2014 m. lapkričio 26 d., trečiadienis

Referatas: Aukštos temperatūros superlaidininkai (HTS)

Pasiaiškinimas
Kai prireikė rašyti referatą, teko susidurti su puslapiais, kur jų galima gauti, t.y. nusipirkti. Žinoma, tai galėtų būti neblogas informacijos šaltinis, ypač tokios informacijos, kuri užvestų ant kelio, tačiau yra viena menka problemėlė, tokia visai menka, maždaug dviejų ar trijų litų didumo. Man principai neleido mokėti pinigų už tą informaciją, ypač kai jos nei cituoti, nei pasitikėti ja 100 procentų negalima. Apie pirkto referato atidavima dėstytojui išvis nekalbu. Žinoma, paskutinis nusistatymas gal ir pasikeis, mokantis toliau, tačiau tikiuosi, jog to nebus.


Tai va, pasirašiau referatą, jį atidaviau, tai negi dabar jį tiesiog numest į kokį disko užkampį? Kažkaip toks variantas nelabai prie širdies, todėl taip va pagalvojau, kad galiu juo ir pasidalint. Mažai tikėtina, kad kas gaus tiksliai tokią temą, ir galės nukopijuot visiškai, tačiau bendrai ieškant informacijos ta tema gal kam ir pravers, be to, tai visai įdomi tema.
Iškart teisinuos dėl galimų neatitikimų ir kitų kliurkų: tai mano, pirmakursio, pirmas referatas. O ir jei kur suklydau su informacija - būkit geri, pasakykit, pasitaisysiu.
Gero skaitymo.

Įvadas
Superlaidumo reiškinys jau daugiau nei šimtmetį verčia viso pasaulio mokslininkus šaldyti įvairiausias medžiagas ir stebėti jų bei jų savybių elgseną. Nuo pat jo atradimo 1911 metais pasiekta tikrai daug: atrasta galybė superlaidžių elementų bei jų junginių, kurie vienas nuo kito skiriasi skirtingomis savybėmis. Įdomiausia tai, kad superlaidžios medžiagos labai greit surado savo vietą ne tik laboratorijose bei teorinių skaičiavimų lapuose, bet ir realiame gyvenime: superlaidūs magnetai naudojami moksliniams tyrimams, ypatingai stiprų magnetinį lauką kuriančios ritės naudojamos medicinoje neinvazinei diagnostikai, superlaidumo reiškinys vis labiau pritaikomas energijos kaupimo bei perdavimo realaus gyvenimo sąlygomis užduotims.
Superlaidumo istorijoje būta keleto šuolių, kurie stipriai išjudindavo tuometinį supratimą apie superlaidumo atsiradimą bei egzistavimą medžiagose. Iki pat šių dienų vykdomi moksliniai tyrimai, parašyta ir publikuota virš šimto tūkstančių įvairių publikacijų šia tema. Ir visgi daug klausimų iki šiol neatsakyta. Tuo tarpu šiame referate bus bandoma apžvelgti pagrindinius įvykius ir superlaidumą kaip reiškinį, taip pat jo taikymą realiame gyvenime ir perspektyvas.

Superlaidumas iki HTS atradimo
Istorija
1908 metai, liepos 8 diena, pusė aštuonių vakaro. Leideno universiteto laboratorijoje esančio termometro rodyklė sustojo ties 4°K riba. Heike Kamerlingh Onnes, vadovaujantis laboratorijoje dirbančiai komandai, žvilgterėjęs  į talpą, kurioje buvo helio (He) dujos, pastebėjo, kad termometro laidai apsemti ten atsiradusio skysčio. Tai buvo 60 ml skysto helio, paskutinių likusių nesuskystintų dujų [1]. Skysto helio gavimą galima priskirti superlaidumo atradimo priešistorei, nes tik helio virimo temperatūra yra ypač maža, siekianti –268,9°C, kas yra lygu 4,25°K temperatūrai. Savaime aišku, kad tokių ekstremalių sąlygų sukūrimas skatino tirti medžiagų savybes jose, kas iš tiesų jau buvo daroma nuo 1898 metų, kai James Dewar pirmasis suskystino vandenilį.
Praėjus trims metams po skysto helio gavimo, 1911 balandžio 8 dieną, Heike Kamerlingh Onnes, tirdamas gyvsidabrio (Hg) laidumą ypač žemose temperatūrose, kurias pasiekti leisdavo skysto helio kaip šaldymo elemento naudojimas, pastebėjo, kad prie ypač žemos temperatūros gyvsidabrio varža praktiškai išnyksta. Savo užrašuose H. K.  Onnes rašė: “Gyvsidabrio [varža] praktiškai nulis [prie temp. 3°K]“ [2]. Esant temperatūrai 4,2°K varža nuo maždaug 0,01Ω krito iki praktiškai neišmatuojamo dydžio (1 pav.) Temperatūra, kurioje praktiškai išnyksta bandinio varža, buvo pavadinta kritine temperatūra Tk.

