Fenomen superprevodnosti: klasifikacija, lastnosti in uporaba

Kaj je pojav superprevodnosti?? Superprevodnost je pojav z ničelno električno upornostjo in izločanjem magnetnih tokovnih polj, ki se pojavi v nekaterih materialih, imenovanih superprevodniki, ko se ohladijo pod značilno kritično temperaturo.

Pojav je odkrila nizozemska fizičarka Heike Kamerlingh Onnes 8. aprila 1911 v Leidnu. Tako kot feromagnetizem in atomske spektralne črte je tudi superprevodnost kvantno mehanski pojav. Zanj je značilen Meissnerjev učinek - popoln izmet magnetnih poljskih črt iz notranjosti superprevodnika med njegovim prehodom v superprevodno stanje.

To je bistvo pojava superprevodnosti. Pojav Meissnerjevega učinka kaže, da superprevodnosti ni mogoče razumeti zgolj kot idealizacijo idealne prevodnosti v klasični fiziki.

Kaj je pojav superprevodnosti?

Električna upornost kovinskega vodnika se z zniževanjem temperature postopoma zmanjšuje. Pri običajnih prevodnikih, kot sta baker ali srebro, to zmanjšanje omejujejo nečistoče in druge napake. Celo blizu absolutne ničle kaže pravi vzorec običajnega vodnika nekaj upora. V superprevodniku upornost hitro pade na nič, ko se material ohladi pod kritično temperaturo. Električni tok skozi zanko superprevodne žice se lahko brez vira energije vzdržuje neskončno dolgo. To je odgovor na vprašanje, kaj je pojav superprevodnosti.

Zgodovina

Leta 1911 je nizozemski fizik Heike Kamerling Onnes s svojo ekipo med preučevanjem lastnosti snovi pri zelo nizkih temperaturah odkril, da električna upornost živega srebra pade na nič pod 4,2 K (-269 °C). To je bilo prvo opazovanje pojava superprevodnosti. Večina kemičnih elementov postane superprevodna pri dovolj nizkih temperaturah.

Pod določeno kritično temperaturo materiali preidejo v superprevodno stanje, za katero sta značilni dve glavni lastnosti: prvič, nima upora pri prehodu električnega toka. Ko upornost pade na nič, lahko tok kroži znotraj materiala, ne da bi se pri tem razpršila energija.

Drugič, če so dovolj šibka, zunanja magnetna polja ne prodrejo v superprevodnik, temveč ostanejo na njegovi površini. Ta pojav izrinjanja polja je postal znan kot Meissnerjev učinek, saj ga je fizik prvič opazil leta 1933.

Tri imena, tri črke in nepopolna teorija

Navadna fizika ne pojasnjuje ustrezno superprevodnega stanja, prav tako pa tudi ne osnovna kvantna teorija trdne snovi, ki obravnava obnašanje elektronov ločeno od obnašanja ionov v kristalni mreži.

Šele leta 1957 so trije ameriški raziskovalci, John Bardeen, Leon Cooper in John Schrieffer, razvili mikroskopsko teorijo superprevodnosti. V skladu z njihovo teorijo BCS se elektroni združujejo v pare zaradi interakcije z vibracijami rešetke (imenovanimi "fononi") in tako tvorijo Cooperjeve pare, ki se v trdni snovi gibljejo brez trenja. Trdno telo si lahko predstavljamo kot mrežo pozitivnih ionov, ki so potopljeni v oblak elektronov. Ko elektron prehaja skozi to mrežo, se ioni rahlo premaknejo, saj jih privlači negativni naboj elektrona. To gibanje ustvari električno pozitivno območje, ki privlači drug elektron.

Energija interakcije med elektroni je precej šibka, zato se pari zlahka razbijejo toplotna energija - zato se superprevodnost običajno pojavi pri zelo nizkih temperaturah. Vendar teorija BCS ne pojasnjuje obstoja visokotemperaturnih superprevodnikov pri temperaturah okoli 80 K (-193 °C) in več, ki zahtevajo uporabo drugih mehanizmov vezave elektronov. Zgornji proces je osnova za uporabo pojava superprevodnosti.

Temperatura

Leta 1986 so odkrili, da imajo nekateri kuprat-perovskitni keramični materiali kritično temperaturo nad 90 K (-183 °C). Tako visoka temperatura prehoda je za običajne superprevodnike teoretično nemogoča, zato so nastali materiali, imenovani visokotemperaturni superprevodniki. Razpoložljivi hladilni tekoči dušik vre pri 77 K, zato superprevodnost pri višjih temperaturah od te omogoča številne poskuse in aplikacije, ki so pri nižjih temperaturah manj praktični. To je odgovor na vprašanje, pri kateri temperaturi se pojavi pojav superprevodnosti.

