Das Monopol wird gebrochen: Der erste Verdünnungskühlschrank meines Landes für Quantencomputer wird auf den Markt gebracht! Wie verändert die Supraleitungstechnologie die Welt?

Am 26. Februar gaben das Anhui Quantum Information Engineering Technology Research Center und USTC Guodun Quantum Technology Co., Ltd. gemeinsam bekannt, dass der im Inland produzierte Verdünnungskühlschrank ez-Q Fridge die Leistungstests abgeschlossen habe. Die tatsächlichen Betriebsindikatoren des Geräts hätten das internationale Mainstream-Niveau ähnlicher Produkte erreicht, was ihn zum ersten kommerziell erhältlichen und in Massenproduktion hergestellten Verdünnungskühlschrank für supraleitende Quantencomputer in China mache. Der Verdünnungskühlschrank ist ein zentrales Bauelement für den Bau supraleitender Quantencomputer. Die Entwicklung supraleitender Computer ist untrennbar mit supraleitenden Materialien verbunden und die Geräte müssen normalerweise bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Was also sind supraleitende Materialien und wie funktionieren sie bei niedrigen Temperaturen? Lassen Sie uns supraleitende Materialien näher betrachten und mehr über ihre Vergangenheit und Gegenwart erfahren.

Um supraleitende Materialien zu verstehen, müssen wir mit dem Phänomen der Supraleitung beginnen. Im Jahr 1911 kühlte der niederländische Physiker Onnes metallisches Quecksilber auf unter 4 K ab (K ist die Kelvin-Temperatur, 4 K entspricht ungefähr -269,15 °C) und stellte fest, dass der Widerstand auf fast Null sank. Dies ist der Ursprung des Phänomens der Supraleitung. In der Folgezeit wurde die Forschung an supraleitenden Materialien zu einem heißen Thema. Im Jahr 1933 entdeckte der deutsche Physiker Meissner, dass sich bei der Annäherung eines Magneten und eines Supraleiters unter dem Einfluss des Magnetfelds des Magneten ein supraleitender Strom auf der Oberfläche des Supraleiters bildet. Das durch den supraleitenden Strom erzeugte Magnetfeld ist in seiner Stärke gleich und in seiner Richtung entgegengesetzt zum Magnetfeld, das durch den Magneten im Inneren des Supraleiters erzeugt wird. Nachdem sich die beiden gegenseitig aufheben, wird die magnetische Induktionsintensität im Supraleiter 0, was bedeutet, dass der Supraleiter Antimagnetismus besitzt. Dieses Phänomen wird als Meissner-Effekt bezeichnet. Im Jahr 1962 untersuchte Josephson zwei Supraleiter, die durch ein dünnes Isoliermedium getrennt waren. Wenn Spannung an das Material angelegt wird, wandern Elektronen durch den Isolator von einem Ende zum anderen Supraleiter, als ob sich zwischen dem Supraleiter und dem Isolator ein Tunnel befände. Dieses Phänomen wird Tunneleffekt genannt. Wenn die Spannung entfernt wird, geschieht erneut etwas Magisches. Zwischen den beiden Supraleitern wird immer noch ein schwacher Strom fließen. Dies ist der Josephson-Effekt von Supraleitern. Einfach ausgedrückt haben Supraleiter drei Eigenschaften: Nullwiderstand, Meissner-Effekt und Josephson-Effekt. Wie der Name schon sagt, steht Supraleitung für Supraleitung, also für ein Metall, eine Legierung oder ein zusammengesetztes Material, in dem bei einer bestimmten Temperatur Elektronen frei fließen können, der Widerstand also Null ist.

