O'ta o'tkazgichlar: Nolinchi qarshilikka ega materiallar olamini o'rganish

O'ta o'tkazuvchanlik, ya'ni ma'lum bir kritik haroratdan pastda ba'zi materiallarning elektr qarshiligini to'liq yo'qotish hodisasi, bir asrdan oshiq vaqtdan beri olimlar va muhandislarni o'ziga maftun qilib kelmoqda. Bu g'ayrioddiy xususiyat energiya samaradorligi, ilg'or texnologiyalar va ilmiy yutuqlar uchun keng imkoniyatlar dunyosini ochadi. Ushbu maqolada o'ta o'tkazgichlarning asoslari, ularning turli xil qo'llanilishi va ushbu jozibali sohaning chegaralarini kengaytirayotgan davom etayotgan tadqiqotlar chuqur o'rganiladi.

O'ta o'tkazgichlar nima?

Aslida, o'ta o'tkazgichlar o'zlarining kritik haroratidan (T_c) pastga sovutilganda, elektr tokining oqimiga bo'lgan barcha qarshilikni yo'qotadigan materiallardir. Bu shuni anglatadiki, o'ta o'tkazgich halqasida elektr toki paydo bo'lgach, u hech qanday energiya yo'qotmasdan cheksiz oqishi mumkin. Bu mis yoki alyuminiy kabi oddiy o'tkazgichlardan keskin farq qiladi, ular har doim ma'lum darajada qarshilik ko'rsatadi, bu esa energiyaning issiqlik sifatida tarqalishiga olib keladi.

O'ta o'tkazuvchanlikning birinchi kuzatuvi 1911 yilda gollandiyalik fizik Heyke Kamerling Onnes tomonidan suyuq geliy yordamida 4.2 Kelvin (-268.9 °C yoki -452.1 °F) haroratgacha sovutilgan simobda amalga oshirilgan. Bu kashfiyot materialshunoslik va fizika sohasida yangi davrni boshlab berdi.

O'ta o'tkazuvchanlik ortidagi fan

O'ta o'tkazuvchanlikning asosiy mexanizmi 1957 yilda ishlab chiqilgan Bardin-Kuper-Shriffer (BKS) nazariyasi bilan tavsiflanadi. Ushbu nazariya an'anaviy o'ta o'tkazgichlardagi o'ta o'tkazuvchanlikni Fermi sathi yaqinidagi elektronlarning Kuper juftliklarini hosil qilishi bilan izohlaydi. Kristall panjara bilan o'zaro ta'sirlar natijasida zaif bog'langan bu juftliklar bozonlar kabi harakat qiladi va yagona kvant holatiga kondensatsiyalanishi mumkin. Bu jamoaviy harakat Kuper juftliklariga panjara bo'ylab sochilib ketmasdan harakat qilish imkonini beradi, shuning uchun qarshilik nolga teng bo'ladi.

Kuper juftliklari va panjara tebranishlari: Metallning musbat zaryadlangan panjarasi orqali harakatlanayotgan elektronni tasavvur qiling. Bu elektron panjarani biroz buzadi va musbat zaryad zichligi oshgan hududni yaratadi. Keyin boshqa bir elektron bu musbat zaryadlangan hududga tortilishi mumkin, bu esa ikki elektronni samarali ravishda juftlashtiradi. Bu juftliklar Kuper juftliklari bo'lib, ular o'ta o'tkazuvchanlik uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega.

O'ta o'tkazgichlarning turlari

O'ta o'tkazgichlar keng miqyosda ikki asosiy toifaga bo'linadi:

• I turdagi o'ta o'tkazgichlar: Bular odatda qo'rg'oshin, simob va qalay kabi sof metallardir. Ular o'zlarining kritik haroratida o'ta o'tkazuvchanlik holatiga keskin o'tishni namoyon qiladi va bitta kritik magnit maydoniga (H_c) ega. Bu maydondan yuqori bo'lganda, o'ta o'tkazuvchanlik yo'qoladi.
• II turdagi o'ta o'tkazgichlar: Bular odatda YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) kabi qotishmalar yoki murakkab oksidlardir. Ular ikkita kritik magnit maydonini (H_c1 va H_c2) namoyon qiladi. Bu maydonlar orasida material aralash holatda bo'ladi, bu yerda magnit oqimi materialga kvantlangan girdoblar shaklida kiradi. II turdagi o'ta o'tkazgichlar odatda yuqori maydonli ilovalar uchun afzal ko'riladi.

Yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlar (YHTO')

O'ta o'tkazuvchanlik sohasidagi muhim yutuq 1986 yilda Georg Bednorz va K. Aleks Myuller tomonidan yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlar (YHTO') kashf etilishi bilan yuz berdi. Ushbu materiallar, odatda murakkab mis oksidlari, an'anaviy o'ta o'tkazgichlarga qaraganda ancha yuqori haroratlarda o'ta o'tkazuvchanlikni namoyon qiladi. Ba'zi YHTO' materiallari suyuq azotning qaynash nuqtasidan (77 K yoki -196 °C yoki -321 °F) yuqori kritik haroratga ega, bu ularni ba'zi ilovalar uchun amaliyroq va tejamkorroq qiladi. Masalan, YBCO taxminan 93 K da o'ta o'tkazuvchanlikka ega bo'ladi.

Yuqori haroratlarning ahamiyati: Suyuq geliy haroratigacha sovutish qimmat va maxsus uskunalar talab qiladi. Suyuq azot ancha arzonroq va ishlatish osonroq, bu esa YHTO' materiallarini tijorat ilovalari uchun jozibadorroq qiladi.

Meissner effekti: Belgilovchi xususiyat

O'ta o'tkazgichlarning eng ajoyib xususiyatlaridan biri Meissner effektidir. O'ta o'tkazgich magnit maydoni mavjudligida o'zining kritik haroratidan pastga sovutilganda, u magnit maydonini o'z ichki qismidan siqib chiqaradi. Bu siqib chiqarish shunchaki nol qarshilik tufayli emas; mukammal o'tkazgich faqat magnit oqimining o'zgarishini oldini olgan bo'lar edi, uni faol ravishda siqib chiqarmas edi. Meissner effekti material yuzasida o'ta o'tkazuvchan toklarning paydo bo'lishining to'g'ridan-to'g'ri natijasidir, bu esa ichkaridagi qo'llanilgan magnit maydonini bekor qiladi.

Meissner effektini tasavvur qilish: Meissner effekti ko'pincha o'ta o'tkazgich ustida magnitni levitatsiya qilish orqali namoyish etiladi. O'ta o'tkazgich magnitdan kelayotgan magnit maydon chiziqlarini siqib chiqaradi, bu esa bir-birini itaruvchi qarama-qarshi magnit maydonlarni yaratadi va natijada levitatsiya yuzaga keladi.

O'ta o'tkazgichlarning qo'llanilishi

O'ta o'tkazgichlarning noyob xususiyatlari turli sohalarda, jumladan, keng ko'lamli ilovalarga olib keldi:

Tibbiy tasvirlash

O'ta o'tkazuvchan magnitlar Magnit-rezonans tomografiya (MRT) apparatlarining muhim tarkibiy qismlaridir. Ushbu kuchli magnitlar, odatda niobiy-titan (NbTi) qotishmalaridan yasalgan bo'lib, kuchli va bir xil magnit maydonlarini hosil qiladi, bu esa inson tanasining yuqori aniqlikdagi tasvirlarini olish imkonini beradi. O'ta o'tkazgichlarsiz MRT apparatlarining o'lchami, narxi va energiya iste'moli juda yuqori bo'lar edi.

Global ta'sir: MRT texnologiyasi butun dunyoda miya shishlaridan tortib tayanch-harakat tizimi jarohatlarigacha bo'lgan keng ko'lamli tibbiy holatlarni tashxislash uchun qo'llaniladi. O'ta o'tkazuvchan magnitlardan foydalanish tibbiy tasvirlashni inqilob qildi va bemorlarga yordam ko'rsatishni global miqyosda yaxshiladi.

Energiya uzatish

O'ta o'tkazuvchan elektr kabellari elektr energiyasini deyarli energiya yo'qotmasdan uzatish imkoniyatini taqdim etadi. Bu elektr tarmoqlarining samaradorligini sezilarli darajada oshirishi va qazib olinadigan yoqilg'iga bo'lgan ishonchni kamaytirishi mumkin. Hali rivojlanishning dastlabki bosqichida bo'lsa-da, o'ta o'tkazuvchan elektr kabellari dunyoning turli joylarida sinovdan o'tkazilmoqda. Muammolar qatoriga sovutish xarajatlari va ba'zi o'ta o'tkazuvchan materiallarning mo'rtligi kiradi.