Razvrstitev

Superprevodnike lahko razvrstimo po več merilih, ki so odvisna od našega zanimanja za njihove fizikalne lastnosti, od razumevanja, ki ga imamo o njih, od tega, kako drago je njihovo hlajenje, ali od materiala, iz katerega so izdelani.

Glede na njihove magnetne lastnosti

superprevodniki tipa I: tisti, ki imajo samo eno kritično polje, Hc, in ob doseganju katerega nenadoma preidejo iz enega stanja v drugo.

superprevodniki tipa II: imajo dve kritični polji, Hc1 in Hc2, in so popolni superprevodniki pod spodnjim kritičnim poljem (Hc1), nad zgornjim kritičnim poljem (Hc2) pa popolnoma izgubijo superprevodnost in so v mešanem stanju med kritičnima poljema.

Glede na to, kako jih razumemo

Konvencionalni superprevodniki: tisti, ki jih je mogoče v celoti razložiti s teorijo BCS ali sorodnimi teorijami.

nekonvencionalni superprevodniki: tisti, ki jih ni mogoče razložiti s takšnimi teorijami, na primer: težki fermionski superprevodniki.

To merilo je pomembno, ker teorija BCS že od leta 1957 pojasnjuje lastnosti konvencionalnih superprevodnikov, po drugi strani pa ni bilo zadovoljive teorije, ki bi pojasnila popolnoma nekonvencionalne superprevodnike. Večinoma so običajni superprevodniki tipa I, vendar obstaja nekaj izjem, kot je niobij, ki je običajen in hkrati tipa II.

Po njihovi kritični temperaturi

nizkotemperaturni superprevodniki: tisti, katerih kritična temperatura je nižja od 30 K.

Visokotemperaturni superprevodniki (HTSC): tisti, katerih kritična temperatura je višja od 30 K. Nekateri zdaj uporabljajo 77 K kot ločnico, da poudarijo, ali lahko vzorec ohladimo s tekočim dušikom (katerega vrelišče je 77 K), kar je veliko bolj izvedljivo kot tekoči helij (alternativa za doseganje temperatur, potrebno za za doseganje nizkih temperatur superprevodnikov).

Drugi odtenki

Superprevodnik lahko pripada tipu I, kar pomeni, da ima eno samo kritično polje, nad katerim se vsa superprevodnost izgubi, pod katerim se magnetno polje iz superprevodnika popolnoma izloči. tip II, kar pomeni, da ima dve kritični polji, med katerima omogoča delni prodor magnetnega polja skozi izolirane točke. Te točke se imenujejo vrtinci. Poleg tega je v večkomponentnih superprevodnikih možna kombinacija dveh vedenj. V tem primeru je superprevodnik tipa 1,5.

Lastnosti

Večina fizikalnih lastnosti superprevodnikov se razlikuje od materiala do materiala, kot so toplotna kapaciteta in kritična temperatura, kritično polje in kritična gostota toka, v katerem se superprevodnost poruši.

Po drugi strani pa obstaja vrsta lastnosti, ki so neodvisne od osnovnega materiala. Vsi superprevodniki imajo na primer popolnoma ničelno upornost pri majhnih uporabnih tokovih, kadar ni magnetnega polja ali kadar uporabno polje ne presega kritične vrednosti.

Prisotnost teh univerzalnih lastnosti pomeni, da je superprevodnost termodinamična faza in ima zato nekatere značilne lastnosti, ki so v veliki meri neodvisne od mikroskopskih podrobnosti.

Drugače je v superprevodniku. V običajnem superprevodniku elektronske tekočine ni mogoče ločiti na posamezne elektrone. Namesto tega ga sestavljajo vezani pari elektronov, znani kot Cooperjevi pari. To parjenje je posledica privlačne sile med elektroni, ki je posledica izmenjave fononov. Zaradi kvantne mehanike ima energijski spekter te tekočine v Cuperovem paru energijsko vrzel, tj. obstaja najmanjša količina energije ΔE, ki jo je treba uporabiti za vzbujanje tekočine.

