Im Film “Avatar” ist das supraleitende Mineral “Unobtanium” auf dem Planeten Pandora wahrlich erstaunlich. Dank seiner supraleitenden Eigenschaften schweben massive “Halleluja”-Berge mühelos in der Luft. In der Welt der Wissenschaft sind Supraleiter wie magische Steine der Weisen, die außergewöhnliche Fähigkeiten besitzen, die der konventionellen Logik trotzen.
Im Film “Avatar” ist das supraleitende Mineral “Unobtanium” auf dem Planeten Pandora wahrlich erstaunlich. Dank seiner supraleitenden Eigenschaften schweben massive “Halleluja”-Berge mühelos in der Luft. In der Welt der Wissenschaft sind Supraleiter wie magische Steine der Weisen, die außergewöhnliche Fähigkeiten besitzen, die der konventionellen Logik trotzen.
Was ist ein Supraleiter?
Ein Supraleiter ist ein Material, das unter bestimmten Temperatur- und Magnetfeldbedingungen zwei Schlüsseleigenschaften aufweist:① Null elektrischer Widerstand② Vollständige Verdrängung des inneren Magnetfelds (Meißner-Ochsenfeld-Effekt)
Warum tritt dieses Phänomen auf?
Die unter Wissenschaftlern weitgehend akzeptierte Theorie ist die BCS-Theorie.
Einfach ausgedrückt: Wenn ein Metall Elektrizität leitet, geht Energie durch Teilchenkollisionen verloren, und je höher die Temperatur, desto größer der Energieverlust, was einen höheren elektrischen Widerstand bedeutet. Wenn die Temperatur jedoch auf ein bestimmtes Niveau sinkt, wird die thermische Bewegung der Teilchen vernachlässigbar. An diesem Punkt ziehen Elektronen, die durch das Material wandern, umgebende Atome an und ziehen anschließend andere Elektronen an, wodurch sich Cooper-Paare bilden. Die Bindungskraft in Cooper-Paaren ist sehr schwach und kann leicht durch thermische Bewegung zerstört werden. Sobald sich Cooper-Paare bilden, zeigen die Elektronen, die eigentlich Fermionen sind, bosonisches Verhalten, was es ihnen ermöglicht, den gleichen niedrigsten Energiezustand einzunehmen. Dies ermöglicht es den Elektronen, sich ohne Energieverlust durch das Material zu bewegen, was zur Supraleitung führt.
Natürlich gilt die BCS-Theorie nur für konventionelle Tieftemperatur-Supraleiter vom Typ I. Die Mechanismen hinter vielen unkonventionellen Supraleitern sind bis heute unbekannt.
Welche Arten von Supraleitern gibt es?
- Tieftemperatur-Supraleitermaterialien
Tieftemperatur-Supraleitermaterialien waren die ersten, die kommerzialisiert und weit verbreitet wurden. Sie erfordern extrem niedrige Temperaturen, die mit flüssigem Helium erreicht werden, um Supraleitung zu zeigen.
NbTi-Supraleiterdrähte haben derzeit den größten Marktanteil unter den Supraleitermaterialien und machen über 90 % des Gesamtmarktes aus. Sie verfügen über eine hervorragende supraleitende Leistung in niedrigen bis mittleren Magnetfeldern, gute mechanische Verarbeitbarkeit und Kostenvorteile, was sie zum Kernmaterial für supraleitende Magnete in MRT-Systemen macht.
Im Vergleich zu Niob-Titan-Legierungen kann Niob-Zinn (Nb₃Sn, Tc = 18K) die Supraleitung bei höheren Temperaturen und stärkeren Magnetfeldern aufrechterhalten, was es für wissenschaftliche Projekte und High-End-Forschungsgeräte geeignet macht, die stärkere Magnetfelder erfordern.
- Hochtemperatur-Supraleitermaterialien
Hochtemperatur-Supraleitermaterialien haben relativ höhere kritische Temperaturen und können in der kostengünstigeren Flüssigstickstoffumgebung operieren, was ihnen breitere Anwendungsaussichten bietet.
Diese Materialien umfassen hauptsächlich Bismut-basierte und Yttrium-basierte Kupferoxid-Supraleiterbänder. Sie werden weit verbreitet in supraleitenden Kabeln, supraleitender Induktionserwärmung und anderen Bereichen eingesetzt. In den letzten Jahren wurden bedeutende Durchbrüche in der Hochtemperatur-Supraleiter-Induktionserwärmungstechnologie erzielt, wobei ihre Energieeffizienz signifikant höher ist als die von traditionellen Industriefrequenzöfen und der Energieverbrauch pro Tonne Material erheblich reduziert wird. Industrielle Anwendungen beschleunigen sich.
Gleichzeitig haben Bänder der zweiten Generation, basierend auf Hochtemperatur-Supraleitermaterialien, die industrielle Versorgung für einige Wärmebehandlungsgeräte erreicht, was den Übergang der Hochtemperatur-Supraleitertechnologie von der Forschung zur großflächigen Anwendung markiert.
- Mitteltemperatur-Supraleitermaterialien
Magnesiumdiborid ist ein aufstrebendes Supraleitermaterial mit Vorteilen wie einer einfachen Struktur und niedrigen Rohmaterialkosten. Es wird erwartet, dass es in MRT-Systemen, spezialisierten Kabeln, Windkraftgeneratoren und anderen Bereichen eingesetzt wird. Derzeit bewegen sich offene medizinische MRT-Systeme, die auf diesem Material basieren, schrittweise in Richtung Kommerzialisierung.
Stanford Advanced Materials (SAM) liefert Materialien mit supraleitenden Eigenschaften wie Niob-Titan-Legierung, Nb₃Sn, BSCCO und Magnesiumdiborid.
Die Familie der Supraleitermaterialien ist vielfältig, ranging von technologisch ausgereiften Tieftemperatursupraleitern bis hin zu sich schnell entwickelnden Mittel- und Hochtemperatursupraleitern. Zusammen bilden sie eine wichtige Materialgrundlage für zukünftige Spitzentechnologien und industrielle Weiterentwicklungen.
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