Kaj je fenomen superprevodnosti? Superprevodnost je pojav z ničelno električno upornostjo in sproščanjem polj magnetnega pretoka, ki se pojavijo v določenih materialih, imenovanih superprevodniki, ko so ohlajeni pod značilno kritično temperaturo.
Fenomen je odkrila nizozemska fizika Heike Kamerling-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 silnic iz notranjosti superprevodnika med njegovim prehodom v superprevodno stanje.
To je bistvo fenomena superprevodnosti. Pojav Meissnerjevega učinka kaže, da superprevodnosti ni mogoče razumeti preprosto kot idealizacijo idealne prevodnosti v klasični fiziki.
Kaj je fenomen superprevodnosti
Električna upornost kovinskega prevodnika se postopoma zmanjšuje kotznižanje temperature. Pri običajnih prevodnikih, kot sta baker ali srebro, je to zmanjšanje omejeno z nečistočami in drugimi napakami. Tudi blizu absolutne ničle pravi vzorec običajnega prevodnika kaže določen upor. V superprevodniku upornost močno pade na nič, ko se material ohladi pod kritično temperaturo. Električni tok skozi zanko superprevodne žice se lahko vzdržuje za nedoločen čas brez vira energije. To je odgovor na vprašanje, kaj je fenomen superprevodnosti.
Zgodovina
Leta 1911 so med preučevanjem lastnosti snovi pri zelo nizkih temperaturah nizozemski fizik Heike Kamerling Onnes in njegova ekipa odkrili, da električni upor živega srebra pade na nič pod 4,2 K (-269°C). To je bilo prvo opazovanje fenomena superprevodnosti. Večina kemičnih elementov postane superprevodna pri dovolj nizkih temperaturah.
Pod določeno kritično temperaturo materiali preidejo v superprevodno stanje, za katerega sta značilni dve glavni lastnosti: prvič, ne upirajo se prehodu električnega toka. Ko upor pade na nič, lahko tok kroži znotraj materiala brez disipacije energije.
Drugič, pod pogojem, da so dovolj šibka, zunanja magnetna polja ne prodrejo v superprevodnik, ampak ostanejo na njegovi površini. Ta pojav izgona polja je postal znan kot Meissnerjev učinek, potem ko ga je leta 1933 prvič opazil fizik.
Tri imena, tri črke in nepopolna teorija
Navadna fizika ne daje ustreznerazlage superprevodnega stanja, pa tudi elementarna kvantna teorija trdnega stanja, 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 ustvarili mikroskopsko teorijo superprevodnosti. Po njihovi teoriji BCS se elektroni združijo v pare z interakcijo z vibracijami rešetke (tako imenovanimi "fononi"), s čimer tvorijo Cooperjeve pare, ki se gibljejo brez trenja znotraj trdnega telesa. Na trdno snov lahko gledamo kot na mrežo pozitivnih ionov, potopljenih v oblak elektronov. Ko elektron preide skozi to mrežo, se ioni rahlo premaknejo, pritegnejo jih negativni naboj elektrona. To gibanje ustvari električno pozitivno regijo, ki pa pritegne še en elektron.
Energija elektronske interakcije je precej šibka, hlapi pa se lahko zlahka razgradijo s toplotno energijo - zato se superprevodnost običajno pojavi pri zelo nizkih temperaturah. Vendar teorija BCS ne zagotavlja razlage za obstoj visokotemperaturnih superprevodnikov pri okoli 80 K (-193 °C) in več, za katere morajo biti vključeni drugi mehanizmi vezave elektronov. Uporaba fenomena superprevodnosti temelji na zgornjem postopku.
temperatura
Leta 1986 je bilo ugotovljeno, da imajo nekateri kuprat-perovskit keramični materiali kritične temperature nad 90 K (-183 °C). Ta visoka temperatura spoja je teoretičnonemogoče za običajen superprevodnik, zaradi česar se materiali imenujejo visokotemperaturni superprevodniki. Razpoložljivi hladilni tekoči dušik vre pri 77 K, zato superprevodnost pri temperaturah, višjih od teh, olajša številne poskuse in aplikacije, ki so pri nižjih temperaturah manj praktične. To je odgovor na vprašanje, pri kateri temperaturi se pojavi fenomen superprevodnosti.
