常温超伝導体、説明| 公衆科学

将来的には、電線が海の下を横切ってある大陸から別の大陸に簡単に電気を渡すことができます。 このケーブルは、巨大な風力タービンから電流を伝達または浮上する高速列車の磁石に電力を供給します。

これらすべての技術は、物理学の世界で長い間追求してきた驚異に依存しています。 超伝導性は、金属がジュースを失うことなく電流を伝達できるようにする強化された物理的特性です。

しかし、超伝導性は、ほとんどのデバイスでは低すぎる凍結温度でしか機能しませんでした。 より便利にするために、科学者は一定の温度で同じ条件を再現する必要があります。 そして、 物理学者たちは超伝導について知っていました 1911年以来、常温超伝導体は砂漠の蜃気楼のようにまだそれらを避けています。

超伝導体とは？

すべての金属には「臨界温度」という点があります。 その温度以下に金属を冷やすと電気抵抗がほとんどなくなるため、荷電原子を通過しやすくなります。 言い換えれば、超伝導線の閉ループを流れる電流は永久に循環する可能性があります。

今日はどこでも 主電力の8〜15％が失われます。 標準ワイヤの電気抵抗は自然に一部を熱に吸収するので、発電機と消費者の間にあります。 超電導ワイヤはこれらのすべての無駄を取り除くことができます。

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別の利点もあります。 コイルワイヤを通って電気が流れると磁場が発生します。 超伝導線はその磁性を強化します。 すでに超伝導磁石 パワーMRIマシン、 粒子加速器のサポート 採石場をループの周りに案内し、 核融合炉におけるプラズマ形成そして プッシュ磁気浮上列車 日本の工事中の中央新幹線のように。

温度を上げる

超伝導性は驚くべき能力ですが、物理学は冷静な警告で超伝導性をナフトします。 最大 既知の材料の臨界温度 絶対零度（華氏-459度）をほとんど超えません。 たとえば、アルミニウムは華氏-457度から来ます。 華氏-452度の水銀。 華氏-443度の穏やかな延性金属ニオブ。 寒い温度で何でも冷やすのは退屈で実用的ではありません。

科学者たちは、銅と酸素を含むセラミックの一種であるキュプラトのようなエキゾチックな材料でテストし、限られた容量でこれを実現しました。 1986年、2人のIBM研究者が華氏-396度で超伝導するキュプレートを発見しました。 ノーベル物理学賞。 しばらくして、現場の他の人々は、キュプレート超伝導体を液体窒素の沸点である華氏-321度を超えました。 液体窒素やヘリウムよりはるかにアクセスしやすい冷却剤でした。

「それはとても興味深い時間でした」と言います。 リチャードグリーン、メリーランド大学の物理学者。 「人々は「まあ、私たちは室温に達することができるかもしれない」と思いました。

30年が過ぎた今、常温超伝導体の探索は続けられています。 装備 予測可能なアルゴリズム 材料の特性がどのように見えるか、多くの研究者はこれまで以上に近いと感じています。 しかし、彼らのアイデアのいくつかは議論の余地があります。

レプリカジレンマ

この分野が発展している一つの方法は、クプレートから水和物または負に荷電した水素原子を持つ物質に関心を向けることです。 2015年ドイツマインツの研究者たち 水素化硫黄で新記録を立てる 華氏-94度で超伝導。 それらのいくつかは 希土類元素ランタンの水素化物水銀を華氏-9度（家庭用冷凍庫温度程度）まで上げます。

しかし、もう一度罠があります。 周囲圧力が変化すると臨界温度が変化し、水素化物超伝導体はやや非人間的な圧力を必要とするようです。 水素化ランタンは、１５０ギガパスカル以上の圧力でのみ超伝導性を達成した。 これは地球核の条件とほぼ同じであり、表面の世界で実用的な目的を達成するには高すぎます。

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ニューヨーク北部のロチェスター大学の機械工学者が発表したときの驚きを想像してください。 他の希土類元素であるルテチウムで作られた水素化物。 によると 彼らの結果、水素化ルテチウムは弱い華氏70度および1ギガパスカルで超伝導します。 それはまだ海面で地球の気圧の10,000倍ですが、工業用具で使用するのに十分低いです。

「高圧ではない」 エヴァ・ジュレク、Buffalo大学の理論化学者。 「複製できるなら [this method] とても重要かもしれません。」

しかし、科学者たちはまだ歓声を上げていません。 彼らは以前この種の試みを見たことがあります。 2020年に同じ研究グループが発見したと主張しました。 炭素と硫黄の水素化物中の室温超伝導性。 初期のファンファール以来、多くの同僚が データを誤って処理しました。 そして彼らの仕事は複製することはできません。 結局、ロチェスター大学のエンジニアは屈服します 紙を撤回した。

今、彼らはルテチウム超伝導体について同じ質問に直面しています。 Greeneは「本当に確認する必要があります」と言います。 初期の兆候は不吉です：最近、中国南京大学のチーム 実験を再現しようとしました。成功なし。

「多くのグループがこれを再現できるはずです」とGreeneは付け加えます。 「これが正しいかどうかはとても早くわかるようです」

しかし、新しい水素化物が最初の常温超伝導体を表示する場合、次のことはどうなりますか？ エンジニアは明日、地球全体に電力線を接続し始めますか？ 少し落ちる。 第一に、彼らはこの新しい物質が異なる温度と条件でどのように振る舞うか、そしてより小さな規模でどのように見えるかを理解する必要があります。

「まだ構造が何であるかわかりません。 私の考えでは、高圧水素化物とはかなり異なるでしょう。」とZurekは言います。

超伝導体が実行可能であれば、エンジニアはそれを日常的に使用する方法を学ぶ必要があります。 しかし、彼らが成功すれば、結果は世界を変える技術への贈り物になることができます。