A szupravezetés jelensége: osztályozás, tulajdonságok és alkalmazás

Mi a szupravezetés jelensége? A szupravezetés nulla elektromos ellenállású jelenség, valamint bizonyos anyagokban, szupravezetőknek nevezett mágneses fluxusmezők kibocsátása, amikor a jellemző kritikus hőmérséklet alá hűtik.

A jelenséget fedezte fel a holland fizikus Heike Kamerling-Onnes április 8-án, 1911 Leiden. A ferromágnesességhez és az atomi spektrális vonalakhoz hasonlóan a szupravezetés is kvantummechanikai jelenség. A Meissner-effektus jellemzi - a mágneses mező vonalak teljes kilökődése a szupravezető belsejéből a szupravezető állapotba való átmenet során.

Ez a szupravezetés jelenségének lényege. A Meissner-effektus megjelenése azt jelzi, hogy a szupravezetés nem értelmezhető egyszerűen az ideális vezetőképesség idealizálásaként a klasszikus fizikában.

Mi a szupravezetés jelensége

A fémvezető elektromos ellenállása fokozatosan csökken a hőmérséklet csökkenésével. A hagyományos vezetőkben, például rézben vagy ezüstben, ezt a csökkentést szennyeződések és egyéb hibák korlátozzák. Még az abszolút nulla közelében is, a normál vezető valódi mintája mutat némi ellenállást. Szupravezetőben az ellenállás hirtelen nullára csökken, Amikor az anyag a kritikus hőmérséklet alá hűl. A szupravezető huzal hurokján keresztüli elektromos áram áramforrás nélkül korlátlan ideig fenntartható. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy mi a szupravezetés jelensége.

Történelem

1911-ben, miközben az anyag tulajdonságait nagyon alacsony hőmérsékleten tanulmányozta, Heike Kamerling Onnes holland fizikus és csapata felfedezte, hogy a higany elektromos ellenállása nullára csökken 4,2 K alá (-269 Kb C). Ez volt a szupravezetés jelenségének első megfigyelése. A legtöbb kémiai elem szupravezetővé válik kellően alacsony hőmérsékleten.

Egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt az anyagok szupravezető állapotba kerülnek, amelyet két fő tulajdonság jellemez: először is, nem ellenállnak az elektromos áram áthaladásának. Amikor az ellenállás nullára csökken, az áram az anyag belsejében áram nélkül áramolhat.

Másodszor, feltéve, hogy elég gyengék, a külső mágneses mezők nem hatolnak be a szupravezetőbe, hanem a felületén maradnak. A terepi kiutasítás ezen jelensége Meissner-effektus néven vált ismertté, miután egy fizikus 1933-ban először megfigyelte.

Három név, három betű és egy hiányos elmélet

A hagyományos fizika nem ad megfelelő magyarázatot a szupravezető állapotra, sem a szilárd állapot elemi kvantumelmélete, amely az elektronok viselkedését külön veszi figyelembe a kristályrácsban lévő ionok viselkedésétől.

Csak 1957-ben három amerikai kutató - John Bardin, Leon Cooper és John Schrieffer - létrehozta a szupravezetés mikroszkopikus elméletét. BCS-elméletük szerint az elektronokat párokba csoportosítják a rácsos rezgésekkel (úgynevezett "fononokkal") való kölcsönhatás révén, így Cooper-párokat képeznek, amelyek súrlódás nélkül mozognak egy szilárd anyag belsejében. A szilárd test az elektronok felhőjébe merített pozitív ionok rácsának tekinthető. Amikor egy elektron áthalad ezen a rácson, az ionok kissé mozognak, az elektron negatív töltése vonzza őket. Ez a mozgás elektromosan pozitív régiót hoz létre, amely viszont egy másik elektronot vonz.

Az elektronikus kölcsönhatás energiája meglehetősen gyenge, a párok könnyen megszakadhatnak fel hőenergiával - , tehát a szupravezetés általában nagyon alacsony hőmérsékleten fordul elő. Ennek ellenére a BCS-elmélet nem magyarázza meg a magas hőmérsékletű szupravezetők létezését körülbelül 80 K (-193 Ft) vagy annál magasabb hőmérsékleten, amelyhez más elektronkapcsoló mechanizmusokat kell használni. A szupravezető jelenség alkalmazása a fenti folyamaton alapul.

Hőmérséklet

1986-ban felfedezték, hogy néhány kuprát-perovszkit kerámia anyag kritikus hőmérséklete meghaladja a 90 K-T (-183 Kb C). Egy ilyen magas átmeneti hőmérséklet elméletileg lehetetlen egy hagyományos szupravezető számára, ami oda vezet, hogy az anyagokat magas hőmérsékletű szupravezetőknek nevezzük. A rendelkezésre álló hűtőfolyadék-nitrogén 77 K-On forr, így a szupravezetés magasabb hőmérsékleten, mint ezeknél, számos olyan kísérletet és alkalmazást tesz lehetővé, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten kevésbé praktikusak. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy milyen hőmérsékleten fordul elő a szupravezetés jelensége.