1 pav. Gyvsidabrio varžos priklausomybė nuo temperatūros. Grafikas iš H. K. Onnes užrašų [2]

Nuo to laiko superlaidumas – vienas didžiausių mokslo bendruomenės iššūkių. Buvo tiriamos įvairios medžiagos įvairiose temperatūrose. Superlaidžios medžiagos dabar jau pakankamai plačiai naudojamos pramonėje bei tyrimuose, bandoma sukurti vis aukštesnėje temperatūroje superlaidumu pasižyminčias medžiagas bei jų lydinius, kas sąlygotų didžiulius perversmus pramonėje, tyrimuose ir netgi buityje. Būtent todėl superlaidumo tyrimai iki šiol išlieka ypatingai svarbūs. Šiame referate pirmiausiai bus aptariama superlaidumo istorija, teorijos bei praktinė nauda. Referato pagrindinis tikslas – apžvelgti aukštos temperatūros superlaidumo (High temperature superconductivity, HTS) reiškinį, jo taikymą bei veikimą aiškinančias teorijas.

Superlaidumo tyrimai po jo atradimo 1911 metais
Įvykiai, paminėti anksčiau, ir įvykę 1911 metų balandį, paskatino ieškoti vis daugiau naujų medžiagų, įgaunančių superlaidumą prie itin žemų temperatūrų. Gyvsidabrio panaudojimas superlaidumui tirti buvo sudėtingas uždavinys: jis nuodingas, be to, elemento varžai matuoti paruošimas buvo taip pat pakankamai laiko atimantis darbas – pradžioje H. K. Onnes naudodavo ypatingai švarų gyvsidabrį – Leideno universiteto laboratorijos turėjo didelę patirtį gyvsidabrio garinime ir kondensavime. H. K. Onnes savo užrašuose 1913 metais rašė: „Mano nustebimui, [gyvsidabrio lydinių] varža dingdavo lygiai taip pat, kaip ir gryno gyvsidabrio; daug laiko, skirto paruošti grynam gyvsidabriui ... buvo galima sutaupyti“ [2]. Tai patvirtino faktą, kad gyvsidabris – ne vienintelė medžiaga, kurios varža labai žemoje temperatūroje priartėja prie nulio. Po keleto mėnesių Leideno universiteto komanda atrado, kad švinas bei alavas (kuris, beje, buvo pirmoji medžiaga, kurioje pastebėtas Meissner‘io efektas, aptariamas žemiau)  taip pat virsta superlaidininkais atitinkamai prie Tk 6°K ir 4°K. Šių atradimų dėka mokslininkai galėjo toliau vykdyti superlaidumo tyrimus be trukdžių, kuriuos sąlygojo gyvsidabrio naudojimas.
Tirdamas superlaidžias medžiagas, H. K. Onnes turėjo buvo labai nuviltas 1914 metais atliktų eksperimentų rezultatais, kurių metu paaiškėjo magnetinio lauko įtaka superlaidumui: švino bandiniui ties 4,25°K kritinis magnetinis laukas buvo 600 gausų (G). Iki šio eksperimento H. K. Onnes ne kartą buvo garsiai pasvajojęs apie superlaidžias rites, sukursiančias iki 100.000 G (10 Teslų). Tiesa, dalinai šios svajonės išpildytos jau ir dabar – CERN LHC dirba ritės, kurių kuriamas magnetinis laukas yra 8 T, tik ten naudojamas Niobio-Titano lydinys [2].

Meisnerr‘io ir Echsenfeld‘o atrastas efektas
Kitas svarbus žingsnis superlaidumo tyrimuose buvo žengtas 1933 metais, kai vokiečių mokslininkai Walther Meissner ir Robert Ochsenfeld atrado, kad superlaidžios medžiagos tampa idealiais diamagnetikais – magnetinis laukas visiškai išstumiamas iš superlaidžios medžiagos (2 pav.): kai T>Tk (kairėje), magnetinis laukas B praeina kiaurai bandinį; tačiau kai T nukrenta žemiau Tk (T<Tk), magnetinis laukas išstumiamas iš superlaidžios medžiagos (dešinėje).

