Was genau ist Supraleitung? Vertrauen Sie mir, Sie werden das bestimmt verstehen.

Supraleitung kann als der „Star“ der Physikwelt bezeichnet werden und jede neue Entwicklung kann eine Welle des Verkehrs mit sich bringen. Im vergangenen Juli behauptete ein südkoreanisches Forscherteam, es sei ihm gelungen, den weltweit ersten Supraleiter für Raumtemperatur und Normaldruck zu synthetisieren. Diese bahnbrechende Neuigkeit erregte sofort weltweite Aufmerksamkeit. Welche Geheimnisse verbirgt diese hoch angesehene Persönlichkeit der Physikwelt?

Was ist Supraleitung?

Abhängig von ihrer Leitfähigkeit können alltägliche Materialien als Isolatoren, Halbleiter und Leiter klassifiziert werden. Es gibt einen besonderen Leitertyp, der im „supraleitenden Zustand“ als „Supraleiter“ bezeichnet wird. Der „supraleitende Zustand“ beschreibt einen Zustand, in dem bei bestimmten Materialien unter bestimmten Tieftemperaturbedingungen der elektrische Widerstand auf Null sinkt und sie gleichzeitig völligen Antimagnetismus aufweisen.

Supraleiter Bildquelle: Rochelle University

Dieses Phänomen ist der erste vom Menschen entdeckte makroskopische Quanteneffekt. Auch im Bereich der Physik ist es eine einzigartige Landschaft voller Geheimnisse und Schönheit.

Wie wurde die Supraleitung entdeckt?

Die Supraleitung wurde erstmals 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Im Labor gelang es ihm, extrem reines Quecksilber herzustellen und es bis nahe an den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) abzukühlen. Als er den Widerstand von Quecksilber maß, stellte er überrascht fest, dass der Widerstand des Quecksilbers plötzlich verschwand, als die Temperatur unter 4,2 K (-268,95 °C) fiel, und eine nahezu perfekte Leitfähigkeit aufwies.

Dies war eine revolutionäre Entdeckung. Er nannte dieses Phänomen „Supraleitung“ und erhielt dafür 1913 den Nobelpreis für Physik.

Die niederländische Physikerin Heike Kameling Onnes

Im Januar 1986 gaben der Schweizer Physiker Karl Alexander Müller und sein deutscher Kollege Johannes Georg Bednorz bekannt, dass sie einen Typ Kupferoxid-Supraleiter mit einer kritischen Temperatur von bis zu 30 K (-243,15 °C) entdeckt hätten. Die Entdeckung dieser Hochtemperatur-Supraleitung widerlegte die Vorstellung, dass Supraleitung nur bei extrem niedrigen Temperaturen existieren könne, und führte 1987 zur Auszeichnung mit dem Nobelpreis für Physik. Seitdem haben Wissenschaftler eine Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern entdeckt, deren kritische Temperaturen über der Temperaturzone von flüssigem Stickstoff liegen.

Der Schweizer Physiker Carl Alexander Müller

Der deutsche Physiker Johannes Georg Bednorz

Bildquelle: Internet

Warum entsteht Supraleitung?

Um tiefer in die Natur der Supraleitung einzudringen, müssen wir zunächst verstehen, warum gewöhnliche Leiter Widerstand erzeugen:

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Widerstand eines gemeinsamen Leiters

Stellen Sie sich einen sonnigen Tag vor, an dem Schmetterlinge fröhlich mit den Flügeln schlagen und auf die blühenden Sonnenblumen zufliegen. In der geheimnisvollen mikroskopischen Welt sind Elektronen, die frei in einem Leiter herumfliegen, wie Schmetterlinge. Sobald sie vom elektrischen Feld angezogen werden, bewegen sie sich in eine bestimmte Richtung, nämlich in Richtung des Pluspols der Stromquelle.

Obwohl die frechen Schmetterlinge (freie Elektronen) die Fähigkeit haben, frei zu fliegen, werden sie auf ihrer Reise zu den schönen Sonnenblumen (Pluspol der Stromversorgung) immer wieder auf Hindernisse durch unangenehme Spinnen (Zentralatome) stoßen; Um sich aus den Fesseln dieser Spinnen (Zentralatome) zu befreien, werden die Schmetterlinge hart kämpfen.

