Sommige geleiders zijn beter dan andere; de sleutel is organisatie. Goede treinconducteurs houden de spoorwegen op tijd - en Arturo Toscanini hield het NBC Symphony Orchestra op tijd - door complexe elementen in ordelijke systemen te wringen.

Goede elektrische geleiders vertonen een even harmonieuze organisatie, maar hebben te kampen met weerstand. In feite, weerstand is wat conventionele geleiders scheidt van hun superkrachtige neven.

Denk aan vrije elektronen in een typische conducteur als mensen die rond een treinterminal frezen. Een aangelegde stroom is als de bel die de aankomst van de trein aankondigt:in een oogwenk, individuele bewegingen transformeren in een enkele, verenigde beweging naar de platforms - of zou, ware het niet dat een paar onruststokers struikelen, verdringen, aarzelen bij de kiosken of weigeren plaats te maken op de roltrap. Dankzij de weerstand die ze bieden, sommige reizigers missen de trein, en de stroom verliest energie. Zo is het leven in Conductor Terminal.

Nutsvoorzieningen, vervang die reizigers door een undercover flashmob. Bij de bel, ze werken samen en voeren een gesynchroniseerde, gechoreografeerde dans over de terminal. Niemand mist de trein, en ze zijn allemaal minder moe als ze daar aankomen. Dat is het wonder van reizen in Superconductor Station.

Voordat we de stappen van dit deeltje pas de deux bestuderen, echter, laten we een stapje terug doen en bekijken hoe weerstand alledaagse materialen door elkaar haalt. We beginnen eenvoudig en voegen gaandeweg complexiteit toe.

Hoewel er uitzonderingen zijn, wanneer we zeggen elektrische stroom , we bedoelen meestal een stroom elektronen die door een medium gaat. Hoe goed een materiaal elektriciteit geleidt, hangt samen met hoe gemakkelijk de samenstellende atomen elektronen afstaan. Isolatoren zijn gierig, terwijl conducteurs die van hen besteden als matrozen met verlof aan wal.

De gedoneerde elektronen, nu bekend als geleidingselektronen , draaien niet om individuele atomen, maar zweven in plaats daarvan vrij door de geleider, zoals onze treinforenzen hierboven. Wanneer een stroom wordt toegepast, ze stromen door het materiaal en brengen elektriciteit over.

Een geleider bestaat uit een rooster van atomen; om elektriciteit te laten stromen, elektronen moeten met zo min mogelijk interferentie door dit rooster bewegen. Als een stel tennisballen die door een klimrek worden gegooid, de kans is groot dat sommige elektronen het rooster zullen raken. De kans op interferentie neemt toe als gebieden uit vorm worden gebogen. Dus, het is gemakkelijk in te zien hoe materiaalfouten een oorzaak zijn van weerstand in geleiders.

In deze jungle gym analogie, atomen worden weergegeven door de snijpunten van metalen staven. Eigenlijk, het rooster van een geleider is niet stijf; zijn atomen trillen, en de interacties die ze verbinden oscilleren, dus het is beter om het te zien als een raster van veren. Waardoor gaan deze atomen trillen? Hoe hoger de temperatuur, hoe meer het rooster trilt, en hoe groter de kans dat onze tennisballen in de weg lopen. Krijt de tweede grote bron van weerstand tegen onze oude vriend op, warmte.

Dit roept de vraag op:als warmte het probleem is, is koud misschien niet het antwoord? Gewoon even chillen:daar komen we in het volgende gedeelte op terug.

Goede sfeer

Als warmte de weerstand verhoogt, dan zou het verlagen van de thermostaat het moeten verlagen, Rechtsaf? We zullen, het doet, binnen de perken. In normale geleiders, weerstand daalt als de thermometer daalt, maar het verdwijnt nooit. Supergeleiders werken een beetje anders.

