Сверхпроводники при комнатной температуре могут произвести революцию в электронике.
Сверхпроводники создают высокоэффективную электронику, но сверхнизкие температуры и сверхвысокие давления, необходимые для их работы, дороги и сложны в реализации. Сверхпроводники при комнатной температуре обещают это изменить.
Недавнее объявление исследователей из Университета Рочестера о новом материале, который является сверхпроводником при комнатной температуре , хотя и при высоком давлении , является захватывающим событием, если оно будет доказано. Если материал или подобный ему будет работать надежно и может быть экономичным в массовом производстве, он может произвести революцию в электронике.
Сверхпроводящие материалы при комнатной температуре открывают множество новых возможностей для практического применения, включая сверхэффективные электрические сети, сверхбыстрые и энергоэффективные компьютерные чипы и сверхмощные магниты, которые можно использовать для левитации поездов и управления термоядерными реакторами.
Сверхпроводник — это материал, который проводит постоянный ток , не встречая электрического сопротивления . Сопротивление – это свойство материала, препятствующее прохождению электричества . Традиционные сверхпроводники необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю.
В последние десятилетия исследователи разработали так называемые высокотемпературные сверхпроводники , которые достаточно охладить до минус 10 градусов по Фаренгейту (минус 23 по Цельсию). Хотя работать с высокотемпературными сверхпроводниками легче, чем с традиционными сверхпроводниками, все же требуется специальное термическое оборудование. Помимо низких температур, эти материалы требуют очень высокого давления, в 1,67 миллиона раз превышающего атмосферное давление в 14,6 фунтов на квадратный дюйм (1 бар).
Как следует из названия, сверхпроводники , работающие при комнатной температуре, не нуждаются в специальном оборудовании для охлаждения. Они должны быть под давлением, но только до уровня, примерно в 10 000 раз превышающего атмосферное давление . Это давление может быть достигнуто за счет использования прочных металлических корпусов.
Где используются сверхпроводники
Сверхпроводниковая электроника относится к электронным устройствам и схемам, в которых используются сверхпроводящие материалы для достижения чрезвычайно высоких уровней производительности и энергоэффективности , которые на порядки выше, чем могут быть достигнуты с помощью современных полупроводниковых устройств и схем.
Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящих материалах означает, что они могут поддерживать большие электрические токи без потери энергии из-за сопротивления . Эта эффективность делает сверхпроводники очень привлекательными для передачи энергии .
Поставщик коммунальных услуг Commonwealth Edison установил высокотемпературные сверхпроводящие линии электропередачи и продемонстрировал технологии для обеспечения электроэнергией северной части Чикаго в течение годичного испытательного периода. По сравнению с обычным медным проводом модернизированный сверхпроводящий провод может пропускать в 200 раз больший электрический ток. Но стоимость поддержания низких температур и высоких давлений, необходимых для современных сверхпроводников, делает даже такое повышение эффективности в большинстве случаев нецелесообразным.
Поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, если к сверхпроводящей петле приложить ток, ток будет сохраняться вечно, если только петля не разорвется . Это явление можно использовать в различных приложениях для создания больших постоянных магнитов.
Современные аппараты магнитно-резонансной томографии используют сверхпроводящие магниты для достижения напряженности магнитного поля в несколько тесла, что необходимо для получения точных изображений. Для сравнения, магнитное поле Земли имеет напряженность или плотность потока около 50 мкТл. Магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом в аппарате МРТ мощностью 1,5 тесла, в 30 000 раз сильнее поля, создаваемого Землей.
Сканер использует сверхпроводящий магнит для создания магнитного поля , которое выравнивает ядра водорода в теле пациента. Этот процесс в сочетании с радиоволнами создает изображения тканей для МРТ-исследования . Сила магнита напрямую влияет на силу сигнала МРТ. МРТ-аппарату на 1,5 тесла требуется больше времени сканирования для создания четких изображений, чем аппарату на 3,0 тесла.
Сверхпроводящие материалы излучают магнитные поля изнутри себя, что делает их мощными электромагнитами . Эти супермагниты способны поднимать в воздух поезда . Сверхпроводящие электромагниты генерируют магнитное поле силой 8,3 тесла, что более чем в 100 000 раз превышает магнитное поле Земли. Электромагниты используют ток в 11 080 ампер для создания поля, а сверхпроводящая катушка позволяет течь высоким токам без потери энергии. Сверхпроводящий поезд «Маглев» Yamanashi в Японии поднимается на 4 дюйма (10 сантиметров) над направляющей и движется со скоростью до 311 миль в час (500 км/ч).
Сверхпроводящие схемы также являются многообещающей технологией для квантовых вычислений, поскольку их можно использовать в качестве кубитов . Кубиты — это базовые блоки квантовых процессоров, аналогичные транзисторам в классических компьютерах, но гораздо более мощные. Такие компании, как D-Wave Systems, Google и IBM, создали квантовые компьютеры, использующие сверхпроводящие кубиты. Хотя из сверхпроводящих цепей получаются хорошие кубиты, они создают некоторые технологические проблемы при создании квантовых компьютеров с большим количеством кубитов. Ключевой проблемой является необходимость хранить кубиты при очень низких температурах, что требует использования больших криогенных устройств, известных как рефрижераторы растворения .
Обещание сверхпроводников при комнатной температуре
Сверхпроводники при комнатной температуре устранят многие проблемы, связанные с высокой стоимостью эксплуатации схем и систем на основе сверхпроводников, и облегчат их использование в полевых условиях.
Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, обеспечат сверхскоростные цифровые межсоединения для компьютеров следующего поколения и широкополосную беспроводную связь с малой задержкой. Они также позволят использовать методы визуализации с высоким разрешением и новые датчики для биомедицинских приложений и приложений безопасности, анализа материалов и структуры, а также радиоастрофизики дальнего космоса.
Сверхпроводники при комнатной температуре означают, что МРТ могут стать намного дешевле в эксплуатации, поскольку им не потребуется жидкий гелиевый хладагент, который дорог и дефицитен. По моим оценкам, электрические сети будут как минимум на 20% более энергоэффективными, чем сегодняшние, что приведет к экономии миллиардов долларов в год. Поезда на маглеве могли бы курсировать на большие расстояния с меньшими затратами. Компьютеры будут работать быстрее, потребляя на порядки меньше энергии. Квантовые компьютеры могут быть построены с гораздо большим количеством кубитов, что позволит им решать проблемы, которые находятся далеко за пределами досягаемости самых мощных современных суперкомпьютеров.
Будет ли реализовано это многообещающее будущее электроники и как скоро это многообещающее будущее электроники, зависит отчасти от того, удастся ли проверить новый материал сверхпроводника при комнатной температуре и можно ли его массово производить с наименьшими затратами.