In ähnlicher Weise wirken die Zentralatome, die in einem Leiter um die freien Elektronen verteilt sind, wie Spinnen. Wenn die freien Elektronen versuchen, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen, kollidieren sie unvermeidlich mit den umgebenden Zentralatomen, und diese Kollision führt dazu, dass die Bewegung der freien Elektronen behindert wird.

Trotz zahlreicher Hindernisse lassen die Schmetterlinge (freie Elektronen) in ihrem Verlangen nach der Sonnenblume (positive Energiequelle) nicht nach und schlagen weiter mit den Flügeln und fliegen. Ebenso behalten die freien Elektronen stets ihre Bewegungsrichtung zum Pluspol der Stromquelle bei und bewegen sich weiter.

Schließlich flog der Schmetterling (freies Elektron) entschlossen auf die blühende Sonnenblume in seinem Herzen (den Pluspol der Stromversorgung) zu; Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem Ausbrechen des freien Elektrons aus den Zwängen des Zentralatoms und dem erfolgreichen Erreichen seines endgültigen Ziels – dem Pluspol der Stromversorgung.

Bei der Bewegung freier Elektronen und ihrer Kollision mit dem Zentralatom wird Energie von den freien Elektronen auf das Zentralatom übertragen, das diese Energie dann in Form von Wärme an die Umgebung abgibt. Aus makroskopischer Sicht ist dies der Grund, warum elektrischer Strom beim Fließen durch einen herkömmlichen Leiter auf Widerstand stößt.

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Null Widerstand in Supraleitern

Wie bereits erwähnt, haben Supraleiter zwei wichtige Eigenschaften: Eine davon ist der Zustand des Nullwiderstands. Wie kommt es also zum Nullwiderstandszustand von Supraleitern im Vergleich zum Widerstandszustand herkömmlicher Leiter?

Stellen Sie sich vor, dass die Schmetterlinge (freien Elektronen), die ursprünglich leicht, frei und tanzend waren, bei einem plötzlichen Abfall der Umgebungstemperatur auf -196 °C beispiellosen Herausforderungen ausgesetzt zu sein scheinen. Um in dieser rauen Umgebung mit niedrigen Temperaturen zu überleben, fliegen sie nicht mehr wie üblich allein, sondern wählen eine neue Überlebensstrategie – sie umarmen sich paarweise (Cooper-Paar).

Die sich umarmenden Schmetterlinge (Cooper-Paare) schmiegen sich eng aneinander, als würden sie eine kleine Lebensgemeinschaft bilden. So trotzen sie gemeinsam der Kälte draußen, halten sich gegenseitig warm und überwinden gemeinsam Schwierigkeiten. Das Erstaunliche dabei ist, dass der „Schmetterling CP“ allen Hindernissen auf seinem Weg perfekt auswich und schließlich die Sonnenblume in der Ferne erreichte (den Pluspol der Stromversorgung).

In der mikroskopischen Welt der Supraleiter zeigen freie Elektronen in einer Umgebung mit solch niedrigen Temperaturen ein ähnliches Verhalten. Sie schließen sich paarweise zu Cooper-Paaren zusammen, genau wie Schmetterlinge, die sich umarmen, und bewegen sich dann gemeinsam in Richtung des Pluspols der Stromquelle. Dadurch wird der ungehinderte Stromfluss im Supraleiter erreicht, also der Zustand des Nullwiderstands.

Wenn sich in einem Supraleiter Cooper-Paare bilden und sich zu bewegen beginnen, findet zwischen ihnen und dem Zentralatom kein Energieaustausch statt, das heißt, es findet keine Übertragung und Freisetzung von Energie statt. Dieser spezielle Zustand auf makroskopischer Ebene ist der grundlegende Grund dafür, dass Supraleiter keinen Widerstand aufweisen können.

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Vollständiger Diamagnetismus von Supraleitern

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft von Supraleitern ist der vollständige Diamagnetismus, ein Phänomen, das oft als „Meissner-Effekt“ bezeichnet wird.

Insbesondere können die magnetischen Feldlinien unter Raumtemperaturbedingungen leicht in Supraleiter eindringen; Sobald der Supraleiter jedoch unter die Übergangstemperatur zur supraleitenden Phase abgekühlt wird, scheint er über eine magische Kraft zu verfügen, die das Magnetfeld fast vollständig aufhebt und die magnetischen Linien nicht mehr in den Supraleiter eindringen können. Diese Abstoßung des Magnetfelds ist so stark, dass der Supraleiter über dem Magneten schweben kann, wodurch sein einzigartiger Diamagnetismus demonstriert wird.