2 pav. Meissner‘io efektas superlaidininke. Šaltinis wikipedia.org

Šį fenomeną pirmieji aiškino broliai Fritz ir Heinz London 1935 metais. Superlaidininkas neįleidžia į save magnetinio lauko (nesvarbu, kintamo ar nuolatinio), jeigu magnetinio lauko stipris nedidesnis H už kritinį magnetinio lauko stiprį Hc. Magnetinis laukas įsiskverbia į superlaidininką tik per nedidelį Londono įsiskverbimo gylį, kuris daugumai superlaidininkų būna 100 nm eilės. Londonų lygtys  leido susieti kritinį srovės stiprį Ic bei kritinį magnetinį lauką Hc. Tačiau Londonų lygtys nepaaiškino superlaidumo reiškinio mikroskopiniame lygyje – tai buvo tiesiog elektrodinaminių savybių teorija. Šios lygtis savo naudojimo prasme dažnai prilyginamos Omo dėsniui – jos paaiškina daugelio paprastų metalų elgesį, tačiau nepaaiškina superlaidumo reiškinio.
1950 metais tarybiniai mokslininkai Ginzburg bei Landau pasiūlė fenomenologinę teoriją, kuri turėjo paaiškinti superlaidumo buvimą. Šios teorijos mintis įkvėpta supertakumo atradimo prieš šiek tiek daugiau nei dešimt metų: buvo daroma prielaida, kad elektronai medžiagoje, kurios temperatūra žemesnė nei kritinė temperatūra, įgyja supertakumo savybių ir keliauja medžiaga be jokio pasipriešinimo, dėl ko ir atsiranda superlaidumas.

BCS teorija
1957 metais trys mokslininkai - Bardeen, Cooper ir Schrieffer pirmieji paaiškino superlaidumo veikimą mikroskopiniame lygmenyje. Šia teorija, kuri buvo pavadinta BCS teorija (lietuviškai – BKŠ teorija), remiamasi iki šiol, o jos esmė – elektronai, sudarantys poras, kurios juda kristaline medžiagos gardele praktiškai be jokio pasipriešinimo. Elektronų pora vadinama vieno iš teoriją sukūrusių mokslininkų, Kuper‘io vardu – Kuperio pora (3 pav.).



3 pav. Kuperio poros susidarymas.Šaltinis quarkology.com

Kuperio poros veikimo principas – elektronas, judantis kristalinėje gardelėje, kai temperatūra žemesnė už kritinę, nežymiai pritraukia teigiamus jonus poliarizuodamas gardelę, todėl aplink jį ima formuotis lokalus teigiamas krūvis, kuris juda kartu su judančiu elektronu. Šis teigiamas krūvis gali pritraukti kitą elektroną, todėl susidaro elektronų pora, kuri juda per kristalinę gardelę praktiškai be pasipriešinimo. Elektronai, sudarantys Kuperio poras dažniausiai pasižymi priešingais sukiniais, nes tokiu atveju didžiausia sąveika tarp elektronų. Kadangi atstumas tarp elektronų, esančių Kuperio poroje yra iki 104 didesnis nei gardelės konstanta, elektronai turi pakankamai daug „pasiekiamoje“ erdvėje judančių elektronų, kurie taip pat yra sudarę poras. Todėl elektronų poros gali keistis elektronais – suardyti ir sudaryti kitas Kuperio poras. Tačiau temperatūrai pakilus aukščiau kritinės, elektronų bei kristalinės gardelės virpesiai labai padidėja, o kadangi Kuperio porų sudarymo energija yra labai maža, jos nebeužtenka išlaikyti elektronus poroje, todėl  pora suyra – superlaidumas dingsta [3].

I ir II superlaidininkų tipai
Ši teorija numatė, kad maksimali kritinė temperatūra visiems superlaidininkams turėtų būti apie 30°K [4], ką pasiekti nėra nei lengva, nei pigu. Tačiau situacija pradėjo keistis, kai tais pačiais metais, kada buvo paskelbta BCS teorija, tarybinis mokslininkas Abrikosov, nagrinėdamas eksperimentų ataskaitas pastebėjo, kad ne visi superlaidininkai vienodai pasižymi diamagnetizmu. Vienos medžiagos magnetinį laiką išstumia visiškai, kitose susidaro maži magnetinio lauko sūkuriukai, einantys per visą medžiagos tūrį. Šis atradimas davė pradžią superlaidžių medžiagų skirstymui į du tipus: I tipą ir II tipą.
Pirmo tipo superlaidininkai pasižymi tuo, kad savo superlaidumo savybes praranda iškart, kai viršijamas kritinis magnetinis laukas arba viršijama kritinė srovė. Dažniausi šio tipo atstovai – gryni metalai, kaip kad aliuminis, švinas ar gyvsidabris. Taip pat jie gali įgauti tarpinę būseną, kuri buvo aprašyta jau minėto mokslininko Landau – tai susiskirstymo į makroskopinius superlaidžius ir nesuperlaidžius domenus. Dalis pirmojo tipo superlaidžių medžiagų [6]:

1 lentelė. Pirmojo tipo superlaidininkai
Elementas Tc, °K
Al 1.2
In 3.408
Sn 3.722
Hg 4.153
Ta 4.47
La 6.00
Pb 7.193


Antrojo tipo superlaidininkai turi dvi magnetinio lauko kritines normas. Kai pasiekiama žemesnė kritinio lauko riba, superlaidžioje medžiagoje susiformuoja magnetinio lauko sūkuriai, einantys per visą bandinio tūrį ( 4 pav.), tačiau už sūkurio ribų išlieka superlaidumo savybės.



