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寻找可以改变世界能源系统的室温超导体
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寻找可以改变世界能源系统的室温超导体

浏览数量:11617     作者:本站编辑     发布时间: 2020-10-12      来源:本站

        余热无处不在。在小范围内,如果您的手机或笔记本电脑感到温暖,那是因为为设备供电的一些能量已转化为多余的热量。在更大的范围内,高功率线路等电网在传输过程中会损失超过5%的能量。在2018年产生超过4,000亿美元的电力行业中,这是一笔巨大的浪费。在全球范围内,Google,Microsoft,Facebook和其他公司的计算机系统需要大量的能量来为大型云服务器和数据中心提供动力。需要更多能量来驱动水和空气冷却系统,以抵消这些计算机产生的热量。
 
        这些浪费的热量从何而来?电子。原子的这些基本粒子运动并与其他电子和原子相互作用。因为它们带有电荷,所以当它们通过诸如金属之类的材料时,它们很容易导电,因此它们会从其他原子上散射并产生热量。
 
        超导体是通过允许能量有效地流过它们而不会产生多余热量的材料来解决此问题。它们具有巨大的潜力和许多具有成本效益的应用程序。它们运行磁悬浮列车,为MRI机器产生磁场,并且最近还用于建造量子计算机,尽管尚不存在可以完全运行的量子计算机。但是,在其他实际应用中,超导体存在一个基本问题:它们在超低温下工作。没有室温超导体。这个“室温”部分是科学家们一个多世纪以来一直在努力的工作。为了解决这个问题,数十亿美元的资金用于研究。包括我在内的世界各地的科学家都在试图了解超导体的物理学及其增强方法。
 
        了解机制
 
        超导体是诸如铝或铅之类的纯金属之类的材料,当冷却至超低温时,它可使电以绝对为零的电阻通过它。在微观水平上材料如何成为超导体并不是一个简单的问题。1956年,科学界花了45年的时间来理解和制定成功的超导理论。在物理学家研究对超导机理的理解的同时,化学家将不同的元素(例如稀有金属铌和锡)混合在一起,并尝试了其他实验指导的配方,以发现新的更强的超导体。取得了进展,但主要是逐步的。
 
        简而言之,当两个电子在低温下结合在一起时,就会发生超导。它们构成了超导体的库珀对。基本物理和化学告诉我们电子互相排斥。即使对于诸如铅之类的潜在超导体,当温度高于一定温度时,也是如此。但是,当温度下降到某一点时,电子变得更易于配对。而不是一个电子与另一个电子相反,出现了一种“胶水”将它们保持在一起。
 
        如何冷却
 
        1911年发现的第一个超导体是汞(Hg),这是老式温度计的基本元素。为了使汞成为超导体,必须将其冷却至超低温。Kamerlingh Onnes是第一位弄清楚如何通过压缩和液化氦气确切地做到这一点的科学家。在此过程中,一旦氦气变成液体,温度就会降至-452华氏度。当Onnes在试验汞时,他发现当将其放在液氦容器中并冷却至非常低的温度时,其电阻(与材料中电流相反的电阻)突然降至零欧姆,即一个测量单位。描述了抵抗。不接近零,但正好为零。无阻力,无热量浪费。这意味着,一旦产生电流,至少在实验室中,电流将连续不断地流动而不会阻止它。很快发现了许多超导材料,但实际应用是另一回事。

       这些超导体存在一个问题-需要对其进行冷却。将材料冷却至其超导状态所需的能量对于日常应用而言太昂贵了。到1980年代初,对超导体的研究几乎已经得出结论。
 
        一个令人惊讶的发现
 
        在一系列戏剧性的事件中,1987年在瑞士苏黎世的IBM发现了一种新型的超导材料。在短短几个月内,全球范围内正在合成工作温度低于极限温度的超导体。该材料是一种陶瓷。这些新型陶瓷超导体由铜和氧与镧,钡和铋等其他元素混合而成。他们与物理学家认为关于制造超导体的一切知识相矛盾。研究人员一直在寻找非常好的导体,但是这些陶瓷几乎是绝缘体,这意味着几乎没有电流可以流过。磁性破坏了传统的超导体,但它们本身就是磁铁。科学家们正在寻找电子可以自由移动的材料,但是在这些材料中,电子却被锁定并被限制。IBM的科学家AlexMüller和Georg Bednorz实际上已经发现了一种新型的超导体。这些是高温超导体。他们按照自己的规则进行比赛。
 
        难以捉摸的解决方案
 
        科学家现在面临新的挑战。发现高温超导体后的三十年,我们仍在努力了解它们在微观水平上的作用。每天在世界各地的大学和研究实验室中进行创新性实验。在我的实验室中,我们建立了一个称为扫描隧道显微镜的显微镜,该显微镜可以帮助我们的研究团队“看到”材料表面的电子。这使我们能够了解电子如何在原子尺度上结合并形成超导性。

        我们的研究已经走了很长一段路,现在知道电子也在这些高温超导体中配对。回答高温超导体的工作原理具有巨大的价值和实用性,因为这可能是通往室温超导的途径。如果我们成功地制造了一种室温超导体,那么我们就可以解决将热量从发电厂传输到城市所浪费的数十亿美元。
 
        更值得注意的是,在世界上空旷的沙漠中收集的太阳能可以在不损失任何能量的情况下进行存储和传输,这可以为城市供电并大大减少温室气体的排放。潜力难以想象。寻找室温超导体的胶水是下一个百万美元的问题。
 
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