Als een supergeleider afkoelt, het volgt een vergelijkbare curve van geleidelijk dalende weerstand totdat het zijn specifieke bereikt kritische temperatuur ; dan, abrupt, alle weerstand valt weg. Het is alsof het verzet langzaam het touwtrekken met geleiding verliest en dan, gefrustreerd, laat het touw los. Werkelijk, de stof ondergaat een fase transitie . Als ijs dat in water smelt, het conventionele materiaal neemt een nieuwe staat aan, een met nul weerstand.

Om te begrijpen wat hier aan de hand is, we moeten een paar aanpassingen maken aan onze atomaire jungle gym. specifiek, we moeten rekening gaan houden met magnetisme.

Als de atomen in een geleider elektronen afstaan, ze worden positief geladen ionen, waardoor een netto aantrekkingskracht ontstaat tussen het atoomrooster en de negatief geladen elektronen die er doorheen gaan. Met andere woorden, alsof trillingen en vervormingen nog niet erg genoeg waren, de tennisballen die we door onze oscillerende jungle gym gooien zijn magneten. Je zou kunnen veronderstellen dat dit hun kansen op weerstand zou vergroten terwijl ze door ons wankele raster gaan, en je zou gelijk hebben -- voor normale geleiders. supergeleiders, echter, gebruiken het in hun voordeel.

Stel je een paar tennisballen voor die door het raster worden gegooid, de een heet op de staart van de ander. Als de eerste bal door het positief geladen rooster gaat, het trekt de omringende atomen naar zich toe. Door op te stapelen, deze atomen creëren een lokaal gebied met een hogere positieve lading, waardoor de kracht toeneemt die het tweede elektron naar voren trekt. Bijgevolg, de energie die nodig is om er doorheen te komen, gemiddeld, breekt gelijk.

Als vierkante dansers, deze Cooper-paren vormen en breken voortdurend, maar het algehele effect bestendigt zichzelf langs de lijn, waardoor elektronen als gesmeerde bliksem door de supergeleider kunnen ritselen.

Cooperparen zijn genoemd naar natuurkundige Leon N. C oeps wie, met John B ardeen en John Robert S koerier, geavanceerde het eerste succesvolle model dat supergeleiding in conventionele supergeleiders verklaart. Hun prestatie, bekend als de BCS-theorie ter ere van hen, leverde hen in 1972 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

Supergeleiding weigerde lang vastgepind te blijven, echter; kort nadat de BCS-theorie grip had gekregen in het veld, onderzoekers begonnen andere supergeleiders te ontdekken - zoals supergeleidende koperoxiden bij hoge temperatuur - die het BCS-model braken.

In dit volgende gedeelte, we zullen kijken naar wat deze exotische supergeleiders onderscheidt van de rest.

De kwantummechanica vertelt ons dat elektronen zowel deeltjes- als golfeigenschappen vertonen. Dus, om weerstand en supergeleiding te conceptualiseren, je moet je elektronen voorstellen als golven die zich door een materiaal voortplanten, als rimpelingen op een vijver. De weerstand die wordt veroorzaakt door de trillingen van aangeslagen ionen is vergelijkbaar met stenen die in dat meer worden gegooid, het creëren van tegenrimpelingen die de elektronengolf verstoren of opheffen. Het verschil tussen normale geleiders en supergeleiders ligt in de mate van organisatie. Bij supergeleiders, alle elektronen nemen een bijna identieke snelheid en richting aan, het vormen van een enkele, georganiseerde golf die weerstand biedt aan disruptie.

Soorten supergeleiders:magnetische persoonlijkheden

Afhankelijk van hoe je de taart snijdt, er zijn ofwel veel soorten supergeleiders of slechts twee. Vanuit het perspectief van hoe ze zich gedragen in magnetische velden, echter, wetenschappers classificeren ze gewoonlijk in twee groepen.

EEN Type I supergeleider is meestal gemaakt van een puur metaal. Wanneer afgekoeld tot onder de kritische temperatuur, zo'n materiaal vertoont nul elektrische weerstand en geeft perfect weer diamagnetisme , wat betekent dat magnetische velden er niet doorheen kunnen dringen terwijl het zich in de supergeleidende toestand bevindt.