Razvrstitev
Superprevodnike lahko razvrstimo po več kriterijih, ki so odvisni od našega zanimanja za njihove fizikalne lastnosti, od razumevanja, ki ga imamo o njih, od tega, kako drago jih je hlajenje, ali od materiala, iz katerega so izdelani.
Zaradi svojih magnetnih lastnosti
Superprevodniki tipa I: tisti, ki imajo samo eno kritično polje, Hc, in nenadoma prehajajo iz enega stanja v drugo, ko je doseženo.
Superprevodniki tipa II: imajo dve kritični polji, Hc1 in Hc2, ki sta popolna superprevodnika pod spodnjim kritičnim poljem (Hc1) in popolnoma zapustita superprevodno stanje nad zgornjim kritičnim poljem (Hc2) in sta v mešanem stanju med kritična polja.
Kot jih razumemo o njih
Navadni superprevodniki: tisti, ki jih je mogoče v celoti razložiti s teorijo BCS ali sorodnimi teorijami.
Nekonvencionalni superprevodniki: tisti, ki jih ni bilo mogoče razložiti s takšnimi teorijami, na primer: težki fermionskisuperprevodniki.
To merilo je pomembno, ker teorija BCS že od leta 1957 razlaga lastnosti običajnih superprevodnikov, po drugi strani pa ni bilo zadovoljive teorije, ki bi razložila popolnoma nekonvencionalne superprevodnike. V večini primerov so superprevodniki tipa I pogosti, vendar obstaja nekaj izjem, kot je niobij, ki je tako pogost, in tip II.
Po njihovi kritični temperaturi
Nizkotemperaturni superprevodniki ali LTS: tisti, katerih kritična temperatura je pod 30 K.
Visokotemperaturni superprevodniki ali HTS: tisti, katerih kritična temperatura je nad 30 K. Nekateri zdaj uporabljajo 77 K kot ločitev, da poudarijo, ali lahko vzorec ohladimo s tekočim dušikom (katerega vrelišče je 77 K), ki je veliko bolj izvedljiv kot tekoči helij (alternativa za doseganje temperatur, potrebnih za proizvodnjo nizkotemperaturnih superprevodnikov).
Druge podrobnosti
Superprevodnik je lahko tipa I, kar pomeni, da ima eno samo kritično polje, nad katerim se izgubi vsa superprevodnost, pod katerim je magnetno polje popolnoma izločeno iz superprevodnika. 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 pri 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 zmogljivost in kritična temperatura, kritično polje in kritična gostota toka, pri kateri se superprevodnost pokvari.
Po drugi strani pa obstaja razred lastnosti, ki so neodvisne od osnovnega materiala. Na primer, vsi superprevodniki imajo absolutno ničelno upornost pri nizkih uporabljenih tokovih, ko ni magnetnega polja ali ko uporabljeno polje ne presega kritične vrednosti.
Prisotnost teh univerzalnih lastnosti pomeni, da je superprevodnost termodinamična faza in ima zato določene značilne lastnosti, ki so v veliki meri neodvisne od mikroskopskih podrobnosti.
V superprevodniku je situacija drugačna. V običajnem superprevodniku elektronske tekočine ni mogoče ločiti na posamezne elektrone. Namesto tega je sestavljen iz vezanih parov elektronov, znanih kot Cooperjevi pari. To združevanje povzroča privlačna sila med elektroni, ki je posledica izmenjave fononov. Zaradi kvantne mehanike ima energijski spekter te tekočine Cooperjevega para energijsko vrzel, to pomeni, da obstaja minimalna količina energije ΔE, ki jo je treba dobaviti za vzbujanje tekočine.
Zato, če je ΔE večja od toplotne energije rešetke, podane z kT, kjer je k Boltzmannova konstanta in T temperatura, tekočina ne bo razpršena po rešetki. TorejTako je Cooperjeva parna tekočina superfluidna, kar pomeni, da lahko teče brez razpršitve energije.