Wie lauten also die bestimmten Temperaturbedingungen? Supraleitende Materialien werden in Niedertemperatur-Supraleiter und Hochtemperatur-Supraleiter unterteilt. Aber die hohen und niedrigen Temperaturen hier sind nicht die hohen und niedrigen Temperaturen, die wir aus unserem täglichen Leben kennen. Die kritische Temperatur von Niedertemperatur-Supraleitern liegt unter 25–30 K, während die kritische Temperatur von Hochtemperatur-Supraleitern über 25–30 K liegt. Das Kühlmittel für Niedertemperatur-Supraleiter ist flüssiges Helium mit einer Temperatur unter 4,2 K, während das Kühlmittel für Hochtemperatur-Supraleiter flüssiger Wasserstoff und flüssiger Stickstoff ist. Aber warum entsteht Supraleitung? Die 1957 von Bardeen, Cooper und Schrieffer vorgeschlagene Theorie war die erste, die der Welt die Ursache der Supraleitung enthüllte. Diese Theorie versteht das Phänomen der Supraleitung als einen makroskopischen Quanteneffekt. Die Theorie besagt, dass sich in supraleitenden Materialien zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und Impuls zu „Cooper-Paaren“ zusammenschließen können. In einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen tauschen die „Cooper-Paare“ keine Energie mit dem Elektronengitter aus und können sich verlustfrei im Gitter bewegen, d. h. der Widerstand verschwindet und es entsteht ein supraleitender Strom. Die wichtigsten Vertreter der Niedertemperatur-Supraleitermaterialien sind Niob-Titan-Legierungen (NbTi), Niob-Zinn-Legierungen (Nb3Sn), Niob-Aluminium-Legierungen (Nb3Al) und andere Legierungen. Da Niedertemperatur-Supraleitermaterialien jedoch eine teure Umgebung aus flüssigem Helium erfordern, ist ihre Anwendung begrenzt. Hochtemperatur-Supraleitermaterialien können in einer kostengünstigen Kühlumgebung mit flüssigem Stickstoff verwendet werden. Zu ihren wichtigsten Vertretern zählen Verbindungen wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) und Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (BSCCO).

Wissenschaftler glauben, dass auf Supraleitung basierende Technologie die Welt verändern kann. Was sind also die spezifischen Anwendungen supraleitender Materialien?

Supraleitende Magnete sind der Bereich, in dem supraleitende Materialien am häufigsten eingesetzt werden, und sie finden im medizinischen Bereich vielfältige Anwendung. Bei der Magnetresonanztomographie-Technologie für medizinische Tests ist für die Patientenuntersuchung eine Umgebung mit starkem Magnetfeld erforderlich. Die supraleitende Spule aus supraleitenden Materialien weist die Eigenschaft des Nullwiderstands auf und der elektrische Strom kann ein starkes Magnetfeld erzeugen, um diese Anforderung zu erfüllen.

Große wissenschaftliche Forschungsgeräte wie Hochenergie-Teilchenkollider und Teilchenbeschleuniger kommen ohne supraleitende Magnete nicht aus. Bei der Übertragung elektrischer Energie über herkömmliche Leitungen kommt es nicht um das Problem des Energieverbrauchs durch Widerstand herum, und etwa 10 % der elektrischen Energie gehen in Form von Wärme verloren. Durch die Nullwiderstandseigenschaften supraleitender Kabel können Energieverluste wirksam vermieden und im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln 40–80 % Energie eingespart werden.

Supraleitende Computer sind eine wichtige Forschungsrichtung im Computerbereich des 21. Jahrhunderts. Supraleitende Computer, die ausschließlich auf einfachen supraleitenden Geräten basieren, können 50 Milliarden Anweisungen pro Sekunde ausführen, was 100-mal schneller ist als die schnellsten derzeit verfügbaren Materialien auf Siliziumbasis.

Durch den Einsatz supraleitender Technologie können supraleitende Quanteninterferometer für Waffen und Ausrüstung hergestellt werden, die die Fähigkeit zur Erkennung des umgebenden Magnetfelds und seiner Empfindlichkeit demonstrieren. Es kann auch zur Herstellung supraleitender Infrarotdetektoren sowie supraleitender elektromagnetischer Antriebssysteme, supraleitender Panzer, supraleitender Flugzeuge, supraleitender Trägerraketen usw. verwendet werden.

Die Anwendungen supraleitender Materialien sind keineswegs darauf beschränkt. Die Menschheit hat nie aufgehört, supraleitende Materialien zu erforschen und Supraleiter weisen einen florierenden Entwicklungstrend auf. Wenn man auf die Entwicklung des letzten Jahrhunderts zurückblickt, kann man feststellen, dass die Supraleitungstechnologie die Welt beeinflusst hat und dass es noch immer viel Raum für die Forschung gibt, die allen Aspekten des menschlichen Lebens zugutekommt.

(Mo Zunli ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und Lv Wenbo ist Masterstudent an der Northwest Normal University)