Type II supergeleiders zijn meestal legeringen, en hun diamagnetisme is complexer. Om te begrijpen waarom, we moeten kijken naar hoe supergeleiders reageren op magnetisme.

Net zoals elke supergeleider een kritische temperatuur heeft die zijn supergeleidende toestand maakt of breekt, elk is ook onderworpen aan een kritisch magnetisch veld . Een type I supergeleider komt de supergeleidende toestand binnen en verlaat deze bij een dergelijke drempel, maar een Type II-materiaal verandert twee keer van toestand, bij twee verschillende magnetische velddrempels.

Het onderscheid tussen Type I en Type II materialen lijkt op het verschil tussen droogijs (vast koolstofdioxide) en waterijs. Beide vaste stoffen koelen goed af, maar ze gaan anders om met warmte:waterijs smelt in een gemengde toestand, ijswater, terwijl droogijs sublimeert :Bij normale druk, het gaat direct over van vast naar gas.

Met betrekking tot magnetisme, een Type I supergeleider is als droogijs:wanneer blootgesteld aan zijn kritieke veld, zijn supergeleiding brandt onmiddellijk af. Een Type II is veelzijdiger.

Terwijl binnen een zwak veld, een Type II-materiaal vertoont gedrag dat vergelijkbaar is met een Type I, net als H ₂ O en CO ₂ beide koelen effectief af in hun vaste toestand. Verhoog het magnetische veld boven een bepaalde drempel, echter, en het materiaal reorganiseert zich in een gemengde toestand -- a vortex staat: waarin kleine draaikolken van supergeleidende stroom rond eilanden van normaal materiaal stromen. Als ijswater, het doet zijn werk nog steeds redelijk goed. Als de magnetische veldsterkte stijgt, echter, de eilanden van normaliteit groeien samen, waardoor de omringende draaikolken van supergeleiding worden vernietigd.

Wat betekent deze gemengde toestand voor magnetisme? We hebben besproken wat er gebeurt als een supergeleider warm wordt. Nutsvoorzieningen, laten we het eens van de andere kant bekijken.

In hun normale warme staten, zowel Type I- als Type II-materialen laten magnetische velden door ze stromen, maar als ze afkoelen naar hun kritische temperaturen, ze verdrijven deze velden steeds meer; elektronen in het materiaal zetten wervelstromen op die een tegenveld produceren, een fenomeen dat bekend staat als de Meissner-effect .

Wanneer ze hun kritische temperatuur bereiken, Type I-supergeleiders verdrijven elk overblijvend magnetisch veld, zoals zoveel doodgewone kamergenoten. Afhankelijk van de sterkte van het magnetische veld waarin ze bestaan, Type II-velden kunnen hetzelfde doen - of ze kunnen een beetje aanhankelijk worden. Als ze in een vortex staat: , het magnetische veld dat nog steeds door de eilanden van normaal materiaal in hun supergeleidende stromen stroomt, kan vast komen te zitten, een fenomeen dat bekend staat als flux vastzetten (zie kader) Magnetische flux is een maat voor de hoeveelheid magnetisch veld die door een bepaald oppervlak gaat.

Omdat ze supergeleiders kunnen blijven in dit sterkere magnetische veld, Type II-materialen zoals niobium-titanium (NbTi) zijn goede kandidaten voor het type supergeleidende magneten dat wordt aangetroffen in, zeggen, Fermilab's protonenversneller of in MRI-machines.

In 2000, Andre Geim en Sir Michael Berry wonnen de Ig Nobelprijs voor natuurkunde door een kikker te laten zweven, evenals water en hazelnoten, met behulp van een supergeleider en diamagnetisme. Hoewel we de neiging hebben om water en organisch weefsel als niet-magnetisch te beschouwen, sommige elementen en de meeste verbindingen vertonen een zeer zwak afstotend effect wanneer ze in een sterk magnetisch veld worden geplaatst. Natuurkundigen gebruiken ook diamagnetisme om supergeleiders stabiel te laten zweven. De truc ligt in Type II supergeleiders zoals yttrium barium koperoxide, die een magnetisch veld doorlaten en op zijn plaats vastzetten. De video 'quantum levitation' die in 2011 viraal ging op internet, was een voorbeeld van dit soort levitatie. waarin magnetisme en diamagnetisme samen de levitator perfect stil houden, in tegenstelling tot Type I-materialen, die gestaag zweven maar wiebelen, of ferromagneten, die niet stabiel kan zweven zonder hulp van buitenaf.