4 pav. Sūkurių antrojo tipo superlaidininke kvadratinė ir trikampė gardelė

Magnetiniam laukui viršijus antrąją, aukštesnę ribą, superlaidumas išnyksta visiškai. Žemiau – dalis antrojo tipo superlaidžių medžiagų [6] :

2 lentelė. Antrojo tipo superlaidininkai


Kaip matyti iš lentelių, pirmojo tipo elementai (daugiausiai) yra gryni metalai, tuo tarpu antrojo tipo – lydiniai arba keraminiai junginiai.

Aukštos temperatūros superlaidininkai

Kelias iki aukštos temperatūros superlaidininkų atradimo
Ilgą laiką, iki devintojo praeito amžiaus dešimtmečio kritinė temperatūra naujai atrandamiems superlaidininkams pasikeitė nedaug – vos keletu laipsnių. Po Nb3Ge  lydinio, kurio Tc=23°K, atradimo 1973 metais, situacija praktiškai nepasikeitė, nes kritinės temperatūros rekordas nepadidėjo nei vienu laipsniu.
Pirmasis aukštos temperatūros laidumą teoriškai numatė vokiečių mokslininkas Frolich dar 1954 metais, sekantys pasvarstymai atsirado po dešimties metų. Susidomėjimas aukštos temperatūros laidininkais augo, tačiau pasiekti skysto azoto virimo temperatūrą nesisekė nei praktiniais bandymais, nei teoriniais modeliavimais. 1975 metais A. W. Sleight pranešė, kad superlaidumas pastebėtas medžiagoje BaPb(1-x)BixO3 , ir kad kritinė temperatūra šioje medžiagoje, siekianti 13°K priklausė nuo Bi/Pb santykio – tai buvo superlaidžių oksidų eros pradžia. Tuo metu buvo truputis vilties, kad superlaidumas šioje medžiagoje veiks ne pagal BCS teorijos principus, bet šiandien žinoma, kad taip nėra. 1977 metais P. N. Lebedevo fizikos instituto mokslininkų komanda su prof. Ginzburg‘u priešakyje publikavo knygą „Aukštos temperatūros superlaidumas“. Šioje knygoje jie aptarinėjo galimybes superlaidumui atsirasti daugelyje medžiagų, tame tarpe ir vienmatės bei dvimatės gardelės medžiagose. Knyga sukėlė didelį mokslo visuomenės susidomėjimą, tačiau tai vėlgi buvo tik teoriniai svarstymai.
Devintajame dešimtmetyje prasidėjo naujų superlaidininkų paieška viso pasaulio laboratorijose. Šveicarijoje buvo rastas naujas superlaidininkas PbMo6S8, kurio buvo aukštas kritinis magnetinis laukas, tačiau kritinė temperatūra vis tiek buvo labai žema – apie 16°K. Japonijoje buvo inicijuotas projektas „Nauja superlaidi medžiaga“. [7]

