Superlederdefinisjon, typer og bruksområder
En modell av Large Hadron Collider (LHC)-tunnelen er sett i besøkssenteret CERN (European Organization For Nuclear Research). Johannes Simon/Getty Images
En superleder er et element eller en metallisk legering som, når den avkjøles under en viss terskeltemperatur, mister materialet dramatisk all elektrisk motstand. I prinsippet kan superledere tillate elektrisk strøm å flyte uten energitap (selv om en ideell superleder i praksis er svært vanskelig å produsere). Denne typen strøm kalles en superstrøm.
Terskeltemperaturen under hvilken et materiale går over i en superledertilstand er betegnet som Tc , som står for kritisk temperatur. Ikke alle materialer blir til superledere, og materialene som gjør det har hver sin verdi av Tc .
Typer superledere
- Type I superledere fungere som ledere ved romtemperatur, men når de er nedkjølt Tc , reduseres den molekylære bevegelsen i materialet nok til at strømmen kan bevege seg uhindret.
- Type 2-superledere er ikke spesielt gode ledere ved romtemperatur, overgangen til en superledertilstand er mer gradvis enn Type 1-superledere. Mekanismen og det fysiske grunnlaget for denne tilstandsendringen er foreløpig ikke fullt ut forstått. Type 2-superledere er vanligvis metalliske forbindelser og legeringer.
Oppdagelsen av superlederen
Superledning ble først oppdaget i 1911 da kvikksølv ble avkjølt til omtrent 4 grader Kelvin av den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes, noe som ga ham Nobelprisen i fysikk i 1913. I årene etterpå har dette feltet utvidet seg kraftig og mange andre former for superledere har blitt oppdaget, inkludert Type 2-superledere på 1930-tallet.
Den grunnleggende teorien om superledning, BCS Theory, ga forskerne – John Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer – Nobelprisen i fysikk i 1972. En del av Nobelprisen i fysikk i 1973 gikk til Brian Josephson, også for arbeid med superledning.
I januar 1986 gjorde Karl Muller og Johannes Bednorz en oppdagelse som revolusjonerte hvordan forskere tenkte på superledere. Før dette punktet var forståelsen at superledning manifesterte seg bare når den ble avkjølt til nær absolutt null , men ved å bruke et oksid av barium, lantan og kobber fant de ut at det ble en superleder ved omtrent 40 grader Kelvin. Dette satte i gang et kappløp for å oppdage materialer som fungerte som superledere ved mye høyere temperaturer.
I tiårene siden var de høyeste temperaturene som var nådd omtrent 133 grader Kelvin (selv om du kunne komme opp til 164 grader Kelvin hvis du brukte et høyt trykk). I august 2015 rapporterte en artikkel publisert i tidsskriftet Nature oppdagelsen av superledning ved en temperatur på 203 grader Kelvin under høyt trykk.
Applikasjoner av superledere
Superledere brukes i en rekke applikasjoner, men spesielt innenfor strukturen til Large Hadron Collider. Tunnelene som inneholder strålene av ladede partikler er omgitt av rør som inneholder kraftige superledere. Superstrømmene som strømmer gjennom superlederne genererer et intenst magnetfelt, gjennom elektromagnetisk induksjon , som kan brukes til å akselerere og dirigere teamet etter ønske.
I tillegg viser superledere ut Meissner-effekt der de kansellerer all magnetisk fluks inne i materialet, og blir perfekt diamagnetiske (oppdaget i 1933). I dette tilfellet reiser magnetfeltlinjene faktisk rundt den avkjølte superlederen. Det er denne egenskapen til superledere som ofte brukes i magnetiske levitasjonseksperimenter, slik som kvantelåsingen sett i kvantelevitasjon. Med andre ord, hvis Tilbake til fremtiden stil hoverboards noen gang blitt en realitet. I en mindre hverdagslig applikasjon spiller superledere en rolle i moderne fremskritt innen magnetiske levitasjonstog , som gir en kraftig mulighet for høyhastighets kollektivtransport som er basert på elektrisitet (som kan genereres ved hjelp av fornybar energi) i motsetning til ikke-fornybare strømalternativer som fly, biler og kulldrevne tog.
Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.