Soorten supergeleiders:(relatief) hete Tamales

De industriële en wetenschappelijke toepassingen van supergeleiders worden beperkt door de speciale temperatuuromstandigheden die ze nodig hebben om hun elektromagnetische mojo te laten werken, het is dus logisch om materialen te classificeren op basis van hun kritische temperaturen en drukvereisten.

Honderden stoffen, inclusief 27 metalen elementen -- zoals aluminium, leiding, kwik en tin -- worden supergeleiders bij lage temperaturen en drukken. Nog 11 chemische elementen -- inclusief selenium, silicium en uranium - overgang naar een supergeleidende toestand bij lage temperaturen en hoge drukken [bron:Encyclopaedia Britannica].

Tot 1986, toen IBM-onderzoekers Karl Alexander Mulller en Johannes Georg Bednorz het tijdperk van hoge temperatuur supergeleiders met een barium-lanthaan-koperoxide dat nul weerstand bereikte bij 35 K (min 238 C, min 397 F), de hoogste kritische temperatuur bereikt door een supergeleider gemeten 23 K (minus 250 C, min 418 F). Zo een supergeleiders bij lage temperatuur vereiste koeling door vloeibaar helium, die moeilijk te produceren was en de neiging had om budgetten te breken [bron:Haldar en Abetti]. Hoge temperatuur supergeleiders brengen het temperatuurbereik tot ongeveer 130 K (min 143 C, min 226 F), wat betekent dat ze kunnen worden gekoeld met vloeibare stikstof die goedkoop uit lucht is gemaakt [bron:Mehta].

Hoewel natuurkundigen de mechanismen begrijpen die supergeleiders bij lage temperaturen beheersen, die het BCS-model volgen, supergeleiders bij hoge temperaturen blijven raadselachtig [bron:CERN]. De heilige graal zou zijn om bij kamertemperatuur een materiaal te verkrijgen zonder weerstand, maar tot dusver blijft die droom ongrijpbaar. Misschien kan het niet of, misschien, net als andere wetenschappelijke revoluties, het ligt net over de horizon, in afwachting van de noodzakelijke technologische of theoretische innovatie om de droom werkelijkheid te laten worden.

Ondertussen, de krachtige voordelen die supergeleiders bieden, suggereren een breed scala aan huidige en toekomstige toepassingen op het gebied van elektrische energie, vervoer, medische beeldvorming en diagnostiek, nucleaire magnetische resonantie (NMR), industriële verwerking, hoge energiefysica, draadloze communicatie, instrumentatie, sensoren, radar, high-end computing en zelfs cryogenics [bron:CCAS].

Naast de maglev, MRI- en deeltjesversnellertoepassingen die we eerder noemden, supergeleiders worden momenteel commercieel gebruikt in NMR-spectroscopie, een belangrijk instrument voor biotechnologie, genomica, farmaceutisch onderzoek en materiaalwetenschappelijk werk. De industrie past ze ook toe in een magnetisch proces voor het scheiden van kaolienklei, een veel voorkomende vulstof in papier en keramische producten.

Wat de toekomst betreft, als onderzoekers en fabrikanten de kostenbeperkingen van supergeleiders kunnen overwinnen, koeling, betrouwbaarheid en acceptatie, alles is mogelijk. Sommigen zien groene technologieën, zoals windmolens, als de volgende stap in een bredere acceptatie en toepassing van de technologie, maar grotere mogelijkheden doen zich voor.

