การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ตัวนำยิ่งยวดเรียกว่าปรากฏการณ์ควอนตัมซึ่งประกอบด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าวัสดุบางชนิดเมื่ออุณหภูมิถึงจุดวิกฤตค่าหนึ่งจะเริ่มแสดงค่าความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ทราบแล้วว่าธาตุ โลหะผสม และเซรามิกหลายร้อยชนิดสามารถทำงานในลักษณะนี้ได้ ตัวนำที่เข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดเริ่มแสดงสิ่งที่เรียกว่า ไมส์เนอร์ เอฟเฟ็กต์เมื่อสนามแม่เหล็กจากปริมาตรของมันถูกผลักออกไปด้านนอกอย่างสมบูรณ์ ซึ่งแน่นอนว่าขัดแย้งกับคำอธิบายแบบดั้งเดิมของผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับการนำไฟฟ้าธรรมดาภายใต้เงื่อนไขของอุดมคติเชิงสมมุติ นั่นคือ ความต้านทานเป็นศูนย์

ในช่วงปี พ.ศ. 2529 ถึง พ.ศ. 2536 มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจำนวนหนึ่ง นั่นคือ ตัวนำยิ่งยวดที่ผ่านเข้าสู่สถานะที่ไม่มีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำเช่นจุดเดือดของฮีเลียมเหลว (4.2 K) อีกต่อไป แต่ที่จุดเดือด จุดไนโตรเจนเหลว ( 77 K) — สูงกว่า 18 เท่า ซึ่งในสภาพห้องปฏิบัติการสามารถทำได้ง่ายกว่าและถูกกว่าฮีเลียมมาก

เพิ่มความสนใจในการใช้งานจริง ตัวนำยิ่งยวด เริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 1950 เมื่อตัวนำยิ่งยวดประเภท II ที่มีความหนาแน่นกระแสสูงและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กปรากฏขึ้นอย่างสว่างไสวเหนือขอบฟ้า จากนั้นพวกเขาก็เริ่มได้รับความสำคัญในทางปฏิบัติมากขึ้นเรื่อยๆ

กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าบอกเราว่ามีกระแสไฟฟ้าอยู่รอบๆ ตัวเสมอ สนามแม่เหล็ก... และเนื่องจากตัวนำยิ่งยวดนำกระแสโดยไม่มีความต้านทาน การรักษาวัสดุดังกล่าวให้อยู่ในอุณหภูมิที่เหมาะสมก็เพียงพอแล้ว และด้วยเหตุนี้จึงได้รับชิ้นส่วนสำหรับสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าในอุดมคติ

ตัวอย่างเช่น ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ เทคโนโลยีการสร้างภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเกี่ยวข้องกับการใช้แม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดอันทรงพลังในการตรวจเอกซ์เรย์ หากไม่มีสิ่งเหล่านี้ แพทย์ก็จะไม่สามารถได้ภาพความละเอียดสูงที่น่าประทับใจของเนื้อเยื่อภายในของร่างกายมนุษย์โดยไม่ต้องใช้มีดผ่าตัด

โลหะผสมที่มีตัวนำยิ่งยวด เช่น ไนโอเบียม-ไททาเนียม และไนโอเบียม-ดีบุก อินเตอร์เมทัลลิกได้รับความสำคัญอย่างมาก ซึ่งในทางเทคนิคแล้ว มันเป็นเรื่องง่ายที่จะได้เส้นใยตัวนำยิ่งยวดที่บางและมีความเสถียร

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องทำของเหลวและตู้เย็นที่มีความสามารถในการทำความเย็นสูง (ที่ระดับอุณหภูมิของฮีเลียมเหลว) มาเป็นเวลานาน พวกเขาเป็นผู้ที่มีส่วนในการพัฒนาเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดในสหภาพโซเวียต ถึงอย่างนั้น ในช่วงปี 1980 ก็มีการสร้างระบบแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ขึ้น

มีการเปิดตัวสถานที่ทดลองแห่งแรกของโลก T-7 ซึ่งออกแบบมาเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการเริ่มต้นปฏิกิริยาฟิวชัน ซึ่งจำเป็นต้องใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กรูปวงแหวนในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ ขดลวดตัวนำยิ่งยวดยังใช้ในห้องฟองอากาศไฮโดรเจนเหลว

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันได้รับการพัฒนาและสร้างขึ้น (ในทศวรรษที่ 80 ของศตวรรษที่ผ่านมา เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันพลังพิเศษ KGT-20 และ KGT-1000 ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของตัวนำยิ่งยวด) มอเตอร์ไฟฟ้า สายเคเบิล เครื่องแยกแม่เหล็ก ระบบขนส่ง ฯลฯ

โฟลมิเตอร์ เกจวัดระดับ บารอมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์ — ตัวนำยิ่งยวดเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องมือที่มีความแม่นยำเหล่านี้ พื้นที่หลัก ๆ หลัก ๆ ของการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดทางอุตสาหกรรมยังคงมีอยู่สองประการ: ระบบแม่เหล็กและเครื่องจักรไฟฟ้า

