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Was ist ein Supraleiter, wer hat ihn entdeckt?

by imleme
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Ein Supraleiter ist ein Material, das Supraleitung bietet, einen Substanzzustand, der keinen elektrischen Widerstand hat und keine Magnetfelder eindringen lässt. Der elektrische Strom in einem Supraleiter kann unbegrenzt anhalten.

Supraleitung kann nur bei typischerweise sehr kalten Temperaturen erreicht werden. Supraleiter haben eine breite Palette von alltäglichen Anwendungen, von MRT-Maschinen bis hin zu superschnellen Magnetschwebebahnen, die Magnete verwenden, um Züge zu entgleisen, um die Reibung zu reduzieren. Forscher versuchen nun, Supraleiter zu finden und zu entwickeln, die bei höheren Temperaturen arbeiten und den Energietransport und die Energiespeicherung revolutionieren.

WER HAT DIE SUPERKONTROVERSITÄT ENTDECKT?

Die Entdeckung des Supraleitens gehört der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes. Im Jahr 1911, als er die elektrischen Eigenschaften von Quecksilber in seinem Labor an der Universität Leiden in den Niederlanden untersuchte, entdeckte Onnes, dass, als er die Temperatur unter 4,2 Kelvin senkte, der elektrische Widerstand im Quecksilber vollständig verschwand – das sind nur 4,2 Grad Celsius (7,56 Grad Fahrenheit) über dem absoluten Nullpunkt.

Um dieses Ergebnis zu bestätigen, hat Onnes einen elektrischen Strom auf die Probe des überbeschichteten Quecksilbers angelegt und dann die Batterie entfernt. Er fand heraus, dass der elektrische Strom ohne abnehmendes Quecksilber anhielt, bestätigte, dass es keinen elektrischen Widerstand gab und öffnete die Tür zu zukünftigen supraleitenden Anwendungen.

GESCHICHTE DER SUPERANNUITY

Physiker haben Jahrzehnte damit verbracht, die Natur der Supraleitung und ihre Ursachen zu verstehen. Sie fanden heraus, dass bei abgekühlt unter einer bestimmten kritischen Temperatur viele Elemente und Materialien, wenn nicht alle, supraleitend wurden.

Laut 1933 “vertreiben” Walther Meissner und Robert Ochsenfeld alle nahe gelegenen Magnetfelder, also schwache Magnetfelder, die nicht in ein supraleitendes, entdeckte Physiker-Hyperphysiker in der Abteilung der Georgia State University in Physik und einem Studienort in Astronomie eindringen können. Dieses Phänomen wird als Meissner-Effekt bezeichnet.

Bis 1950 veröffentlichten die theoretischen Physiker Lev Landau und Vitaly Ginzburg eine Theorie über die Funktionsweise von Supraleitern. Obwohl es ihnen gelang, die Eigenschaften von Supraleitern vorherzusagen, war ihre Theorie “makroskopisch”, dh sie blieben unwissend darüber, was auf mikroskopischer Ebene vor sich ging, während sie sich auf das großräumige Verhalten von Supraleitern konzentrierten.

1957 entwickelten die Physiker John Bardeen, Leon N. Cooper und Robert Schrieffer eine vollständige, mikroskopische Theorie der Supraleitung. Um elektrischen Widerstand zu erzeugen, müssen Elektronen in einem Metall frei springen können. Aber wenn Elektronen in einem Metall unglaublich abkühlen, können sie zusammenpassen und verhindern, dass sie herumspringen. Diese Elektronenpaare, Cooper-Paare genannt, sind bei niedrigen Temperaturen sehr stabil, und wenn es keine “freien” Elektronen gibt, um herumzuspringen, verschwindet der elektrische Widerstand.

WIE FUNKTIONIEREN SUPERCONTROLER?

Wenn ein Metall unter eine kritische Temperatur fällt, bilden Elektronen im Metall Bindungen, die Cooper-Paare genannt werden. Laut der Universität Cambridge können Elektronen, die sich auf diese Weise festschließen, keinen elektrischen Widerstand bieten, und die Elektrizität kann perfekt aus Metall fließen.

Das funktioniert aber nur bei niedrigen Temperaturen. Wenn das Metall zu heiß wird, haben die Elektronen genug Energie, um die Bindungen von Küferpaaren zu brechen und wieder Widerstand zu bieten. Daher fand Onnes in seinen ursprünglichen Experimenten heraus, dass sich Quecksilber bei 4,19 K wie ein supraleitend verhält, aber nicht bei 4,2 K.