Wie weet? Misschien zal een toekomstige lezer dit artikel lezen op een computer die is uitgerust met bijna-licht-snelheid processors, aangesloten op een netwerk dat wordt aangedreven door fusiereactoren - allemaal dankzij supergeleiding.

Supergeleiders hebben een weerstand van meer dan nul; ze bieden ook een extreem hoge stroomvoerende dichtheid, uitzonderlijk lage weerstand bij hoge frequenties, zeer lage signaalspreiding en hoge magnetische veldgevoeligheid. Ze sluiten extern aangelegde magnetische velden uit, vertonen ongebruikelijk kwantumgedrag en zijn in staat tot bijna-lichtsnelheid signaaloverdracht. Deze combinatie van factoren herschrijft effectief de regels voor elektromagnetische industrieën en suggereert tal van mogelijke innovaties, inclusief verbeterde elektrische krachtoverbrenging, generatie en opslag; kleiner, krachtigere magneten voor motoren; geavanceerde medische apparatuur; verbeterde microgolfcomponenten voor communicatie en militaire toepassingen; enorm versterkte sensoren; en het gebruik van magnetische velden om geladen deeltjes te bevatten.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

• Hoe elektriciteit werkt
• Hoe elektromagneten werken
• Hoe MRI werkt
• Hoe Maglev-treinen werken
• Hoe kernenergie werkt
• Hoe elektriciteitsnetten werken
• Is het mogelijk om rechtstreeks elektriciteit op te wekken uit warmte?
• Hoe veranderde Nikola Tesla de manier waarop we energie gebruiken?
• Hoe nanodraden werken
• Hoe wordt groene nanotechnologie gebruikt?

Meer geweldige links

• Toegepast supergeleidingscentrum
• Centrum voor Nanofysica en Geavanceerde Materialen (CNAM)
• CRPP Supergeleiding - Startpagina
• LANL:Supergeleiding Technologie Centrum
• Het Lemberger Supergeleiding Laboratorium
• Periodiek systeem van supergeleiding
• Texas Centrum voor Supergeleiding - Universiteit van Houston
• Kwantumlevitatie (video)