Besorolás

A szupravezetők több kritérium szerint osztályozhatók, amelyek a fizikai tulajdonságaik iránti érdeklődésünktől, a velük kapcsolatos megértésünktől, a hűtés költségétől vagy az anyagtól függenek.

Mágneses tulajdonságai alapján

I. típusú szupravezetők: azok, amelyeknek csak egy kritikus mezője van, Hc, és hirtelen egyik állapotból a másikba változnak, amikor elérik.

II. típusú szupravezetők: két kritikus mezővel, Hc1-gyel és Hc2-vel rendelkeznek, amelyek tökéletes szupravezetők az alsó kritikus mező alatt (Hc1), és teljesen elhagyják a szupravezető állapotot a felső kritikus mező felett (Hc2), vegyes állapotban vannak a kritikus mezők között.

A megértés szerint, hogy van róluk

Hagyományos szupravezetők: azok, amelyek teljes mértékben megmagyarázhatók a BCS elmélettel vagy a kapcsolódó elméletekkel.

Nem szokványos szupravezetők: azok, amelyeket ilyen elméletekkel nem lehetett megmagyarázni, például: nehéz fermionos szupravezetők.

Ez a kritérium azért fontos, mert a BCS-elmélet 1957 óta magyarázza a hagyományos szupravezetők tulajdonságait, másrészt nem volt kielégítő elmélet a teljesen szokatlan szupravezetők magyarázatára. A legtöbb esetben az I. típusú szupravezetők gyakoriak, de van néhány kivétel, például a nióbium, amely mind a közös, mind a II.

A kritikus hőmérséklet

Alacsony hőmérsékletű szupravezetők vagy LTS: azok, amelyek kritikus hőmérséklete 30 K alatt van.

Magas hőmérsékletű szupravezetők vagy HTSP: azok, amelyek kritikus hőmérséklete meghaladja a 30 K-ot. Néhányan 77 K-t használnak elválasztásként annak hangsúlyozására, hogy lehűthetjük-e a mintát folyékony nitrogénnel (amelynek forráspontja 77 K), ami sokkal megvalósíthatóbb, mint a folyékony hélium (a hőmérséklet elérésének alternatívája, szükséges alacsony hőmérsékletű szupravezetők előállítása).

Egyéb árnyalatok

A szupravezető lehet I. típusú, ami azt jelenti, hogy egyetlen kritikus mezője van, amely felett minden szupravezető elvész, alatta pedig a mágneses mező teljesen ki van zárva a szupravezetőből. Típus, ami azt jelenti, hogy két kritikus mezője van, amelyek között lehetővé teszi a mágneses mező részleges behatolását elszigetelt pontokon keresztül. Ezeket a pontokat örvényeknek nevezzük. Ezenkívül két viselkedés kombinációja lehetséges a többkomponensű szupravezetőkben. Ebben az esetben a szupravezető 1.5 típusú.

Jellemzők

A szupravezetők fizikai tulajdonságainak többsége anyagonként változik, mint például a hőkapacitás és a kritikus hőmérséklet, a kritikus mező és a kritikus áramsűrűség, ahol a szupravezetés megsemmisül.

Másrészt van egy olyan tulajdonságosztály, amely nem függ az alapanyagtól. Például az összes szupravezető abszolút nulla ellenállással rendelkezik alacsony alkalmazott áramoknál, ha nincs mágneses mező, vagy ha az alkalmazott mező nem haladja meg a kritikus értéket.

Ezen univerzális tulajdonságok jelenléte azt jelenti, hogy a szupravezetés termodinamikai fázis, ezért bizonyos megkülönböztető tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek nagyrészt függetlenek a mikroszkopikus részletektől.

A szupravezetőben más a helyzet. Egy hagyományos szupravezetőben az elektron folyadék nem választható szét egyes elektronokra. Helyette, kötött elektronpárokból áll, Cooper Párok néven ismert. Ezt a párosítást az elektronok közötti vonzerő okozza a fononcsere eredményeként. A kvantummechanika miatt ennek a Cooper-pár folyadéknak az energiaspektruma energiahézaggal rendelkezik, vagyis minimális mennyiségű energiát kell szolgáltatni a folyadék gerjesztéséhez.

Ezért, ha az ANCONNE nagyobb, mint a rács által adott hőenergia kT, ahol k a Boltzmann-állandó, T pedig a hőmérséklet, akkor a folyadék nem oszlik el a rács által. Így a Cooper-pár folyadék szuperfolyékony, ami azt jelenti, hogy energiaeloszlás nélkül áramolhat.