Pirmieji HTS
1987 metais du mokslininkai – Mueller bei Bednorz, dirbantys Ciūricho IBM tyrimų centre, Šveicarijoje, eksperimentavo su naujosiomis keraminėmis medžiagomis ypač žemose temperatūrose. Jie atrado, kad ličio, bario ir vario oksido lydinys prarado varžą ties maždaug 35°K [8] , kas viršijo istoriškai susiklosčiusią kritinės temperatūros ribą pagal BCS teoriją.  Ši žinia buvo labai svarbi ieškant aukštesnės temperatūros superlaidininkų, tačiau šį faktą dar reikėjo patvirtinti. To ėmėsi du universitetai: Hjūstono universiteto komanda su mokslininku Chu bei Tokijo universiteto komanda su profesoriumi Tanaka priešakyje. Šveicarų atradimas buvo patvirtintas, o pasaulio fizikos laboratorijose prasidėjo masinė aukštos temperatūros laidininkų paieška.
1987 metais buvo paskelbta pirmoji teorija, kuri bandė paaiškinti aukštos temperatūros superlaidumo atsiradimą. Fizikas, pavarde Andersonas iš Princtouno universiteto JAV, superlaidumą aukštose temperatūrose bandė paaiškinti remdamasis rezonuojančia valentingumo ryšių teorija, kuri sakė, jog vario oksido gardelėje elektronai kaimyniniuose atomuose sudaro valentinį ryšį, kuris fiksuoja jų padėtį. Tačiau legiruojant šie elektronai gali veikti tarsi Kuperio poros, todėl atsiranda galimybė superlaidumui [9].
Tais pačiais metais profesorius Chu su komanda iš Hiūstono universiteto atrado naują superlaidžią medžiagą – YBa2Cu3O7, kurios kritinė temperatūra buvo apie 90°K [7], kas dar labiau paskatino ieškoti aukštesnės temperatūros superlaidžių medžiagų. Kita vertus – tokia temperatūra jau buvo didelis pasisekimas todėl, kad šią medžiagą buvo galima atšaldyti skystu azotu, kurio virimo temperatūra yra 77°K. Kai kuriuose šaltiniuose netgi skirstymas nurodomas pagal tai, ar medžiaga tampa superlaidi iki skysto azoto virimo temperatūros, ar virš jos: naudojama sąvoka „aukštos Tc klasė“ ir „žemos Tc klasė“ [8], tačiau šis skirstymas nėra vieningai priimtas. Mokslo visuomenė buvo labai džiugiai nusiteikusi, tad buvo organizuojami netgi didžiuliai renginiai : 1987 metų kovo 15 dieną Amerikos fizikų draugija suorganizavo konferenciją aukštos temperatūros laidumo tema. Į JAV suvažiavo keletas tūkstančių mokslininkų, kurie susitiko Hilton viešbutyje New York‘o mieste. Ten vyravo tokia entuziastinga atmosfera, kad kai kurie fizikai šį renginį pavadino „Vudstoku fizikoje“ [7].
Nuo to laiko buvo padaryta didžiulė pažanga tiek teoriniuose, tiek eksperimentiniuose tyrimuose, kas sąlygojo daugelio naujų medžiagų, galinčių tapti superlaidininkais, atsiradimą. To rezultate – 112°K kritinė temperatūra bismuto junginiuose; 126°K titano junginiuose ir 135°K gyvsidabrio junginiuose. Taip pat intensyviai buvo tiriamos ir šių naujųjų aukštos temperatūros superlaidininkų savybės – buvo nustatyta ir patvirtinta, kad kupratų superlaidininkuose superlaidumas atsiranda labai plonuose sluoksniuose tarp CuO2 plokštumų.

Pagrindinės HTS grupės
Naujieji aukštos temperatūros superlaidininkai skirstomi į keletą grupių, iš kurių pagrindinės – kupratai ir geležies pagrindu pagaminti junginiai.
Kupratai – dviejų dimensijų sandaros junginiai, kurių superlaidumo ypatybės pastebimos judant elektronams tarp vario oksido sluoksnių. Kaimyniniai sluoksniai, turintys jonų, kaip lantano, bario, stroncio ir kt. naudojami stabilizuoti struktūrą ir legiruoti elektronus arba skyles vario oksido sluoksnyje.


5 pav. YBa2Cu3O6 struktūra




6 pav. GdBaCuO medžiaga

3 lentelė. Kai kurie kupratai ir jų kritinė temperatūra
Medžiaga Tc, °K
La2-xBaxCuO4 30
La2-xSrxCuO4 38
La2-xSrxCaCuO4 60
YBa2Cu3O7 92
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 125

Geležies pagrindu pagaminti junginiai sudaryti iš geležies ir periodinės elementų lentelės 15 elementų grupės, dar vadinamos azoto grupe, arba 16 grupės, dar vadinamos deguonies grupe. Šios superlaidininkų grupės kritinė temperatūra yra žemesnė, nei kupratų grupės superlaidininkų. Šios grupės junginiais susidomėta nuo maždaug 2006 metų, kai buvo atrastas superlaidumas LaFePO junginyje prie temperatūros 4°K, ir susidomėjimas dar labiau padidėjo 2008 metais, kai analogiška medžiaga LaFeAs(O,F), ją atšaldžius iki 43°K dideliame slėgyje, taip pat įgavo superlaidumo savybių [8] (7 pav.)


4 lentelė. Kai kurie geležies pagrindo superlaidininkai ir jų kritinė temperatūra
Medžiaga Tc, °K
LaO0.89F0.11FeAs26
LaO0.9F0.2FeAs 28.5 
CeFeAsO0.84F0.16 41 
SmFeAsO0.9F0.1 43 
La0.5Y0.5FeAsO0.6 43.1 
NdFeAsO0.89F0.11 52 

.


