Какво е явлението свръхпроводимост? Свръхпроводимостта е явление с нулево електрическо съпротивление и освобождаване на полета на магнитен поток, които възникват в определени материали, наречени свръхпроводници, при охлаждане под характерна критична температура.
Явлението е открито от холандския физик Хайке Камерлинг-Онес на 8 април 1911 г. в Лайден. Подобно на феромагнетизма и атомните спектрални линии, свръхпроводимостта е квантово механично явление. Характеризира се с ефекта на Мейснер - пълно изхвърляне на линиите на магнитното поле от вътрешността на свръхпроводника по време на прехода му в свръхпроводящо състояние.
Това е същността на феномена свръхпроводимост. Появата на ефекта на Майснер показва, че свръхпроводимостта не може да се разбира просто като идеализация на идеалната проводимост в класическата физика.
Какво е явлението свръхпроводимост
Електрическото съпротивление на метален проводник постепенно намалява катопонижаване на температурата. При обикновени проводници като мед или сребро това намаление е ограничено от примеси и други дефекти. Дори близо до абсолютната нула, реална проба от нормален проводник показва известно съпротивление. В свръхпроводник съпротивлението пада рязко до нула, когато материалът се охлади под критичната си температура. Електрическият ток през верига от свръхпроводящ проводник може да се поддържа за неопределено време без източник на захранване. Това е отговорът на въпроса какво е явлението свръхпроводимост.
История
През 1911 г., докато изучава свойствата на материята при много ниски температури, холандският физик Хайке Камерлинг Онес и неговият екип откриват, че електрическото съпротивление на живака пада до нула под 4,2 K (-269°C). Това беше първото наблюдение на явлението свръхпроводимост. Повечето химични елементи стават свръхпроводими при достатъчно ниски температури.
Под определена критична температура материалите преминават в свръхпроводящо състояние, характеризиращо се с две основни свойства: първо, те не се съпротивляват на преминаването на електрически ток. Когато съпротивлението падне до нула, токът може да циркулира в материала без разсейване на енергия.
Второ, при условие че са достатъчно слаби, външните магнитни полета не проникват в свръхпроводника, а остават на неговата повърхност. Този феномен на експулсиране на полето става известен като ефекта на Майснер, след като за първи път е наблюдаван от физик през 1933 г.
Три имена, три букви и непълна теория
Обикновената физика не дава адекватнаобяснения на свръхпроводящото състояние, както и елементарната квантова теория на твърдото състояние, която разглежда поведението на електроните отделно от поведението на йоните в кристална решетка.
Едва през 1957 г. трима американски изследователи - Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Шрифър създават микроскопичната теория на свръхпроводимостта. Според тяхната BCS теория, електроните се събират в двойки чрез взаимодействие с вибрации на решетката (така наречените "фонони"), като по този начин образуват купърови двойки, които се движат без триене в твърдо тяло. Твърдото тяло може да се разглежда като решетка от положителни йони, потопени в облак от електрони. Когато електрон преминава през тази решетка, йоните се движат леко, привлечени от отрицателния заряд на електрона. Това движение генерира електрически положителен регион, който от своя страна привлича друг електрон.
Енергията на електронното взаимодействие е доста слаба и парите могат лесно да бъдат разбити от топлинна енергия - така че свръхпроводимостта обикновено се появява при много ниски температури. Въпреки това, теорията на BCS не дава обяснение за съществуването на високотемпературни свръхпроводници при около 80 K (-193 °C) и по-високи, за които трябва да бъдат включени други механизми за свързване на електрони. Прилагането на феномена на свръхпроводимост се основава на горния процес.
Температура
През 1986 г. е установено, че някои купрат-перовскитни керамични материали имат критични температури над 90 K (-183 °C). Тази висока температура на прехода е теоретичноневъзможно за конвенционален свръхпроводник, което води до материалите да бъдат наричани високотемпературни свръхпроводници. Наличният охлаждащ течен азот кипи при 77 K и по този начин свръхпроводимостта при температури по-високи от тези улеснява много експерименти и приложения, които са по-малко практични при по-ниски температури. Това е отговорът на въпроса при каква температура възниква явлението свръхпроводимост.
