Fenomén supravodivosti: klasifikace, vlastnosti a aplikace

Jaký je fenomén supravodivosti? Supravodivost je jev s nulovým elektrickým odporem a emisemi polí magnetického toku vyskytujících se v určitých materiálech nazývaných supravodiče, když jsou chlazeny pod charakteristickou kritickou teplotou.

Tento jev objevil nizozemský fyzik Heike Kamerling-Onnes 8. Dubna 1911 v Leidenu. Stejně jako feromagnetismus a atomové spektrální čáry je supravodivost kvantově mechanickým jevem. Vyznačuje se meissnerovým efektem-úplným uvolněním magnetických siločar z vnitřku supravodiče při jeho přechodu do supravodivého stavu.

To je podstata fenoménu supravodivosti. Výskyt Meissnerova efektu naznačuje, že supravodivost nelze chápat jednoduše jako idealizaci ideální vodivosti v klasické fyzice.

Jaký je fenomén supravodivosti

Elektrický odpor kovového vodiče se postupně snižuje, když teplota klesá. U konvenčních vodičů, jako je měď nebo stříbro, je toto snížení omezeno nečistotami a jinými vadami. I v blízkosti absolutní nuly ukazuje skutečný vzorek normálního vodiče určitý odpor. V supravodiči odpor prudce klesá na nulu, když se materiál ochladí pod kritickou teplotu. Elektrický proud přes smyčku supravodivého drátu může být udržován donekonečna bez napájení. Toto je odpověď na otázku, Jaký je fenomén supravodivosti.

Historie

V roce 1911 nizozemský fyzik Heike Kamerling Onnes a jeho tým při studiu vlastností látky při velmi nízké teplotě zjistili, že elektrický odpor rtuti klesl na nulu pod 4,2 k (-269°C). Toto bylo úplně první pozorování fenoménu supravodivosti. Většina chemických prvků se stává supravodivou při dostatečně nízké teplotě.

Pod určitou kritickou teplotou přecházejí materiály do supravodivého stavu charakterizovaného dvěma základními vlastnostmi: zaprvé nevyvolávají odpor vůči průchodu elektrického proudu. Když odpor klesne na nulu, proud může cirkulovat uvnitř materiálu bez rozptylu energie.

Za druhé, pokud jsou dostatečně slabá, vnější magnetická pole nepronikají supravodičem, ale zůstávají na jeho povrchu. Tento jev vyhoštění pole se stal známým jako Meissnerův efekt poté, co ho fyzik poprvé pozoroval v roce 1933.

Tři jména, tři písmena a neúplná teorie

Konvenční fyzika neposkytuje adekvátní vysvětlení supravodivého stavu, ani elementární kvantová teorie pevného stavu, která zvažuje chování elektronů odděleně od chování iontů v krystalové mřížce.

Teprve v roce 1957 vytvořili tři američtí vědci - John Bardin, Leon Cooper a John Schrieffer mikroskopickou teorii supravodivosti. Podle jejich teorie BCS jsou elektrony seskupeny do dvojic prostřednictvím interakce s mřížkovými vibracemi (nazývanými "fonony"), čímž vytvářejí Cooperovy páry, které se pohybují uvnitř pevné látky bez tření. Pevnou látku lze považovat za mřížku kladných iontů ponořených do oblaku elektronů. Když elektron prochází touto mřížkou, ionty se mírně pohybují a jsou přitahovány záporným nábojem elektronu. Tento pohyb generuje elektricky pozitivní oblast, která zase přitahuje jiný elektron.

Energie elektronické interakce je poměrně slabá a páry lze snadno rozbít tepelná energie - supravodivost se proto obvykle vyskytuje při velmi nízké teplotě. Teorie BCS však nevysvětluje existenci vysokoteplotních supravodičů při teplotě kolem 80 K (-193 ° C) a vyšší, pro které je třeba použít jiné mechanismy vazby elektronů. Na výše uvedeném procesu je založena aplikace fenoménu supravodivosti.