7 pav. LaFeAsO superlaidininko struktūra. Šaltinis wikipedia.org

Yra ir kitų, labiau egzotinių grupių superlaidininkų medžiagų. Pavyzdys – fuleridų grupė. Fuleridai gaunami į fulereno (medžiagos, kuri sudaryta vien tik iš anglies atomų, ir kurios molekulės forma gali būti sferos arba vamzdelio formos (8 pav.)) molekulę įterpiant keletą šarminio metalo atomų. Tokios medžiagos gali tapti superlaidžiomis temperatūrose iki 38°K – tokioje temperatūroje superlaidumą įgyja medžiaga Cs3C60. [8].


8 pav. Fulereno molekulės modelis

Aukštos temperatūros superlaidininkų panaudojimas 

Magnetų levitacija – Meissner‘io efektas 
Viena iš labiausiai žinomų ir išreklamuotų sričių, kur naudojami superlaidūs magnetai, yra traukinių, kurie juda ant magnetinio lauko pagalvės MAGLEV – pasireiškia Meissner‘io efektas, ir traukinys, nepatirdamas praktiškai jokio pagrindo pasipriešinimo gali judėti kur kas didesniais greičiais bei naudodamas mažiau energijos. Žinoma, sutaupyta energijos dalis su kaupu atiduodama superlaidiems magnetams. Tokio reiškinio panaudojimui paprasti elektromagnetai ne tik kad iššvaistytų labai daug energijos šilumos pavidalu, tačiau ir gabaritai jų turėtų būti gerokai didesni. Tokio reiškinio realaus panaudojimo ne tik moksliniams, bet ir komerciniams tikslams galimybė atsirado 1990 metais, kai Japonijoje toks projektas įgijo nacionalinės svarbos reikšmę. Transporto ministerija patvirtino Yamanashi Maglev bandomąją liniją, kuri buvo atidaryta 1997 metų balandžio 3 dieną. 2003 metų gruodį bandomasis traukinys MLX01 (9 pav.) išvystė netgi 581 km/h greitį. [10]
Nors ši technologija buvo patvirtinta, tolesnis MAGLEV panaudojimas buvo apribotas dėl galimų labai stipraus magnetinio lauko poveikių organizmui. Keletas tokio tipo traukinių buvo uždaryti po naudojimo, vienas dar ir šiandien veikia Šanchajuje, Kinijoje – ten yra 30 km trasa prie Pudong nacionalinio aerouosto. [10]

9 pav. MAGLEV traukinys MLX01 Yamanashi bandomojoje trasoje. Šaltinis wikipedia.org

Magnetinis rezonansas 
Labai naudingai superlaidumas naudojamas magnetinio rezonanso tyrimuose (MRI – magnetic resonance imaging) – neinvazinis žmogaus kūno tyrimas padeda diagnozuoti ligas. Stiprus superlaidaus magneto magnetinis laukas nukreipiamas į tiriamą vietą, kurioje esančios vandenilio molekulės iš vandens ir riebalų priverčiamos priimti energiją iš magnetinio lauko. Tada jos atiduoda gautą energiją dažniu, kuris gali būti aptinkamas ir registruojamas tams skirtos kompiuterinės technikos bei atvaizduojamas ekrane tyrimui. Tiesą sakant, MRI atrastas buvo jau penktajame dvidešimto amžiaus dešimtmetyje, tačiau tyrimai su žmogaus kūnu pirmą kartą atlikti tik 1977 metais. Pirmo tyrimo metu vienam atvaizdavimui prireikdavo 5 valandų, ką šiuolaikinė kompiuterinė technika padaro per sekundės dalis.[10] (10, 11 pav.)


10 pav. MRI sukurtas vaizdas


11 pav. MRI skaneris



Moksliniai subatominių dalelių tyrimai 
Kitas labai žinomas superlaidumo taikymo pavyzdys – subatominių dalelių greitintuvai, kur supermagnetais sukurtas magnetinis laukas naudojamas dalelių srautų nukreipimui. Pavyzdžiui, CERN didžiajame subatominių dalelių greitintuve (LHC) panaudota virš 1600 superlaidžių magnetų (12 pav.), o jiems šaldyti naudojama virš 96 tonų skysto helio – superlaidi medžiaga dirba 1,9°K temperatūroje. Beje, 2008 metų incidentas, dėl kurio buvo kuriam laikui sustabdyta greitintuvo veika, kaip tik ir buvo superlaidaus magneto atšilimas [11].