Класификация
Свръхпроводниците могат да бъдат класифицирани според няколко критерия, които зависят от нашия интерес към техните физически свойства, от разбирането, което имаме за тях, от това колко скъпо е охлаждането им или от материала, от който са направени.
По своите магнитни свойства
Свръхпроводници от тип I: тези, които имат само едно критично поле, Hc, и рязко преминават от едно състояние в друго, когато се достигне.
Свръхпроводници от тип II: имащи две критични полета, Hc1 и Hc2, които са перфектни свръхпроводници под долното критично поле (Hc1) и напълно напускат свръхпроводящото състояние над горното критично поле (Hc2), като са в смесено състояние между критичните полета.
Както ги разбираме за тях
Обикновени свръхпроводници: тези, които могат да бъдат напълно обяснени с BCS теория или свързани теории.
Неконвенционални свръхпроводници: тези, които не могат да бъдат обяснени с помощта на подобни теории, например: тежки фермионнисвръхпроводници.
Този критерий е важен, тъй като теорията на BCS обяснява свойствата на конвенционалните свръхпроводници от 1957 г., но от друга страна, няма задоволителна теория, която да обясни напълно неконвенционалните свръхпроводници. В повечето случаи свръхпроводниците от тип I са често срещани, но има няколко изключения, като ниобий, който е често срещан и тип II.
По критичната им температура
Нискотемпературни свръхпроводници или LTS: тези, чиято критична температура е под 30 K.
Високотемпературни свръхпроводници или HTS: тези, чиято критична температура е над 30 K. Някои сега използват 77 K като разделяне, за да подчертаят дали можем да охладим пробата с течен азот (чиято точка на кипене е 77 K), което е много по-осъществимо от течния хелий (алтернатива за достигане на температурите, необходими за производството на нискотемпературни свръхпроводници).
Други подробности
Свръхпроводникът може да бъде тип I, което означава, че има едно критично поле, над което се губи цялата свръхпроводимост и под което магнитното поле е напълно елиминирано от свръхпроводника. Тип II, което означава, че има две критични полета, между които позволява частично проникване на магнитното поле през изолирани точки. Тези точки се наричат вихри. Освен това в многокомпонентните свръхпроводници е възможна комбинация от две поведения. В този случай свръхпроводникът е от тип 1, 5.
Свойства
Повечето от физическите свойства на свръхпроводниците варират от материал до материал, като топлинен капацитет и критична температура, критично поле и критична плътност на тока, при която свръхпроводимостта се разпада.
От друга страна, има клас свойства, които са независими от основния материал. Например, всички свръхпроводници имат абсолютно нулево съпротивление при ниски приложени токове, когато няма магнитно поле или когато приложеното поле не надвишава критична стойност.
Наличието на тези универсални свойства предполага, че свръхпроводимостта е термодинамична фаза и следователно има определени отличителни свойства, които до голяма степен са независими от микроскопичните детайли.
Ситуацията е различна в свръхпроводника. В конвенционален свръхпроводник електронната течност не може да бъде разделена на отделни електрони. Вместо това се състои от свързани двойки електрони, известни като двойки на Купър. Това сдвояване се причинява от силата на привличане между електроните в резултат на обмена на фонони. Поради квантовата механика, енергийният спектър на тази течност от двойката Купър има енергийна междина, тоест има минимално количество енергия ΔE, което трябва да се подаде, за да възбуди течността.
Ето защо, ако ΔE е по-голямо от топлинната енергия на решетката, дадена от kT, където k е константата на Болцман, а T е температурата, течността няма да бъде разпръсната от решетката. ТакаПо този начин парната течност на Купър е свръхтечна, което означава, че може да тече, без да разсейва енергия.