Das Prinzip des „Meissner-Effekts“ besteht darin, dass beim Eintritt in einen supraleitenden Zustand und der Einwirkung eines externen Magnetfelds ein elektrischer Strom auf der Oberfläche des Supraleiters erzeugt wird. Die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder heben die Wirkung des äußeren Magnetfelds auf und bilden einen speziellen Gleichgewichtszustand, der die magnetische Induktionsintensität im Inneren des Supraleiters auf nahezu Null reduziert. Dieses Phänomen ist Ausdruck der einzigartigen physikalischen Eigenschaften von Supraleitern.

Wozu dient Supraleitung?

Die breite Anwendung der Supraleitungstechnologie hat in vielen Bereichen Einzug gehalten und ihr enormes Potenzial und ihren Wert unter Beweis gestellt.

Bereich der medizinischen Bildgebung

Supraleitende Magnete spielen eine entscheidende Rolle. Es kann ein starkes und stabiles Magnetfeld erzeugen, eine Eigenschaft, die insbesondere bei medizinischen Diagnosetechnologien wie der Magnetresonanztomographie (MRT) wichtig ist. Durch den Einsatz supraleitender Magnete können Auflösung und Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebung deutlich verbessert werden, wodurch Ärzte eine genauere und zuverlässigere Grundlage für die Diagnose von Krankheiten erhalten.

Supraleitendes MRT-System

Energiesystemfeld

Aufgrund ihrer verlustfreien Eigenschaften hat die supraleitende Energietechnologie großes Potenzial gezeigt. Der Einsatz supraleitender Transformatoren, supraleitender Energiespeicher, supraleitender Strombegrenzer und supraleitender Kabel in Stromversorgungssystemen kann die Betriebseffizienz und Stabilität herkömmlicher Stromversorgungssysteme deutlich verbessern und Energieverschwendung und Umweltverschmutzung wirksam reduzieren.

Darüber hinaus können supraleitende Kabel auch zum Verbinden von Stromquellen und Lasten, wie etwa Windkraft- und Solaranlagen, verwendet werden und leisten so einen wichtigen Beitrag zur großflächigen Nutzung erneuerbarer Energien.

Das weltweit erste 35-kV-Kilometer-Supraleiterkabel wird in Shanghai in Betrieb genommen

Bau großer wissenschaftlicher Anlagen

Supraleitende Magnete spielen dabei eine unverzichtbare Rolle. Damit können hochmoderne Geräte wie große Teilchenbeschleuniger, vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusionsanlagen und Synchrotronstrahlungsquellen hergestellt werden. Durch den Betrieb und die Nutzung dieser großen wissenschaftlichen Einrichtungen können Wissenschaftler die Mikrostruktur und die grundlegenden Gesetze der Materie gründlich erforschen und gleichzeitig die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und neuer Energien solide unterstützen.

Großes wissenschaftliches Gerät - „künstliche Sonne“ - vollständig supraleitender Tokamak (EAST)

Bereich Quantencomputing

Bei der Entwicklung von Quantenbits und Quantencomputern wird Supraleitung zur Herstellung von Quantenbits (Qubits) genutzt, den Grundbausteinen von Quantencomputern. Quantencomputer nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, um Rechengeschwindigkeiten und -fähigkeiten zu erreichen, die die herkömmlicher Computer bei weitem übertreffen. Sie können eine Reihe schwieriger Probleme lösen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu lösen sind, wie etwa Kryptografie, Optimierungsprobleme und künstliche Intelligenz.

Heute wurde der unabhängige supraleitende Quantencomputer der dritten Generation meines Landes, „Benyuan Wukong“, erfolgreich realisiert und hat mehr als 178.000 Rechenaufgaben abgeschlossen.

Supraleitende Quantencomputer-Cloud-Plattform

ENDE

Autor:

Wang Yinshun, Geschäftsführer der Beijing Refrigeration Society, Professor der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, North China Electric Power University

He Ye, Shi Yanchen, Mitglieder der Beijing Refrigeration Society, Doktoranden an der School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University

Herausgeber: Dong Xiaoxian