WOFÜR WERDEN SUPERCONTROLER VERWENDET?

Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sie auf eine Supraleitung stoßen, ohne es zu merken. Maschinen verwenden leistungsstarke Elektromagnete, wie von der Mayo Clinic beschrieben, um starke Magnetfelder zu erzeugen, die in der Magnetresonanztomographie (MRT) und Kernspinresonanztomographie (NMRI) verwendet werden. Diese leistungsstarken Elektromagnete können normale Metalle aufgrund der Hitze selbst eines kleinen Widerstands auflösen. Da Supraleiter jedoch keinen elektrischen Widerstand haben, wird keine Wärme erzeugt, und Elektromagnete können die notwendigen Magnetfelder erzeugen.

Ähnliche supraleitende Elektromagnete werden auch in Magnetschwebebahnen, experimentellen Kernfusionsreaktoren und Hochenergie-Teilchenbeschleunigerlaboren eingesetzt. Supraleiter werden auch verwendet, um Zug- und Spulenpistolen, Mobilfunkmasten, schnelle digitale Schaltungen und Partikeldetektoren trieben.

Im Wesentlichen, wann immer Sie ein wirklich starkes Magnetfeld oder elektrischen Strom benötigen und Sie nicht möchten, dass es schmilzt, sobald Sie Ihre Ausrüstung einschalten, benötigen Sie einen Supraleiter.

“Eine der interessantesten Anwendungen von Supraleitern ist für Quantencomputer”, sagte Alexey Bezryadin, Physiker für dichte Materie an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften elektrischer Ströme in Supraleitern können sie zur Herstellung von Quantencomputern verwendet werden.

Solche Computer bestehen aus Quantenbits oder Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Informationsbits können Qubits gleichzeitig in den Quantenüberlagerungszuständen ‘0’ und ‘1’ gefunden werden. Supraleitende Geräte können dies nachahmen.” . . “Zum Beispiel kann der Strom in einer supraleitenden Schleife gleichzeitig im Und- und gegen den Uhrzeigersinn fließen. Eine solche Situation schafft ein Beispiel für ein supraleitendes Qubit.”

WAS IST DAS NEUESTE IN DER RENTENFORSCHUNG?

Supraleiter werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: Niedertemperatur-Supraleiter (LTS), auch bekannt als traditionelle Supraleiter, und Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) oder nicht-traditionelle Supraleiter. LTS kann durch die BCS-Theorie definiert werden, um zu erklären, wie Elektronen Cooper-Paare bilden, während HTS andere mikroskopische Methoden verwendet, um keinen Widerstand zu erreichen. Die Ursprünge von HTS sind eines der größten ungelösten Probleme der heutigen Physik.

Die meisten historischen Forschungen zur Supraleitung gingen in Richtung LTS, da diese Supraleiter viel einfacher zu entdecken und zu untersuchen sind und fast alle Anwendungen der Supraleitung LTS beinhalten.

HTS hingegen ist ein aktives und spannendes Gebiet der heutigen Forschung. Alles, was als Supraleiter über 70K funktioniert, wird normalerweise als HTS betrachtet. Obwohl dies immer noch ziemlich kalt ist, ist diese Temperatur wünschenswert, da die Flüssigkeit, die zum Abkühlen auf niedrigere Temperaturen benötigt wird, die für LTS erforderlich sind, durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff erreicht werden kann, der viel häufiger und leichter verfügbar ist als Helium.

DIE ZUKUNFT DER SUPERCONTROLER

Der “heilige Gral” der supraleitenden Forschung besteht darin, Material zu finden, das bei Raumtemperatur als supraleitend wirken kann. Bis heute wurde die höchste supraleitende Temperatur durch Überdruck-Kohlenstoffschwefelhydrid erreicht, das bei 59 F (15C oder etwa 288 K) Supraleitung erreicht, dafür aber einen Druck von 267 Gigapascal benötigt. Dieser Druck entspricht dem Inneren von Riesenplaneten wie Jupiter, was ihn für alltägliche Anwendungen unpraktisch macht.

Supraleiter bei Raumtemperatur ermöglichen eine elektrische Energieübertragung ohne Verlust oder Abfall, effizientere Magnetschwebebahnen und einen billigeren und weiter verbreiteten Einsatz der MRT-Technologie. Die praktischen Anwendungen von Supraleitern bei Raumtemperatur sind unbegrenzt – Physiker müssen nur herausfinden, wie Supraleiter bei Raumtemperatur funktionieren und welches “Goldlöckchen”-Material sein kann, das Supraleitung ermöglicht.

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