Характеристики на свръхпроводимост
В свръхпроводящите материали характеристиките на свръхпроводимост се появяват, когато температурата T падне под критичната температура Tc. Стойността на тази критична температура варира от материал до материал. Конвенционалните свръхпроводници обикновено имат критични температури, вариращи от около 20 K до по-малко от 1 K.
Например, твърдият живак има критична температура от 4,2 K. От 2015 г. най-високата критична температура, установена за конвенционален свръхпроводник, е 203 K за H2S, въпреки че е необходимо високо налягане от около 90 гигапаскала. Купратните свръхпроводници могат да имат много по-високи критични температури: YBa2Cu3O7, един от първите открити купратни свръхпроводници, има критична температура от 92 K и са открити купрат на базата на живак с критични температури над 130 K. Обяснението за тези високи критични температури остава неизвестно.
Сдвояването на електрони поради обмен на фонони обяснява свръхпроводимостта в конвенционалните свръхпроводници, но не обяснява свръхпроводимостта в по-новите свръхпроводници, които имат много висока критична температура..
Магнитни полета
По същия начин, при фиксирана температура под критичната температура, свръхпроводящите материали спират свръхпроводимостта, когато се приложи външно магнитно поле, което е по-голямо откритично магнитно поле. Това е така, защото свободната енергия на Гибс на свръхпроводящата фаза нараства квадратично с магнитното поле, докато свободната енергия на нормалната фаза е приблизително независима от магнитното поле.
Ако материалът е свръхпроводящ при липса на поле, тогава свободната енергия на свръхпроводящата фаза е по-малка от тази на нормалната фаза и следователно за някаква крайна стойност на магнитното поле (пропорционална на квадрата корен на разликата в свободните енергии при нула), двете свободни енергии ще бъдат равни и ще има фазов преход към нормална фаза. По-общо казано, по-високата температура и по-силното магнитно поле водят до по-малък дял на свръхпроводящите електрони и следователно по-голяма дълбочина на проникване в Лондон на външни магнитни полета и токове. Дълбочината на проникване става безкрайна при фазовия преход.
Физически
Начаването на свръхпроводимост е придружено от резки промени в различни физични свойства, което е отличителен белег на фазовия преход. Например, топлинният капацитет на електроните е пропорционален на температурата в нормален (не свръхпроводящ) режим. При свръхпроводящия преход той преживява скок и след това престава да бъде линеен. При ниски температури той се променя вместо e−α/T за някаква константа α. Това експоненциално поведение е едно от доказателствата за съществуването на енергийна празнина.
Фазов преход
Обяснението на феномена на свръхпроводимост е достаочевидно. Редът на свръхпроводящия фазов преход се обсъжда от дълго време. Експериментите показват, че няма преход от втори ред, тоест латентна топлина. Въпреки това, в присъствието на външно магнитно поле има латентна топлина, тъй като свръхпроводящата фаза има по-ниска ентропия, по-ниска от критичната температура, отколкото нормалната фаза.
Експериментално демонстрирано следното: когато магнитното поле се увеличава и надхвърля критичното поле, полученият фазов преход води до намаляване на температурата на свръхпроводящия материал. Феноменът на свръхпроводимостта беше описан накратко по-горе, сега е време да ви кажа нещо за нюансите на този важен ефект.
Изчисленията, направени през 70-те години на миналия век, показаха, че той всъщност може да бъде по-слаб от първия порядък поради влиянието на колебанията на далечни разстояния в електромагнитното поле. През 80-те години на миналия век беше теоретично показано с помощта на теорията на полето на разстройството, в която свръхпроводниковите вихрови линии играят основна роля, че преходът е втори ред в режим тип II и първи ред (т.е. латентна топлина) в режим тип I, и че двата региона са разделени с трикритична точка.
Резултатите бяха силно потвърдени от компютърни симулации в Монте Карло. Това изигра важна роля в изследването на феномена на свръхпроводимост. Работата продължава и в момента. Същността на феномена на свръхпроводимостта не е напълно разбрана и обяснена от гледна точка на съвременната наука.