Superprevodnostne lastnosti
Pri superprevodnih materialih se lastnosti superprevodnosti pojavijo, ko temperatura T pade pod kritično temperaturo Tc. Vrednost te kritične temperature se razlikuje od materiala do materiala. Običajni superprevodniki imajo običajno kritične temperature v razponu od približno 20 K do manj kot 1 K.
Na primer, trdno živo srebro ima kritično temperaturo 4,2 K. Od leta 2015 je najvišja kritična temperatura, ugotovljena za običajni superprevodnik, 203 K za H2S, čeprav je bil potreben visok tlak približno 90 gigapascalov. Kupratni superprevodniki imajo lahko veliko višje kritične temperature: YBa2Cu3O7, eden prvih odkritih kupratnih superprevodnikov, ima kritično temperaturo 92 K, najdeni pa so bili tudi kuprati na osnovi živega srebra s kritičnimi temperaturami nad 130 K. Razlaga za te visoke kritične temperature ostaja neznano.
Združevanje elektronov zaradi izmenjave fononov pojasnjuje superprevodnost v običajnih superprevodnikih, vendar ne pojasnjuje superprevodnosti v novejših superprevodnikih, ki imajo zelo visoko kritično temperaturo.
magnetna polja
Podobno pri fiksni temperaturi pod kritično temperaturo superprevodni materiali prenehajo biti superprevodni, ko se uporabi zunanje magnetno polje, ki je večje odkritično magnetno polje. To je zato, ker Gibbsova prosta energija superprevodne faze raste kvadratno z magnetnim poljem, medtem ko je prosta energija normalne faze približno neodvisna od magnetnega polja.
Če je material superprevoden v odsotnosti polja, je prosta energija superprevodne faze manjša od energije normalne faze in zato za neko končno vrednost magnetnega polja (sorazmerno s kvadratom koren razlike prostih energij pri nič), bosta prosti energiji enaki in bo prišlo do faznega prehoda v normalno fazo. Na splošno višja temperatura in močnejše magnetno polje povzročita manjši delež superprevodnih elektronov in s tem večjo globino prodora zunanjih magnetnih polj in tokov v London. Globina penetracije postane pri faznem prehodu neskončna.
fizično
Začetek superprevodnosti spremljajo nenadne spremembe v različnih fizikalnih lastnostih, kar je znak faznega prehoda. Na primer, toplotna kapaciteta elektronov je sorazmerna s temperaturo v normalnem (ne superprevodnem) režimu. Pri superprevodnem prehodu doživi skok in po tem preneha biti linearen. Pri nizkih temperaturah se spremeni namesto e−α/T za neko konstanto α. To eksponentno vedenje je eden od dokazov za obstoj energijske vrzeli.
fazni prehod
Razlaga fenomena superprevodnosti je precejšnjaočitno. O vrstnem redu superprevodnega faznega prehoda se razpravlja že dolgo. Poskusi kažejo, da prehoda drugega reda, torej latentne toplote, ni. Vendar pa v prisotnosti zunanjega magnetnega polja obstaja latentna toplota, ker ima superprevodna faza nižjo entropijo, nižjo od kritične temperature, kot normalna faza.
Eksperimentalno dokazano naslednje: ko se magnetno polje poveča in preseže kritično polje, posledično fazni prehod povzroči znižanje temperature superprevodnega materiala. Fenomen superprevodnosti je bil na kratko opisan zgoraj, zdaj je čas, da vam povemo nekaj o niansah tega pomembnega učinka.
Izračuni v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so pokazali, da bi lahko bil v resnici šibkejši od prvega reda zaradi vpliva dolgotrajnih nihanj v elektromagnetnem polju. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo teoretično s pomočjo teorije nerednega polja, v kateri igrajo superprevodniške vrtinčne črte, teoretično prikazano, da je prehod drugega reda v načinu tipa II in prvega reda (t.j. latentna toplota) v načinu tipa I, in da sta obe regiji ločeni s trikritično točko.
Rezultate so močno potrdile računalniške simulacije v Monte Carlu. To je imelo pomembno vlogo pri preučevanju fenomena superprevodnosti. Delo se nadaljuje v današnjem času. Bistvo fenomena superprevodnosti ni povsem razumljeno in razloženo z vidika sodobne znanosti.