A szupravezetés jellemzői

Szupravezető anyagokban a szupravezető jellemzők akkor jelennek meg, amikor a T hőmérséklet a kritikus hőmérséklet alá esik Tc. Ennek a kritikus hőmérsékletnek az értéke anyagonként változik. A hagyományos szupravezetők kritikus hőmérséklete általában körülbelül 20 K-tól kevesebb, mint 1 K-ig terjed.

Például a szilárd higany kritikus hőmérséklete 4,2 K. 2015-től. A legmagasabb kritikus hőmérséklet, amelyet egy hagyományos szupravezetőnél találtak, 203 K H2S, bár körülbelül 90 gigapascal nagy nyomásra volt szükség. A kuprát szupravezetők kritikus hőmérséklete sokkal magasabb lehet: az YBa2Cu3O7, az egyik első felfedezett kuprát szupravezetőé, kritikus hőmérséklete 92 K, higanyalapú kuprátokat találtak, amelyek kritikus hőmérséklete meghaladja a 130 K-t. Ezeknek a magas kritikus hőmérsékleteknek a magyarázata továbbra sem ismert.

Az elektronok párosítása a fononcserék miatt megmagyarázza a szupravezetést a hagyományos szupravezetőkben, de nem magyarázza meg a szupravezetést az újabb szupravezetőkben, amelyek nagyon magas kritikus hőmérsékletűek.

Mágneses mezők

Hasonlóképpen, a kritikus hőmérséklet alatti rögzített hőmérsékleten a szupravezető anyagok megszűnnek szupravezetni, ha a kritikus mágneses mezőnél nagyobb külső mágneses mezőt alkalmaznak. Ennek oka az, hogy a szupravezető fázis Gibbs szabad energiája kvadratikusan növekszik a mágneses mezővel, míg a normál fázis szabad energiája megközelítőleg független a mágneses tértől.

Ha az anyag mező hiányában szupravezető, akkor a szupravezető fázis szabad energiája kisebb, mint a normál fázisé, ezért a mágneses mező bizonyos véges értéke esetén (arányos a nulla szabad energiák különbségének négyzetgyökével), a két szabad energia egyenlő lesz, és a normál fázisba való fázisátmenet következik be. Általánosabb értelemben a magasabb hőmérséklet és az erősebb mágneses mező a szupravezető elektronok arányának csökkenéséhez vezet, következésképpen a külső mágneses mezők és áramok nagyobb behatolási mélységéhez Londonba. A behatolási mélység végtelenné válik a fázisátmenet során.

A fizikai szempont

A szupravezetés kezdetét a különböző fizikai tulajdonságok hirtelen változásai kísérik, ami a fázisátmenet megkülönböztető jellemzője. Például az elektron hőkapacitása arányos a normál (nem szupravezető) üzemmód hőmérsékletével. Egy szupravezető csomópontnál ugrásszerű ugrást tapasztal, majd megszűnik lineárisnak lenni. Alacsony hőmérsékleten az e helyett változik-ons/T néhány konstansra. Ez az exponenciális viselkedés az energiarés létezésének egyik bizonyítéka.

Fázis átmenet

A szupravezetés jelenségének magyarázata nyilvánvaló. A szupravezető fázisátmenet sorrendjét már régóta megvitatták. A kísérletek azt mutatják, hogy nincs másodrendű átmenet, azaz látens hő. Külső mágneses mező jelenlétében azonban látens hő van, mert a szupravezető fázis alacsonyabb entrópiával rendelkezik, a kritikus hőmérséklet alatt, mint a normál fázis.

A következőket kísérletileg bizonyították: amikor a mágneses mező növekszik és meghaladja a kritikus mezőt, az ebből eredő fázisátmenet a szupravezető anyag hőmérsékletének csökkenéséhez vezet. A szupravezetés jelenségét a fentiekben röviden leírtuk, most itt az ideje, hogy elmondjunk valamit az árnyalatokról ebből a fontos hatás.

Az 1970-es években végzett számítások azt mutatták, hogy valójában gyengébb lehet, mint az első rend, az elektromágneses mező hosszú távú ingadozásainak hatása miatt. Az 1980-as években elméletileg a rendellenességtérelmélet, amelyben szupravezető örvényvonalak játszanak fontos szerep, , hogy az átmenet II. típusú módban másodrendű és elsőrendű (. azaz. látens hő) I. típusú módban, és hogy a két régiót egy trikritikus pont választja el egymástól.

Az eredményeket erősen megerősítették a Monte Carlo-i számítógépes szimulációk. Ez nagy szerepet játszott a szupravezetés jelenségének tanulmányozásában. A munka jelenleg folytatódik. A szupravezetés jelenségének lényegét a modern tudomány szempontjából nem vizsgálták meg teljesen.