12 pav. LHC montuojamas superlaidus magnetas. Šaltinis wikipedia.org

Elektros pramonė 
Elektros energijai gaminti, jai valdyti bei perduoti naudojamas varis ar aliuminis yra vieni geriausių laidininkų įprastų medžiagų tarpe, tačiau superlaidininkams jie neprilygsta. Nuo pat superlaidumo atradimo pradžios nulinė varžą domino mokslininkus ir energijos pramonėje dirbančius inžinierius naudojimo privalumais – šiuo metu elektros linijose patiriami didžiuliai energijos nuostoliai, ko galima būtų išvengti naudojant superlaidžias elektros perdavimo linijas.
Elektros generatoriai, pagaminti iš superlaidžių laidininkų, yra daug efektyvesni – jų efektyvumas siekia 99 proc., be to, jie dvigubai mažesni. Šie faktai daro juos labai pageidaujamais energetikoje. Visame pasaulyje vykdomi tokių projektų bandymai, investuojamos didžiulės pinigų sumos.
Kitas panaudojimas – elektros energijos kaupimo įrenginiai. Vienas iš pavyzdžių – superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliai. Juose panaudojamas reiškinys, kuris buvo atrastas pačioje superlaidumo amžiaus pradžioje – jeigu elektros energiją prijungti prie uždaros ritės, kuri pagaminta iš superlaidžios medžiagos, elektros srovė joje tekės labai ilgą laiką. Kriostate patalpinama superlaidi ritė, paprastai gaminama iš niobio-titano lydinio, atšaldoma iki 4°K, todėl nuostolių ritėje praktiškai nėra. Bendras tokios sistemos naudingumo koeficientas – apie 95 proc., nes po keletą procentų energijos prarandama lygintuve ir inverteryje. Pirmieji tokio tipo energijos kaupikliai atsirado dar apie 1970 metus, tuo tarpu dabar jie yra intensyviai naudojami trumpalaikiams elektros energijos trūkumams kompensuoti, ypač ten, kur reikia labai stabilaus energijos tiekimo.

13 pav. 10 MVA galingumo superlaidininkų magnetinės energijos kaupiklio prototipas
Taip pat energijai kaupti naudojama besisukančio smagračio kinetinė energija – smagratis įsukamas iki 20000-50000 aps/min variklio, maitinamo iš elektros tinklo, o esant elektros trūkumui tas pats variklis dirba kaip generatorius – taip stabilizuojami elektros srovės svyravimai. Tokio tipo energijos kaupimo sistema nėra naujiena – netgi senovėje puodų žiedimo staklės naudojo tą patį principą, o ir elektrai kaupti naudojami smagračiai, kurie juda ant magnetinių guolių, tačiau superlaidūs guoliai dar labiau sumažina energijos nuostolius. Žinoma, smagratis sukasi hermetiškoje talpoje, kurioje palaikomas vakuumas – taip nuostoliai dar labiau sumažinami [12].
Taip pat intensyvėja superlaidininkų pagrindu pagamintų transformatorių ir srovės ribotuvų gamyba ir naudojimas. Superlaidūs transformatoriai (14 pav.) leis ne tik atpiginti eksploataciją, bet ir sumažinti įrenginių gabaritus bei naudojimosi pavojus. Elektros perdavimo tinkluose naudojami superlaidūs srovės ribotuvai – gedimo atvejų tinkluose srovės gali daug kartų viršyti nominalias, todėl srovei riboti tokie įrenginiai turi suveikti per tūkstantąsias sekundės dalis bei apriboti tūkstančių amperų srovę.

14 pav. Superlaidininko pagrindu pagamintas 2 MVA galios 66/6,9 kV transformatorius: kairėje – prieš surinkimą, dešinėje – paruoštas naudojimui. Šaltinis scienceplatform.com

Elektros perdavimo linijos – taip pat sritis, kur superlaidininkai turi labai daug perspektyvų. Planuojama, kad esamomis elektros perdavimo trasomis tiesiant superlaidžius kabelius vietoj varinių, vietoj 8 tonų įprasto varinio kabelio naudojant 100 kg superlaidaus kabelio bus sutaupoma net 7000 proc. vietos, išlaikant tą patį perduodamą galingumą.  [10] 5 lentelėje – keletas superlaidaus laido iš (Nb, Ti)3Sn medžiagos pavyzdžių su kai kuriais parametrais (wikipedia.org).

5 lentelė. Superlaidaus laido pavyzdžiai


Yra dar daug superlaidžių medžiagų panaudojimo pavyzdžių: kuriamas petaflopų greičiu dirbsiantis kompiuteris, gaminami varikliai kariniams laivams (15 pav) , kariniame sektoriuje kuriamos ir naudojamos e-bombos (16 pav.), kurių pagalba išvedami iš rikiuotės priešo elektroniniai įtaisai (2003 metais JAV karinės pajėgos panaudojo tokią e-bombą prieš Irako valstybinę televiziją, norėdami sustabdyti S. Hussein‘o propagandos mašiną).