Če je ΔE večja od toplotne energije rešetke, ki je podana s kT, kjer je k Boltzmannova konstanta, T pa temperatura, se tekočina ne bo razpršila po rešetki. Cooperjeva parna tekočina je torej supertekoča, kar pomeni, da lahko teče, ne da bi pri tem izgubljala energijo.

Značilnosti superprevodnosti

V superprevodnih materialih se lastnosti superprevodnosti pojavijo, ko temperatura T pade pod kritično temperaturo Tc. Vrednost te kritične temperature se razlikuje od materiala do materiala. Kritične temperature običajnih superprevodnikov se običajno gibljejo med približno 20 K in manj kot 1 K.

Na primer, kritična temperatura trdnega živega srebra je 4,2 K. Od leta 2015. Najvišja kritična temperatura, ugotovljena za običajni superprevodnik, je 203 K za H2S, čeprav je bil potreben visok tlak približno 90 gigapaskalov. Kupratni superprevodniki imajo lahko veliko višje kritične temperature: YBa2Cu3O7, eden prvih odkritih kupratnih superprevodnikov, ima kritično temperaturo 92 K, odkriti pa so bili tudi kuprati na osnovi živega srebra s kritičnimi temperaturami nad 130 K. Razlaga teh visokih kritičnih temperatur ostaja neznana.

Parjenje elektronov zaradi izmenjave fononov pojasnjuje superprevodnost v običajnih superprevodnikih, ne pojasnjuje pa superprevodnosti v novejših superprevodnikih, ki imajo zelo visoko kritično temperaturo.

Magnetna polja

Podobno pri fiksni temperaturi, ki je nižja od kritične temperature, superprevodni materiali prenehajo superprevoditi, če se uporabi zunanje magnetno polje, ki je večje od kritičnega magnetnega polja. To je zato, ker Gibbsova prosta energija superprevodne faze narašča kvadratično z magnetnim poljem, medtem ko je prosta energija normalne faze približno neodvisna od magnetnega polja.

Če je snov superprevodna v odsotnosti polja, je prosta energija superprevodne faze manjša od proste energije normalne faze, tako da bosta za neko končno magnetno polje (sorazmerno kvadratnemu korenu razlike prostih energij pri ničli) obe prosti energiji enaki in pride do faznega prehoda v normalno fazo. V splošnejšem smislu višja temperatura in močnejše magnetno polje povzročita manjši delež superprevodnih elektronov in s tem večjo globino prodora zunanjih magnetnih polj in tokov v Londonu. Globina penetracije postane neskončna pri faznem prehodu.

Fizični vidik

Začetek superprevodnosti spremljajo dramatične spremembe različnih fizikalnih lastnosti, kar je značilnost faznega prehoda. Na primer, elektronska toplotna kapaciteta je v običajnem (nesuperprevodniškem) režimu sorazmerna s temperaturo. Na superprevodnem prehodu doživi skok, nato pa ni več linearna. Pri nizkih temperaturah se spreminja namesto e-α/T za neko konstanto α. To eksponentno obnašanje je eden od dokazov za obstoj energijske vrzeli.

Fazni prehod

Razlaga pojava superprevodnosti je precej očitna. O vrstnem redu superprevodnega faznega prehoda se že dolgo razpravlja. Poskusi so pokazali, da ni prehoda drugega reda, tj. ni latentne toplote. Vendar pa ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja obstaja latentna toplota, saj ima superprevodna faza pod kritično temperaturo nižjo entropijo kot običajna faza.

Eksperimentalno je bilo dokazano naslednje: ko se magnetno polje poveča in preseže kritično polje, povzroči fazni prehod znižanje temperature superprevodnega materiala. Pojav superprevodnosti je bil na kratko opisan zgoraj, zdaj pa je čas, da povemo nekaj o niansah tega pomembnega učinek.

Izračuni, opravljeni v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so pokazali, da je lahko dejansko šibkejši od prvega reda zaradi vpliva fluktuacij dolgega dosega v elektromagnetnem polju. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo s teorijo motenj polja teoretično dokazano, da imajo vrtinčne črte superprevodnika vlogo glavna vloga, da je prehod drugega reda v režimu tipa II in prvega reda (t. е. latentna toplota) v načinu tipa I in da sta obe območji ločeni s trikritično točko.

Rezultati so bili dokončno preverjeni z računalniškimi simulacijami Monte Carlo. To je imelo pomembno vlogo pri preučevanju pojava superprevodnosti. Delo še poteka. Narava pojava superprevodnosti ni bila v celoti razumljena in razložena z vidika sodobne znanosti.