede (MRI) ve nükleer manyetik rezonans görüntülemede (NMRI) kullanılan güçlü manyetik alanları oluşturmak için makineler, aşağıda gösterildiği gibi güçlü elektromıknatıslar kullanır. Mayo Kliniği. Bu güçlü elektromıknatıslar, küçük bir direncin bile ısısı nedeniyle sıradan metalleri eritecektir. Bununla birlikte, süperiletkenlerin elektrik direnci olmadığından, ısı üretilmez ve elektromıknatıslar gerekli manyetik alanları oluşturabilir.
Benzer süper iletken elektromıknatıslar, ferromanyetik trenlerde, deneysel nükleer füzyon reaktörlerinde ve yüksek enerjili parçacık hızlandırıcı laboratuvarlarında kullanılır ve süper iletkenler, elektromanyetik silahlara ve silahlara, cep telefonu baz istasyonlarına, hızlı dijital devrelere ve parçacık dedektörlerine güç sağlamak için kullanılır.
Temel olarak, ne zaman gerçekten güçlü bir manyetik alana veya elektrik akımına ihtiyacınız varsa ve cihazlarınızın açıldıkları anda erimesini istemiyorsanız, bir süper iletkene ihtiyacınız var.
Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nde yoğun madde fizikçisi olan Alexei Bezradin, “Süper iletkenlerin en ilginç uygulamalarından biri kuantum bilgisayarlar içindir” dedi. Süperiletkenlerdeki elektrik akımlarının benzersiz özellikleri nedeniyle, kuantum bilgisayarları oluşturmak için kullanılabilirler.
“Bu bilgisayarlar kuantum bitlerinden veya kübitlerden oluşuyor. Geleneksel bilgi birimlerinin aksine, kübitler aynı anda ‘0’ ve ‘1’ kuantum süperpozisyon durumlarında bulunabilirler. Süper iletken cihazlar bunu simüle edebilir, dedi Bezardin Live’a. Bilim.” Örneğin, bir süper iletken döngüdeki akım, aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine akabilir. Böyle bir durum, süper iletken bir kübit örneğidir.”
Süperiletkenlerle ilgili en son araştırma nedir?
Berkeley’deki California Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Mehmet Doğan, günümüzde araştırmacılar için bir numaralı zorluğun “ortam koşullarında süper iletken malzemeler geliştirmek olduğunu, çünkü şu anda süperiletkenliğin yalnızca çok düşük sıcaklıklarda veya çok yüksek basınçlarda var olduğunu” söyledi. Duggan, WordsSideKick.com’a bir e-postada verdiği demeçte, bir sonraki zorluk, yeni süper iletkenlerin nasıl çalıştığını açıklayan ve bu malzemelerin özelliklerini tahmin eden bir teori geliştirmektir.
Süper iletkenler iki ana kategoriye ayrılır: geleneksel süper iletkenler olarak da bilinen düşük sıcaklıklı süper iletkenler (LTS) ve yüksek sıcaklıklı süper iletkenler (HTS) veya geleneksel olmayan süper iletkenler. LTS, elektronların Cooper çiftlerini nasıl oluşturduğunu açıklamak için BCS teorisi ile tanımlanabilirken, HTS sıfır direnç elde etmek için diğer mikroskobik yöntemleri kullanır. HTS’nin kökenleri, modern fiziğin çözülmemiş ana problemlerinden biridir.
Süperiletkenlik üzerine tarihsel araştırmaların çoğu LTS yönünde olmuştur, çünkü bu süperiletkenlerin keşfi ve incelenmesi çok daha kolaydır ve neredeyse tüm süperiletkenlik uygulamaları LTS’yi içerir.
Buna karşılık, HTS modern çağda aktif ve heyecan verici bir araştırma alanıdır. 70 K’nin üzerinde süper iletken olarak davranan her şey genellikle HTS olarak kabul edilir. Bu hala çok soğuk olmasına rağmen, bu sıcaklığa arzu edilir, çünkü LTS için gereken daha düşük sıcaklıklara soğutma için gereken sıvı helyumdan daha yaygın ve kolayca temin edilebilen sıvı nitrojen ile soğutularak ulaşılabilir.
Süper iletkenlerin geleceği
Süperiletken araştırmalarının “kutsal kâsesi”, oda sıcaklığında süperiletken görevi görebilecek bir malzeme bulmaktır. Şimdiye kadar, En yüksek süper iletken sıcaklık 59 F’de (15 C veya yaklaşık 288 K) süper iletkenliğe ulaşan yüksek basınçlı karbon sülfür hidrite ulaşıldı, ancak bunu yapmak için 267 gigapaskal basınç gerekliydi. Bu basınç, Jüpiter gibi dev gezegenlerin iç basıncına eşdeğerdir ve günlük uygulamalar için pratik değildir.
Oda sıcaklığındaki süper iletkenler, enerjinin kayıp veya atık olmadan elektriksel iletimine, daha verimli manyetik trenlere ve MRI teknolojisinin daha ucuz ve daha yaygın kullanımına izin verir. Oda sıcaklığındaki süper iletkenlerin pratik uygulamaları sınırsızdır – fizikçilerin sadece süper iletkenlerin oda sıcaklığında nasıl çalıştığını ve hangi “Goldilocks” malzemesinin süper iletkenliğe izin verdiğini bilmeleri gerekir.
More Stories
Yeni bir okyanus atlası, yapay ışığın geceleri denizleri nasıl kirlettiğini gösteriyor
NASA’nın Webb Uzay Teleskobu, Kayalık Gezegen Oluşumu bölgesinde su buharı tespit etti
Ölü bir balinanın leşiyle beslenen düzinelerce köpekbalığını izleyin: ScienceAlert