211service.com
Nowy nadprzewodnik
Nowa klasa nadprzewodników wysokotemperaturowych, odkryta na początku tego roku, zachowuje się zupełnie inaczej niż znane wcześniej nadprzewodniki miedziowo-tlenowe. Zamiast tego wydaje się, że nowe materiały podążają za mechanizmem nadprzewodnictwa, który wcześniej znajdował się tylko w materiałach, które nadprzewodzą w bardzo niskich temperaturach. Chia-Ling Chien i jego koledzy z Johns Hopkins University donoszą w Internecie Natura papier.
Brak oporu: Nowe nadprzewodniki zawierają naprzemienne warstwy arsenku żelaza (pomarańczowy i czerwony) oraz tlenków metali ziem rzadkich (niebieski i szary) domieszkowane fluorem (zielony). Związki arsenku żelaza stają się nadprzewodnikami w stosunkowo wysokich temperaturach 55 K, a naukowcy zaczynają teraz rozszyfrowywać ich mechanizm nadprzewodnictwa.
Spostrzeżenia te są ważnym krokiem w kierunku zrozumienia działania nadprzewodników i mogą pomóc naukowcom w projektowaniu jeszcze lepszych materiałów. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą prowadzić do tańszych urządzeń do rezonansu magnetycznego; mniejsze, lżejsze kable zasilające; oraz znacznie bardziej energooszczędne i bezpieczne sieci energetyczne. Na przykład przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogłyby wykorzystywać magnesy nadprzewodzące do przechowywania energii w nocy, a następnie używać jej w godzinach szczytu rano i wieczorem.
Materiały nadprzewodzące przewodzą prąd elektryczny bez żadnych strat, gdy są schłodzone poniżej pewnej temperatury, zwanej temperaturą krytyczną. Stopy niobu, używane do wytwarzania magnesów nadprzewodzących w urządzeniach do rezonansu magnetycznego, mają nadprzewodnictwo tylko poniżej 10 K. Związki miedziowo-tlenowe lub miedziany, które odkryto pod koniec lat 80., nadprzewodzą w znacznie wyższych temperaturach od 90 do 138 K. W tych temperaturach , jako czynnik chłodniczy można zastosować tani, łatwy w użyciu ciekły azot. (Mięśniaki nie są używane w magnesach MRI, ponieważ wytwarzanie z nich przewodów jest trudne i kosztowne). Niektórzy producenci wytwarzają nadprzewodnikowe kable chłodzone azotem do linii przesyłowych.
Ale naukowcy od dawna próbowali znaleźć materiały o jeszcze wyższych temperaturach krytycznych. Święty Graal działa [nadprzewodniki] w temperaturze pokojowej, mówi fizyk Jeffrey Lynn , który bada nadprzewodniki w Narodowym Instytucie Norm i Technologii. Nadprzewodnikowe kable zasilające, urządzenia do rezonansu magnetycznego i urządzenia do magazynowania energii byłyby tańsze i mniejsze, gdyby nie wymagały chłodzenia.
Nowe nadprzewodniki z arsenku żelaza wykazały potencjał do osiągania wysokich temperatur krytycznych. Naukowcy z Tokyo Institute of Technology po raz pierwszy donieśli w lutowym artykule w: Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego że materiał z arsenku lantanu i żelaza staje się nadprzewodnikiem w temperaturze 26 K. Od tego czasu chińscy naukowcy podnieśli temperaturę krytyczną do 55 K. To nie jest nawet tak wysoka, jak temperatura nadprzewodnictwa dla miedzianów, ale Chien Johnsa Hopkinsa mówi, że jest to nowy materiał do zbadania i można mieć nadzieję, że uzyskamy jeszcze wyższe temperatury.
Struktura chemiczna nowego materiału czyni go szczególnie ekscytującym. Zawiera tlenki metali ziem rzadkich umieszczone pomiędzy warstwami arsenku żelaza. Struktura pozwala na wiele majsterkowania, które poprawiają właściwości materiału, mówi Lynn. Naukowcy mogą na przykład zastąpić metale żelazo, arsen czy metale ziem rzadkich innymi pierwiastkami. W rzeczywistości chińscy naukowcy zastąpili lantan w oryginalnym japońskim materiale innymi metalami ziem rzadkich, takimi jak samar, aby podnieść temperaturę krytyczną powyżej 50 K. Istnieje wiele różnych rodzajów substytucji chemicznych, których można spróbować, mówi Lynn. W rzeczywistości są bardziej elastyczne niż miedziane.
Nowe nadprzewodniki mogą mieć również inną kluczową zaletę, mówi David Christen, który kieruje badaniami nadprzewodników w Oak Ridge National Laboratory. Chociaż kable zasilające miedziane muszą być wytwarzane jako specjalnie zaprojektowane płaskie taśmy, może być łatwiejsze wykonanie przewodów z półprzewodników z arsenku żelaza. Te materiały mogą być bardziej praktyczne niż miedziany, jeśli okaże się, że są łatwiejsze i tańsze w produkcji, mówi Christen.
Naukowcy mają również nadzieję, że arsenki żelaza pomogą odkryć tajemnicę działania nadprzewodników wysokotemperaturowych. Będzie to kluczowe przy projektowaniu materiałów o jeszcze wyższych temperaturach krytycznych. W nadprzewodnikach pracujących w bardzo niskich temperaturach, takich jak niob i ołów, elektrony tworzą pary poniżej temperatury krytycznej. Atomy lub defekty w krysztale nie mają energii potrzebnej do rozbicia pary i odchylenia elektronów. Tak więc para elektronów porusza się bez przeszkód wokół materiału, powodując nadprzewodnictwo. Ale ta teoria parowania nie sprawdza się w przypadku wysokotemperaturowych materiałów miedź-tlen.
W ich Natura Chien i jego koledzy przedstawiają dowody sugerujące, że teoria parowania może mieć zastosowanie dla nadprzewodników z arsenku żelaza. Parowanie elektronów jest duszą nadprzewodnika, mówi Chien. Jeśli nowe materiały będą zgodne z teorią [parowania], wtedy… będziemy mogli trochę łatwiej zrozumieć materiały.
Potrzebne będzie więcej dowodów z eksperymentów przeprowadzonych z wieloma różnymi związkami arsenku żelaza, aby potwierdzić działanie nadprzewodników Pengcheng Dai , profesor fizyki na Uniwersytecie Tennessee w Knoxville. Praca Johnsa Hopkinsa to tylko jeden element układanki, mówi. Rzeczywiście, chociaż mechanizm parowania arsenków żelaza może być inny niż w przypadku związków miedź-tlen, te dwa materiały również wykazują podobieństwa. W niedawnej gazecie internetowej, również opublikowanej w: Natura , Dai i Lynn wykazali, że te dwa materiały mają wspólne kluczowe właściwości magnetyczne. A oba materiały mają również podobną strukturę warstwową.
Może być za wcześnie, aby powiedzieć, jak przydatne będą nadprzewodniki z arsenku żelaza. Na razie Dai mówi, że naukowcy są podekscytowani przełamaniem 22-letniego monopolu miedzianów i możliwością posiadania nowego nadprzewodnika wysokotemperaturowego do zabawy.