เนื่องจากตัวนำยิ่งยวดไม่ผ่านฟลักซ์แม่เหล็ก หมายความว่าผลิตภัณฑ์ประเภทนี้จะป้องกันรังสีแม่เหล็ก คุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดนี้ใช้ในอุปกรณ์ไมโครเวฟที่มีความแม่นยำ เช่นเดียวกับการป้องกันปัจจัยที่เป็นอันตรายเช่นการระเบิดของนิวเคลียร์ เช่น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลัง

เป็นผลให้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำยังคงขาดไม่ได้สำหรับการสร้างแม่เหล็กในอุปกรณ์การวิจัย เช่น เครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน

รถไฟแม่เหล็กลอยซึ่งใช้งานในญี่ปุ่นในปัจจุบันสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 600 กม. / ชม. และได้พิสูจน์ความเป็นไปได้และประสิทธิภาพมานานแล้ว

การไม่มีความต้านทานไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดทำให้กระบวนการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าประหยัดขึ้น ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดแบบบางที่วางอยู่ใต้ดินโดยหลักการแล้วสามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้สายไฟมัดหนา ซึ่งเป็นสายที่ยุ่งยากในการส่งพลังงานด้วยวิธีดั้งเดิม

ปัจจุบัน เฉพาะปัญหาด้านต้นทุนและการบำรุงรักษาที่เกี่ยวข้องกับความจำเป็นในการปั๊มไนโตรเจนผ่านระบบอย่างต่อเนื่องเท่านั้นที่ยังคงมีความเกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม ในปี 2551 American Superconductor ประสบความสำเร็จในการเปิดตัวสายส่งตัวนำยิ่งยวดเชิงพาณิชย์สายแรกในนิวยอร์ก

นอกจากนี้ยังมีเทคโนโลยีแบตเตอรี่อุตสาหกรรมที่ช่วยให้วันนี้สามารถสะสมและเก็บ (สะสม) พลังงานในรูปแบบของกระแสหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง

ด้วยการรวมตัวนำยิ่งยวดกับเซมิคอนดักเตอร์ นักวิทยาศาสตร์กำลังสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เร็วเป็นพิเศษซึ่งกำลังแนะนำโลกให้รู้จักกับเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ยุคใหม่

ปรากฏการณ์ของการพึ่งพาอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของสารในสถานะตัวนำยิ่งยวดกับขนาดของสนามแม่เหล็กเป็นพื้นฐานของตัวต้านทานควบคุม - ไครโอตรอน

ในขณะนี้ เราสามารถพูดถึงความคืบหน้าที่สำคัญในแง่ของความคืบหน้าในการได้รับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบที่เป็นโลหะและเซรามิก YBa2Cu3Ox จะเข้าสู่สถานะของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของการทำให้เป็นของเหลวของไนโตรเจน!

อย่างไรก็ตาม วิธีแก้ปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากการที่ตัวอย่างที่ได้มีความเปราะบางและไม่เสถียร ดังนั้นโลหะผสมไนโอเบียมดังกล่าวยังคงเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี

ตัวนำยิ่งยวดทำให้สามารถสร้างเครื่องตรวจจับโฟตอนได้ บางคนใช้การสะท้อนของ Andreev บางคนใช้เอฟเฟกต์ของ Josephson ข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของกระแสวิกฤต ฯลฯ

อุปกรณ์ตรวจจับถูกสร้างขึ้นเพื่อบันทึกโฟตอนเดี่ยวจากช่วงอินฟราเรด ซึ่งแสดงให้เห็นข้อดีหลายประการเหนืออุปกรณ์ตรวจจับตามหลักการบันทึกอื่นๆ เช่น ตัวคูณโฟโตอิเล็กทริก เป็นต้น

เซลล์หน่วยความจำสามารถสร้างขึ้นตามกระแสน้ำวนในตัวนำยิ่งยวด โซลิตอนแม่เหล็กบางส่วนถูกใช้ในลักษณะเดียวกันนี้แล้ว โซลิตันแม่เหล็กสองมิติและสามมิตินั้นคล้ายกับกระแสน้ำวนในของเหลว โดยที่เส้นการจัดตำแหน่งโดเมนจะมีบทบาทในสตรีมไลน์

Squids เป็นอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดแบบวงแหวนขนาดเล็กที่ทำงานตามความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กและแรงดันไฟฟ้า อุปกรณ์ขนาดเล็กดังกล่าวทำงานในแมกนีโตมิเตอร์ที่มีความไวสูงซึ่งสามารถวัดสนามแม่เหล็กโลกได้ เช่นเดียวกับในอุปกรณ์ทางการแพทย์เพื่อรับแมกนีโตแกรมของอวัยวะที่สแกน