Misol: Germaniyaning Essen shahridagi o'ta o'tkazuvchan elektr kabeli loyihasi katta miqdordagi elektr energiyasini minimal yo'qotishlar bilan uzatish imkoniyatini muvaffaqiyatli namoyish etdi.

Transport

O'ta o'tkazuvchan magnitlar yordamida magnit levitatsiyali (maglev) poezdlar yaratish mumkin. Bu poezdlar relslar ustida suzib yuradi, bu esa ishqalanishni bartaraf etadi va juda yuqori tezlikka erishish imkonini beradi. Maglev poezdlari allaqachon Yaponiya va Xitoy kabi ba'zi mamlakatlarda ishlamoqda va tez va samarali transport turini taklif etmoqda.

Xalqaro loyihalar: Dunyodagi birinchi tijorat maglev liniyasi bo'lgan Shanxay Maglevi soatiga 431 km (268 mil) tezlikka erishish uchun o'ta o'tkazuvchan magnitlardan foydalanadi.

Kvant hisoblashlari

O'ta o'tkazuvchan zanjirlar kvant kompyuterlarining asosiy birliklari bo'lgan kubitlarni yaratish uchun istiqbolli nomzodlardir. O'ta o'tkazuvchan kubitlar tez ishlash tezligi va kengaytirilishi kabi afzalliklarni taqdim etadi. IBM, Google va Rigetti Computing kabi kompaniyalar o'ta o'tkazuvchan kvant kompyuterlarini faol ravishda ishlab chiqmoqda.

Kvant inqilobi: Kvant hisoblashlari tibbiyot, materialshunoslik va sun'iy intellekt kabi sohalarni inqilob qilish potentsialiga ega. O'ta o'tkazuvchan kubitlar ushbu texnologik inqilobda muhim rol o'ynamoqda.

Ilmiy tadqiqotlar

O'ta o'tkazuvchan magnitlar zarrachalar tezlatgichlari va termoyadroviy reaktorlar kabi keng ko'lamli ilmiy asboblarda qo'llaniladi. Bu magnitlar zaryadlangan zarrachalarni boshqarish va manipulyatsiya qilish uchun zarur bo'lgan kuchli magnit maydonlarini hosil qiladi.

Misol: CERN'dagi Katta Adron Kollayderi (KAK) zarrachalarni yorug'lik tezligiga yaqin tezlikda tezlashtirish va to'qnashtirish uchun minglab o'ta o'tkazuvchan magnitlardan foydalanadi, bu esa olimlarga materiyaning fundamental qurilish bloklarini o'rganish imkonini beradi.

Boshqa qo'llanilishlar

• SKVIDlar (O'ta o'tkazuvchan kvant interferensiya qurilmalari): Ushbu o'ta sezgir magnitometrlar geologik tadqiqotlar, tibbiy diagnostika va buzilmaydigan sinovlar kabi turli xil ilovalarda qo'llaniladi.
• Mikroto'lqinli filtrlar: O'ta o'tkazuvchan filtrlar an'anaviy filtrlarga qaraganda yuqori samaradorlikni taklif etadi, kamroq kiritish yo'qotilishi va keskinroq kesish chastotalariga ega. Ular uyali aloqa tayanch stansiyalari va sun'iy yo'ldosh aloqa tizimlarida qo'llaniladi.
• Energiyani saqlash: O'ta o'tkazuvchan magnit energiya saqlash (SMES) tizimlari o'ta o'tkazuvchan g'altak tomonidan hosil qilingan magnit maydonda katta miqdordagi energiyani saqlashi mumkin. Ushbu tizimlar tez javob berish vaqti va yuqori samaradorlikni ta'minlaydi.

Muammolar va kelajakdagi yo'nalishlar

Ulkan potentsialiga qaramay, o'ta o'tkazgichlar ularning keng tarqalishini cheklaydigan bir qancha muammolarga duch kelmoqda:

