最近の画期的な研究は、経済的で実用的な超伝導体を最終的に開発する長期的な可能性について、材料グラフェンのユニークな特性を示しています。
A 超伝導体 is a material which can conduct (transmit) 電気 without resistance. This resistance is defined as some loss of エネルギー which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘温度’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low エネルギー state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
高温超伝導体
超電導体の分野は、摂氏-1980度で超電導できる酸化銅化合物が発見された238年代半ばに大きな飛躍を遂げました。 これはまだ冷たいですが、液体ヘリウムの温度よりもはるかに暖かいです。 これは、これまでに発見された最初の「高温超伝導体」（HTC）として知られており、ノーベル賞を受賞しました。 したがって、科学者たちは、最終的には機能する超伝導体を見つけることに集中できることに気づきました。たとえば、液体窒素（-196°C）が豊富にあり、安価であるという利点があります。 高温超伝導体には、非常に高い磁場が必要な用途もあります。 それらの低温対応物は約23テスラ（テスラは磁場強度の単位）で動作を停止するため、より強力な磁石を作成するために使用することはできません。 しかし、高温超電導材料は、そのフィールドの10倍以上、おそらくそれ以上で機能する可能性があります。 超伝導体は大きな磁場を生成するため、スキャナーや空中浮揚列車に不可欠なコンポーネントです。 たとえば、今日のMRI（Magnetic Resonance Imaging）は、この品質を使用して、体内の物質、病気、および複雑な分子を調べて研究する手法です。 他のアプリケーションには、エネルギー効率の高い電力線（たとえば、超伝導ケーブルは同じサイズのクーパーワイヤーのXNUMX倍の電力を供給できます）、風力発電機、およびスーパーコンピューターを備えたグリッドスケールの電力貯蔵が含まれます。何百万年ものエネルギーは、超伝導体で作り出すことができます。
現在の高温超伝導体には、独自の限界と課題があります。 これらの超電導体は、冷却装置が必要なため非常に高価であるだけでなく、脆い材料でできており、成形が容易ではないため、電線の製造には使用できません。 また、この材料は特定の環境では化学的に不安定であり、大気や水からの不純物に非常に敏感である可能性があるため、通常はケースに入れる必要があります。 その場合、超電導材料が流すことができる最大電流のみが存在し、臨界電流密度を超えると、超電導が崩壊して電流が制限されます。 莫大な費用と非実用性が、特に発展途上国での優れた超伝導体の使用を妨げています。 エンジニアは、想像の中で、不純物や印加電流および磁場の影響を受けない、柔らかく、可鍛性のある強磁性超伝導体を本当に望んでいます。 頼むには多すぎる！
グラフェンはそれかもしれません！
成功する超伝導体の中心的な基準は、高温を見つけることです 超伝導r、理想的なシナリオは室温です。 ただし、新しい材料はまだ限られており、作成するのは非常に困難です。 この分野では、これらの高温超伝導体が採用する正確な方法論と、科学者が実用的な新しい設計に到達する方法について、まだ継続的な学習が行われています。 高温超伝導体の挑戦的な側面のXNUMXつは、材料内の電子が対になるのを実際に助けるものが非常によく理解されていないことです。 最近の研究では、その材料が初めて示されました グラフェン 本質的な超電導品質を持っており、材料自体の自然な状態でグラフェン超電導体を実際に作ることができます。 純粋な炭素ベースの材料であるグラフェンは、2004年にのみ発見され、既知の最も薄い材料です。 また、軽量で柔軟性があり、各シートは六角形に配置された炭素原子で構成されています。 鋼よりも強度が高く、銅に比べてはるかに優れた電気伝導率を示します。 したがって、それはこれらすべての有望な特性を備えた多次元材料です。
マサチューセッツ工科大学と米国ハーバード大学の物理学者。その研究はXNUMXつの論文で発表されています。1,2 in 自然は、材料のグラフェンを調整して、電流を流さない絶縁体と、抵抗なしで電流を流す超伝導体の1.1つの極端な電気的挙動を示すことができると報告しています。 XNUMX枚のグラフェンシートの「超格子」を、XNUMX度の「マジック角」でわずかに回転させて積み重ねて作成しました。 この特定のオーバーレイ六角形ハニカムパターン配置は、グラフェンシート内の電子間に「強相関相互作用」を潜在的に誘発するために行われました。 そしてこれは、グラフェンがこの「魔法の角度」で抵抗ゼロで電気を伝導できる一方で、他の積み重ねられた配置ではグラフェンを明確に保ち、隣接する層との相互作用がなかったために起こりました。 彼らは、グラフェンがそれ自体で超伝導するために固有の品質を採用する方法を示しました。 これが非常に重要である理由は、同じグループが以前にグラフェンを他の超伝導金属と接触させてグラフェン超伝導体を合成し、いくつかの超伝導挙動を継承できるようにしたが、グラフェンだけでは達成できなかったためです。 グラフェンの導電性は古くから知られているが、他の材料を変えたり加えたりせずにグラフェンの超電導を実現したのは初めての画期的な報告であり、グラフェンを使ってトランジスタのようなものを作ることができた。超電導回路内のデバイスとグラフェンによって表される超電導は、新しい機能を備えた分子電子デバイスに組み込むことができます。
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more エネルギー efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
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ソース
1.元C他2018.マジック角グラフェン超格子の半充填時の相関絶縁体の挙動。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26154
2.元C他。 2018.マジック角グラフェン超格子における型破りな超伝導。 自然。 https://doi.org/10.1038/nature26160