15 pav. 5000 arklio galių variklis, pagamintas naudojant superlaidžias medžiagas


16 pav. E-bomba


Kitos sritys – gaminami giroskopai kosminiams palydovams, supergreiti rentgeno ir šviesos detektoriai, bandomos ypač jautrios šviesai kameros. Komunikacijose taip pat ieškoma panaudojimo sričių: iš superlaidžių medžiagų projektuojami ir bandomi komutatoriai, veiksiantys iki 160 GHz dažniu [6] – greičiams ir informacijos kiekiams didėjant milžiniškais greičiais, standartinės komunikacijų sistemos nebepajėgia apdoroti pateikiamų užduočių.



17 pav. Vienodos galios įprastinio ir superlaidaus variklio palyginimas. Šaltinis nextbigfuture.com


Superlaidumo ateitis 
Visos viltys, dedamos į superlaidumą, remiasi į naujų medžiagų, kurios, kaip viliamasi, bus superlaidžios kambario temperatūroje (prie 300°K), atradimą. Šiuolaikiniame pasaulyje elektra vaidina labai svarbų, jeigu ne pagrindinį vaidmenį visose srityse – nuo buities iki pramonės ar naujausių mokslo tyrimų, todėl nulinė varža bus (o ir dabar yra, naudojant aukštos temperatūros superlaidininkus) labai naudinga. Nėra jokių įrodymų, kad tokios medžiagos negali būti sukurtos – šiandien egzistuojančios teorijos, ypač aukštos temperatūros superlaidumo srityje, yra tik teorijos, kurios netgi nepaaiškina aukštos temperatūros superlaidumo reiškinio mechanizmo mikroskopiniame lygyje. Šio reiškinio supratimas leistų projektuoti medžiagas su numatomomis joms kritinėmis temperatūromis, o tai leistų greičiau surasti medžiagas, kurios gali būti superlaidžios nenaudojant jokių šaldymo agregatų.
Per visą superlaidumo istoriją įvyko ne vienas atradimų ir perversmų šiame moksle šuolis, o po 1987 metų atradimų HTS srityje didelių šuolių nebuvo. Todėl visiškai tikėtina, kad artimiausiu metu galime būti atradimų, kurie pakeis ne tik mokslą, tačiau ir mūsų aplinką, liudininkais.




Literatūra:
  1. Dirk van Delft. Little cup of helium, big science. 2008. [Žiūrėta 2012 12 29]. Prieiga per internetą http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/VanDelftHKO_PT.pdf
  2. Dirk van Delft, Peter Kes. The discovery of superconductivity. 2010. [Žiūrėta 2012 12 29]. Prieiga per internetą http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/DelftKes_HKO_PT.pdf
  3. Kūperio pora. [Žiūrėta 2013 01 02]. Prieiga per internetą http://lt.wikipedia.org/wiki/K%C5%ABperio_pora
  4. Experimental Measurements of High Temperature Superconductor [Žiūrėta 2013 01 02]. Prieiga per internetą http://online.physics.uiuc.edu/courses/phys403/303Project/Fall2003/ExperimentalMeasurementOfHighTemperatureSuperconductor_by_AnuradhaMadhavan_2003Fall.pdf
  5. Type-I superconductor. [Žiūrėta 2013 01 02]. Prieiga per internetą http://en.wikipedia.org/wiki/Type_I_superconductor
  6. [Žiūrėta 2013 01 02]. Prieiga per internetą http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/supcon.html#c1
  7. Shoji Tanaka. High-temperature superconductivity. History and Outlook. [Žiūrėta 2013-01-03] Prieiga per internetą http://www.jsap.or.jp/jsapi/Pdf/Number04/PastPresentFuture.pdf
  8. High temperature superconductivity. [Žiūrėta 2013-01-03] Prieiga per internetą http://en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_superconductivity
  9. Resonating valence bond theory. [Žiūrėta 2013-01-03]. Prieiga per internetą http://en.wikipedia.org/wiki/Resonating_valence_bond_theory
  10. Uses for superconductors. [Žiūrėta 2013-01-04]. Prieiga per internetą http://superconductors.org/uses.htm
  11. Large Hadron Collider. [Žiūrėta 2013-01-04]. Prieiga per internetą http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider
  12. V. Adomavičius. Šiuolaikiniai elektros energijos kaupikliai. [Žiūrėta 2013-01-05]. Prieiga per internetą http://gjstudija.net/ltma/ltma-darbai/LTMAmd-7-VA-ElektrKaup.pdf

Komentarų nėra:

Rašyti komentarą