Jak działa nadprzewodnik?
Aby zrozumieć, jak działa nadprzewodnik, pomocne może być zbadanie, jak działa najpierw zwykły przewodnik. Niektóre materiały, takie jak woda i metal, pozwalają elektronom przepływać przez nie dość łatwo, jak woda przez wąż ogrodowy. Inne materiały, takie jak drewno i plastik, nie pozwalają na przepływ elektronów, dlatego uważa się je za nieprzewodzące. Próba przepuszczenia przez nie prądu byłaby jak próba przepuszczenia wody przez cegłę.
Nawet wśród materiałów uważanych za przewodzące mogą istnieć ogromne różnice w tym, ile elektryczności faktycznie może przejść. Pod względem elektrycznym nazywa się to opornością. Prawie wszystkie normalne przewodniki prądu elektrycznego mają pewien opór, ponieważ mają własne atomy, które blokują lub absorbują elektrony podczas przechodzenia przez drut, wodę lub inny materiał. Mały opór może być przydatny do kontrolowania przepływu elektrycznego, ale może być również nieefektywny i marnotrawny.
Nadprzewodnik przyjmuje ideę oporu i przewraca go na głowę. Nadprzewodnik zazwyczaj składa się z materiałów syntetycznych lub metali, takich jak ołów lub niobiumtitanium, które mają już niską liczbę atomową. Gdy materiały te zostaną zamrożone do niemal absolutnego zera, ich atomy zmielą się prawie do zatrzymania. Bez całej tej aktywności atomowej elektryczność może przepływać przez materiał praktycznie bez oporu. W praktyce procesor komputerowy lub tor elektryczny wyposażony w nadprzewodnik zużywałby bardzo mało energii elektrycznej do wykonywania swoich funkcji.
Najbardziej oczywistym problemem związanym z nadprzewodnikiem jest temperatura. Istnieje kilka praktycznych sposobów przechłodzenia dużych zapasów materiału nadprzewodzącego do wymaganego punktu przejścia. Gdy nadprzewodnik zacznie się rozgrzewać, pierwotna energia atomowa zostanie przywrócona, a materiał ponownie wytworzy opór. Sztuką stworzenia praktycznego nadprzewodnika jest znalezienie materiału, który staje się nadprzewodzący w temperaturze pokojowej. Do tej pory naukowcy nie odkryli żadnego metalu ani materiału kompozytowego, który traciłby cały opór elektryczny w wysokich temperaturach.
Aby zilustrować ten problem, wyobraź sobie standardowy drut miedziany jako rzekę wody. Grupa elektronów jest w łodzi, próbując dotrzeć do miejsca przeznaczenia powyżej. Siła wody płynącej w dół rzeki stwarza opór, przez co łódź musi pracować jeszcze ciężej, aby przepłynąć całą rzekę. Zanim łódź dotrze do celu, wielu pasażerów z elektronami jest zbyt słabych, aby kontynuować. Tak dzieje się ze zwykłym przewodnikiem - naturalny opór powoduje utratę mocy.
Teraz wyobraź sobie, że rzeka była całkowicie zamarznięta, a elektrony były na sankach. Ponieważ nie byłoby wody przepływającej w dół rzeki, nie byłoby oporu. Sanie po prostu przeleciałyby nad lodem i bezpiecznie deponowały prawie wszystkich pasażerów elektronów. Elektrony się nie zmieniły, ale rzeka zmieniła się pod wpływem temperatury, aby nie stawiała żadnego oporu. Znalezienie sposobu na zamrożenie rzeki w normalnej temperaturze jest ostatecznym celem badań nadprzewodników.