Superledar Definition, typer och användningsområden

En superledare är ett element eller en metalllegering som, när den kyls under en viss tröskeltemperatur, materialet dramatiskt förlorar allt elektriskt motstånd. I princip kan superledare låta elektrisk ström flyta utan energiförluster (även om en idealisk superledare i praktiken är mycket svår att producera). Denna typ av ström kallas en superström.

Tröskeltemperaturen under vilken ett material övergår till ett supraledartillstånd betecknas som T_c, vilket står för kritisk temperatur. Inte allt material förvandlas till supraledare, och materialen som har vart och ett har sitt eget värde T_c.

Typer av superledare

• Superledare av typ I fungera som ledare vid rumstemperatur, men när den kyls nedan T_c, molekylrörelsen i materialet minskar tillräckligt för att strömflödet kan röra sig obehindrat.
• Superledare av typ 2 är inte särskilt goda ledare vid rumstemperatur, övergången till ett superledarläge är mer gradvis än typ 1 superledare. Mekanismen och den fysiska grunden för denna förändring av tillstånd är för närvarande inte helt förstås. Superledare av typ 2 är vanligtvis metalliska föreningar och legeringar.

Upptäckten av superledaren

Supraledningsförmåga upptäcktes först 1911 när kvicksilver kyldes till ungefär 4 grader Kelvin av den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes, som fick honom 1913 Nobelpriset i fysik. Under åren sedan har detta fält expanderat kraftigt och många andra former av superledare har upptäckts, inklusive superledare av typ 2 på 1930-talet.

Den grundläggande teorin för supraledningsförmåga, BCS Theory, fick forskarna - John Bardeen, Leon Cooper och John Schrieffer - Nobelpriset i fysik från 1972. En del av Nobelpriset i fysik 1973 gick till Brian Josephson, också för arbete med supraledningsförmåga.

I januari 1986 gjorde Karl Muller och Johannes Bednorz en upptäckt som revolutionerade hur forskare tänkte på superledare. Före denna punkt var förståelsen att superledningsförmåga manifesterades endast när den kyldes till nästan absolut noll, men med en oxid av barium, lantan och koppar fann de att det blev en superledare vid ungefär 40 grader Kelvin. Detta inledde ett lopp för att upptäcka material som fungerade som superledare vid mycket högre temperaturer.

Under årtionden sedan var de högsta temperaturerna som hade uppnåtts cirka 133 grader Kelvin (även om du kunde komma upp till 164 grader Kelvin om du applicerade ett högt tryck). I augusti 2015 rapporterade ett papper som publicerades i tidskriften Nature upptäckten av supraledningsförmåga vid en temperatur på 203 grader Kelvin när under högt tryck.

Tillämpningar av superledare

Superledare används i en mängd olika applikationer, men framför allt inom strukturen för Large Hadron Collider. Tunnlarna som innehåller strålarna av laddade partiklar är omgivna av rör som innehåller kraftfulla superledare. Superströmmarna som flödar genom superledarna genererar ett intensivt magnetfält, genom elektromagnetisk induktion, som kan användas för att påskynda och rikta teamet efter önskemål.

Dessutom uppvisar superledare Meissner-effekten där de avbryter allt magnetiskt flöde inuti materialet och blir perfekt diamagnetiskt (upptäcktes 1933). I det här fallet rör magnetfältlinjerna faktiskt runt den kylda superledaren. Det är denna egenskap hos superledare som ofta används i experiment med magnetisk levitation, såsom kvantlåsningen som man ser vid kvantelevitation. Med andra ord, om Tillbaka till framtiden stil hoverboards blir någonsin verklighet. I en mindre vardaglig applikation spelar superledare en roll i moderna framsteg inom magnetiska levitationståg, som ger en kraftfull möjlighet för höghastighets kollektivtrafik som är baserat på el (som kan genereras med förnybar energi) i motsats till icke-förnybar ström alternativ som flygplan, bilar och koldrivna tåg.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.