bronnen

• BES, MV en Andre K. Geim "Van Vliegende Kikkers en Levitrons." Europees tijdschrift voor natuurkunde. Vol. 18. Pagina 307. 1997. (1 nov. 2011) http://www.physics.bristol.ac.uk/people/berry_mv/the_papers/Berry285.pdf
• Californië Energie Commissie. "Energieverlies in een voertuig." Consumenten Energie Centrum. (3 november, 2011) http://www.consumerenergycenter.org/transportation/consumer_tips/vehicle_energy_losses.html
• CCAS (Coalitie voor de commerciële toepassing van supergeleiders). "Supergeleiding:huidige en toekomstige toepassingen." 2009. (4 nov., 2011) http://www.ccas-web.org/pdf/ccas_brochure_web.pdf
• CERN en High School Teachers Program bij CERN. "Supergeleiding." (3 november, 2011) http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/accelerators/superconductivity/superconductivity.htm
• Encyclopedie Britannica. "Supergeleiding." (2 nov., 2011) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/574212/superconductivity/258320/Thermal-properties-of-superconductors
• Geim, AK, MD Simon, M.I. Boamfa en L.O. Heflinger. "Magneet levitatie binnen handbereik." Natuur. Vol. 400. 22 juli 1999. (2 nov., 2011) http://www.physics.ucla.edu/marty/diamag/magnet.pdf
• Haldar, Pradeep en Pier Abetti. "De eerste eeuw van supergeleiding." IEEE Spectrum tijdschrift. Maart 2011. (4 nov. 2011) http://spectrum.ieee.org/biomedical/imaging/superconductivity-first-century
• vakantie, April. "Laat slapende vogels vliegen, of Slaap op één voet; Terwijl elektronen slap zijn." 5 juni, 2006. (2 nov., 2011) http://www.usatoday.com/tech/columnist/aprilholladay/2006-06-05-sleepy-birds_x.htm
• IBM. "Hoge temperatuur supergeleiders." (3 november, 2011) http://www.ibm.com/ibm100/us/en/icons/hightempsuperconductors/
• IEEE Global History Network. "Mijlpaal Nominatie:ontdekking van supergeleiding 1911." (3 november, 2011) http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestone-Nomination:DISCOVERY_OF_SUPERCONDUCTIVITY_1911
• Onwaarschijnlijk onderzoek. "De 2000 Ig Nobelprijswinnaars." (1 nov. 2011) http://improbable.com/ig/winners/#ig2000
• man, Adam. "Supergeleiding bij hoge temperatuur bij 25:nog steeds in spanning." Natuur. Vol. 475. Pagina 280. 2011. (1 nov. 2011) http://www.nature.com/news/2011/110720/full/475280a.html
• Mehta, Neeraj. "Handboek technische natuurkunde, Deel 2." New Delhi:PHI Learning Pvt. Ltd. 2009.
• De Nobelstichting. "De Nobelprijs voor Natuurkunde 2010:Andre Geim, Konstantin Novoselov." (1 nov. 2011) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
• Ouboter, Rudolf de Bruyn. "Heike Kamerlingh Onnes' ontdekking van supergeleiding." Wetenschappelijke Amerikaan. maart 1997. (3 nov. 2011) http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/Bruyn_Ouboter_SciAM.pdf
• Schilling, EEN., M. Cantoni, J.D. Guo en H.R. Ott. "Supergeleiding boven 130 K in het Hg-Ba-Ca-Cu-O-systeem." Natuur. Vol. 363. Pagina 56. 6 mei 1993. (2 nov., 2011) http://www.nature.com/nature/journal/v363/n6424/abs/363056a0.html
• Schrieffer, J. Robert. "Supergeleiding:een dans-analogie." Amerikaans Instituut voor Natuurkunde. (4 nov. 2011) http://www.aip.org/history/mod/superconductivity/03.html
• Simon, Martin. "Diamagnetische levitatie." (2 nov., 2011) http://www.physics.ucla.edu/marty/diamag/
• Lichter, Karel. "Inleiding tot de geschiedenis van supergeleiding." Amerikaans Instituut voor Natuurkunde. (1 nov. 2011) http://www.aip.org/history/mod/superconductivity/01.html
• Solon, Olivia. "Frozen Puck zweeft over baan met behulp van 'Quantum Levitation'." Wired UK. 18 okt. 2011. (1 nov. 2011) http://www.wired.com/wiredscience/2011/10/quantum-levitation/
• Stajic, Jelena, Robert Coontz en Ian Osborne. "Gelukkige 100ste, Supergeleiding!" Science. Vol. 332, Nee. 6026. Pagina 189. 8 april, 2011. (1 nov. 2011) http://www.sciencemag.org/content/332/6026/189
• Technologie recensie. "Supergeleiding bij kamertemperatuur geclaimd voor cuprates." Massachusetts Institute of Technology Physics arXiv Blog. 6 september 2011. (4 nov., 2011) http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27135/
• Thompson, William (Lord Kelvin). "Aepinus verneveld." Uit de Jubileumbundel die in november aan prof. Boscha werd overhandigd, 1901. Baltimore-lezingen, 1904, Bijlage E, blz. 541-568. http://zapatopi.net/kelvin/papers/aepinus_atomized.html
• Trafton, Anna. "Een nieuwe draai aan supergeleiding?" Massachusetts Institute of Technology Nieuws. (2 november, 2011) http://web.mit.edu/newsoffice/2011/quantum-spin-liquid-0329.html
• Universiteit van Massachusetts Amherst. "Natuurkundigen onthullen een theorie voor een nieuw soort supergeleiding." 24 okt. 2011. (4 nov., 2011) http://www.physorg.com/news/2011-10-physicists-unveil-theory-kind-superconductivity.html
• Welch, Kees. "Hoe verklaar je elektrische weerstand?" Thomas Jefferson National Accelerator Facility. (3 november, 2011) http://education.jlab.org/qa/current_02.html