Teplota

V roce 1986 bylo zjištěno, že některé cuprat-perovskitové keramické materiály mají kritickou teplotu nad 90 K (-183 ° C). Taková vysoká teplota přechodu je teoreticky nemožná pro konvenční supravodič, což způsobuje, že materiály se nazývají vysokoteplotní supravodiče. Dostupný chladicí kapalný dusík se vaří při 77 K, a tak supravodivost při vyšších teplotách než tyto usnadňuje mnoho experimentů a aplikací, které jsou méně praktické při nižších teplotách. Toto je odpověď na otázku, při jaké teplotě vzniká fenomén supravodivosti.

Klasifikace

Supravodiče lze klasifikovat podle několika kritérií, která závisí na našem zájmu o jejich fyzikální vlastnosti, na porozumění, které o nich máme, jak nákladné je jejich chlazení nebo na materiálu, ze kterého jsou vyrobeny.

Podle svých magnetických vlastností

Supravodiče typu i: ty, které mají pouze jedno kritické pole, Hc, a při dosažení dramaticky přecházejí z jednoho stavu do druhého.

Supravodiče typu II: mající dvě kritická pole, Hc1 a Hc2, jsou dokonalými supravodiči pod dolním kritickým polem (Hc1) a zcela opouštějí supravodivý stav nad horním kritickým polem( Hc2), ve smíšeném stavu mezi kritickými poli.

O porozumění, které o nich máme

Konvenční supravodiče: ty, které lze plně vysvětlit teorií BCS nebo souvisejícími teoriemi.

Nekonvenční supravodiče: ty, které nelze vysvětlit takovými teoriemi, například: těžké fermionické supravodiče.

Toto kritérium je důležité, protože teorie BCS vysvětluje vlastnosti konvenčních supravodičů od roku 1957, ale na druhé straně neexistovala uspokojivá teorie pro vysvětlení zcela nekonvenčních supravodičů. Ve většině případů jsou supravodiče typu i běžné, ale existuje několik výjimek, jako je niob, který je běžný i typ II.

Podle jejich kritické teploty

Nízkoteplotní supravodiče neboli LTS: ti, jejichž kritická teplota je nižší než 30 K.

Vysokoteplotní supravodiče neboli VTSP: ti, jejichž kritická teplota je vyšší než 30 K. Někteří nyní používají 77 K jako separaci, aby zdůraznili, zda můžeme vzorek ochladit kapalným dusíkem (jehož bod varu je 77 K), což je mnohem proveditelnější než kapalné helium (alternativa k dosažení teplot, nezbytné pro získání nízkých teplot supravodiče).

Další nuance

Supravodič může být typu I, což znamená, že má jediné kritické pole, nad kterým je veškerá supravodivost ztracena, a pod kterým je magnetické pole zcela vyloučeno ze supravodiče. Typ II, což znamená, že má dvě kritická pole, mezi nimiž umožňuje částečné pronikání magnetického pole izolovanými body. Tyto body se nazývají víry. Kromě toho je ve vícesložkových supravodičích možná kombinace dvou chování. V tomto případě je supravodič typu 1,5.

Vlastnosti

Většina fyzikálních vlastností supravodičů se liší od materiálu k materiálu, jako je tepelná kapacita a kritická teplota, kritické pole a hustota kritického proudu, při kterém supravodivost je zničena.

Na druhé straně existuje třída vlastností, které nezávisí na základním materiálu. Například všechny supravodiče mají absolutně nulový odpor při malých aplikovaných proudech, když chybí magnetické pole nebo pokud aplikované pole nepřesahuje kritickou hodnotu.

Přítomnost těchto univerzálních vlastností znamená, že supravodivost je termodynamická fáze, a proto má určité charakteristické vlastnosti, které jsou do značné míry nezávislé na mikroskopických detailech.

Situace se liší v supravodiči. V konvenčním supravodiči nelze elektronovou kapalinu rozdělit na jednotlivé elektrony. Místo toho se skládá z vázaných párů elektronů známých jako Cooperovy páry. Toto párování je způsobeno přitažlivou silou mezi elektrony v důsledku výměny fononů. Vzhledem k kvantové mechanice má energetické spektrum této kapaliny páru Cooper energetickou mezeru, to znamená, že existuje minimální množství energie ΔE, které musí být přiváděno k excitaci kapaliny.

Pokud je tedy ΔE větší než tepelná mřížková energie daná kT, kde K je Boltzmannova konstanta a T je teplota, kapalina nebude rozptýlena mřížkou. Kapalina Cooperova páru je tedy superfluidní, což znamená, že může proudit bez rozptylu energie.

