Memahami Superkonduktiviti dan Aplikasinya

Superkonduktiviti adalah fenomena di mana bahan tertentu boleh mengalirkan elektrik dengan rintangan sifar apabila disejukkan kepada suhu yang sangat rendah. Ini bermakna bahan itu boleh membawa arus elektrik tanpa kehilangan tenaga, yang menjadikannya amat berguna untuk pelbagai aplikasi, seperti eksperimen fizik bertenaga tinggi, pengimejan perubatan dan pengkomputeran berkelajuan tinggi.

Konsep superkonduktiviti adalah yang pertama. ditemui pada tahun 1911 oleh ahli fizik Belanda Heike Kamerlingh Onnes, yang memerhatikan bahawa rintangan merkuri tiba-tiba turun kepada sifar apabila ia disejukkan pada suhu 4.2 K (-269°C). Sejak itu, penyelidik mendapati bahawa banyak bahan lain juga boleh mempamerkan superkonduktiviti dalam keadaan tertentu.

Mekanisme tepat di sebalik superkonduktiviti masih belum difahami sepenuhnya, tetapi dipercayai melibatkan pembentukan pasangan Cooper, yang merupakan pasangan elektron yang terikat bersama. dengan pertukaran fonon (gelombang bunyi terkuantasi). Apabila bahan disejukkan ke suhu di bawah suhu kritikalnya (Tc), pasangan Cooper terkondensat menjadi satu keadaan kuantum, membawa kepada kehilangan rintangan elektrik.

Terdapat beberapa jenis superkonduktor, termasuk:

1. Superkonduktor suhu rendah: Ini adalah bahan yang mempamerkan superkonduktiviti pada suhu di bawah sekitar 30 K (-243°C). Contohnya termasuk niobium nitrida (NbN), timah niobium (Nb3Sn), dan yttrium barium kuprum oksida (YBCO).
2. Superkonduktor suhu tinggi: Ini adalah bahan yang mempamerkan superkonduktiviti pada suhu melebihi 30 K. Contohnya termasuk cuprates, seperti yttrium barium copper oxide (YBCO) dan merkuri barium calcium copper oxide (HgBa2Ca2Cu3O8+x).
3. Superkonduktor organik: Ini adalah bahan yang mengandungi atom karbon dan mempamerkan superkonduktiviti. Contohnya termasuk poliparafenilena sulfida (PPS) dan polifluorena vinilena (PFV).
4. Wayar nano superkonduktif: Ini adalah wayar yang sangat nipis yang mempamerkan superkonduktiviti. Mereka mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam pengkomputeran kuantum dan teknologi baru muncul yang lain.

Superkonduktor mempunyai banyak aplikasi berpotensi, termasuk:

1. Eksperimen fizik bertenaga tinggi: Magnet superkonduktor digunakan untuk mengemudi dan memfokus rasuk zarah dalam pemecut seperti Large Hadron Collider (LHC).
2. Pengimejan perubatan: Magnet superkonduktor digunakan dalam mesin MRI untuk mencipta medan magnet yang kuat yang boleh mengesan perubahan halus dalam tisu badan.
3. Pengkomputeran berkelajuan tinggi: Litar superkonduktor boleh digunakan untuk mencipta komputer ultra-laju yang boleh melakukan pengiraan kompleks pada kelajuan sehingga 100 GHz.
4. Penyimpanan dan penghantaran tenaga: Superkonduktor boleh digunakan untuk mencipta grid kuasa elektrik dan sistem storan tenaga yang lebih cekap.
5. Pengkomputeran kuantum: Kubit superkonduktor (bit kuantum) sedang diterokai sebagai penyelesaian yang berpotensi untuk membina komputer kuantum boleh skala.