• Sovutish talablari: Ko'pgina o'ta o'tkazgichlar ishlashi uchun juda past haroratni talab qiladi, bu esa qimmat va murakkab sovutish tizimlaridan foydalanishni talab qiladi. Xona haroratidagi o'ta o'tkazgichlarni ishlab chiqish materialshunoslikning asosiy maqsadlaridan biri bo'lib qolmoqda.
• Materialning mo'rtligi: Ko'pgina o'ta o'tkazuvchan materiallar mo'rt va ulardan simlar va boshqa qismlarni yasash qiyin. Bardoshliroq va egiluvchan o'ta o'tkazuvchan materiallarni ishlab chiqish bo'yicha tadqiqotlar davom etmoqda.
• Kritik tok zichligi: Kritik tok zichligi - bu o'ta o'tkazgichning o'zining o'ta o'tkazuvchanlik xususiyatlarini yo'qotmasdan o'tkaza oladigan maksimal tok. Kritik tok zichligini yaxshilash ko'plab ilovalar, ayniqsa energiya uzatish va yuqori maydonli magnitlar uchun juda muhimdir.
• Narx: O'ta o'tkazuvchan materiallar va sovutish tizimlarining narxi ko'plab ilovalar uchun kirishda jiddiy to'siq bo'lishi mumkin. Ushbu texnologiyalarning narxini pasaytirish bo'yicha sa'y-harakatlar olib borilmoqda.

Xona haroratidagi o'ta o'tkazuvchanlikni izlash: O'ta o'tkazuvchanlik tadqiqotlarining muqaddas grali - bu xona haroratida o'ta o'tkazuvchanlikni namoyon etadigan materialni kashf etishdir. Bunday material ko'plab sohalarni inqilob qiladi va texnologik innovatsiyalarning yangi davrini ochib beradi. Xona haroratidagi o'ta o'tkazuvchanlik hali ham mavjud bo'lmasa-da, materialshunoslik va nanotexnologiyadagi so'nggi yutuqlar kelajakdagi tadqiqotlar uchun istiqbolli yo'llarni taklif qilmoqda.

So'nggi yutuqlar va tadqiqotlar

So'nggi tadqiqotlar quyidagilarga qaratilgan:

• Yangi materiallar: Potentsial yuqori kritik haroratga va yaxshilangan mexanik xususiyatlarga ega yangi materiallarni o'rganish. Bunga temir asosidagi o'ta o'tkazgichlar va boshqa noan'anaviy o'ta o'tkazuvchan materiallar bo'yicha tadqiqotlar kiradi.
• Nanotexnologiya: Yaxshilangan xususiyatlarga, masalan, yuqori kritik tok zichligi va yaxshilangan oqimni mahkamlashga ega bo'lgan o'ta o'tkazuvchan materiallarni muhandislik qilish uchun nanotexnologiyadan foydalanish.
• Yupqa plyonkalar: Mikroelektronika va kvant hisoblash ilovalari uchun yupqa plyonkali o'ta o'tkazuvchan qurilmalarni ishlab chiqish.
• Amaliy tadqiqotlar: Energiya uzatish, tibbiy tasvirlash va transport kabi turli xil ilovalar uchun o'ta o'tkazuvchan qurilmalarning ishlashi va ishonchliligini oshirish.

O'ta o'tkazuvchanlik sohasi dinamik va doimiy rivojlanib bormoqda. Davom etayotgan tadqiqotlar bizning tushunchamiz chegaralarini kengaytirmoqda va dunyomizni o'zgartirishi mumkin bo'lgan yangi va hayajonli ilovalar uchun yo'l ochmoqda.

Xulosa

O'ta o'tkazgichlar, o'zlarining nolinchi elektr qarshiligiga ega bo'lgan noyob xususiyati bilan, keng ko'lamli ilovalar uchun ulkan va'dalarga ega. Tibbiy tasvirlash va energiya uzatishni inqilob qilishdan tortib, kvant hisoblashlari va yuqori tezlikdagi transportni yoqishgacha, o'ta o'tkazgichlar dunyomizni o'zgartirish potentsialiga ega. Muammolar saqlanib qolayotgan bo'lsa-da, davom etayotgan tadqiqotlar va texnologik yutuqlar bizni bu g'ayrioddiy materiallarning to'liq potentsialini ro'yobga chiqarishga yaqinlashtirmoqda. Biz nolinchi qarshilikka ega materiallar olamini o'rganishda davom etar ekanmiz, kelgusi yillarda yanada ko'proq inqilobiy kashfiyotlar va innovatsiyalarni kutishimiz mumkin.

O'ta o'tkazgichlarning global ta'siri shubhasizdir. Tadqiqotlar davom etib, xarajatlar kamaygan sari, ushbu transformativ texnologiyaning butun dunyo bo'ylab sanoat tarmoqlarida kengroq qo'llanilishini kutish mumkin. Samaraliroq energiya tarmoqlaridan tortib, tezroq va kuchliroq kompyuterlargacha, o'ta o'tkazgichlar kelajakni shakllantirishda muhim rol o'ynashga tayyor.