Charakteristiky supravodivosti

V supravodivých materiálech se charakteristiky supravodivosti objevují, když teplota T klesne pod kritickou teplotu Tc. Hodnota této kritické teploty se liší od materiálu k materiálu. Konvenční supravodiče mají obvykle kritické teploty v rozmezí od asi 20 K do méně než 1 K.

Například pevná rtuť má kritickou teplotu 4,2 k. Od roku 2015. nejvyšší kritická teplota nalezená u konvenčního supravodiče je 203 K pro H2S, i když byl vyžadován vysoký tlak kolem 90 gigapascalů. Kuprátové supravodiče mohou mít mnohem vyšší kritické teploty: YBa2Cu3O7, jeden z prvních detekovaných cuprátových supravodičů, má kritickou teplotu 92 K a byly nalezeny kupráty na bázi rtuti s kritickými teplotami vyššími než 130 K. Vysvětlení těchto vysoké kritické teploty zůstávají neznámé.

Párování elektronů v důsledku fononových výměn vysvětluje supravodivost v konvenčních supravodičích, ale nevysvětluje supravodivost v novějších supravodičích, které mají velmi vysokou kritickou teplotu.

Magnetické pole

Podobně při pevné teplotě pod kritickou teplotou supravodivé materiály přestanou supravodit, když je aplikováno vnější magnetické pole, které je větší než kritické magnetické pole. K tomu dochází, protože Gibbsova volná energie supravodivé fáze se kvadraticky zvyšuje s magnetickým polem, zatímco volná energie normální fáze je zhruba nezávislá na magnetickém poli.

Pokud je materiál supravodivý v nepřítomnosti pole, pak je volná energie supravodivé fáze menší než energie normální fáze, a proto pro určitou konečnou hodnotu magnetického pole (úměrná druhé odmocnině rozdílu volné energie v nule) budou dvě volné energie stejné a dojde k fázovému přechodu do normální fáze. Obecněji řečeno, vyšší teplota a silnější magnetické pole vedou ke snížení podílu supravodivých elektronů, a tedy k větší hloubce pronikání vnějších magnetických polí a proudů do Londýna. Hloubka průniku se při fázovém přechodu stává nekonečnou.

Fyzický aspekt

Nástup supravodivosti je doprovázen dramatickými změnami různých fyzikálních vlastností, což je charakteristický znak fázového přechodu. Například elektronická tepelná kapacita je úměrná teplotě v normálním (ne supravodivém) režimu. Na supravodivém přechodu zažívá skokový skok a poté přestane být lineární. Při nízkých teplotách se mění místo e-α / T pro určitou konstantu α. Toto exponenciální chování je jedním z důkazů energetické mezery.

Fázový přechod

Vysvětlení fenoménu supravodivosti je zcela zřejmé. Pořadí supravodivého fázového přechodu bylo dlouho diskutováno. Experimenty ukazují, že přechod druhého řádu, tj. V přítomnosti vnějšího magnetického pole je však latentní teplo, protože supravodivá fáze má nižší entropii, nižší kritickou teplotu než normální fáze.

Experimentálně bylo prokázáno následující: když se magnetické pole zvyšuje a přesahuje kritické pole, výsledný fázový přechod vede ke snížení teploty supravodivého materiálu. Fenomén supravodivosti byl stručně popsán výše, nyní je čas říci něco o nuancích tohoto důležitého efektu.

Výpočty provedené v 70. letech ukázaly, že ve skutečnosti může být slabší než první řád kvůli vlivu fluktuací na dlouhé vzdálenosti v elektromagnetickém poli. V osmdesátých letech bylo teoreticky prokázáno teorií poruchového pole, ve které hrají supravodivé vířivé linie hlavní role, že přechod má druhý řád v režimu typu II a První řád (t. e. latentní teplo) v režimu typu I a že obě oblasti jsou odděleny trikritickým bodem.

Výsledky byly silně potvrzeny počítačovými simulacemi v Monte Carlu. To hrálo velkou roli při studiu fenoménu supravodivosti. Práce pokračují i nyní. Podstata fenoménu supravodivosti není plně studována a vysvětlena z pohledu moderní vědy.