Što je fenomen supravodljivosti? Supervodljivost je fenomen s nultim električnim otporom i oslobađanjem polja magnetskog toka koji se javljaju u određenim materijalima, zvanim supravodnici, kada se ohlade ispod karakteristične kritične temperature.
Fenomen je otkrio nizozemski fizičar Heike Kamerling-Onnes 8. travnja 1911. u Leidenu. Poput feromagnetizma i atomskih spektralnih linija, supravodljivost je kvantnomehanički fenomen. Karakterizira ga Meissnerov efekt - potpuno izbacivanje linija magnetskog polja iz unutrašnjosti supravodnika tijekom njegovog prijelaza u supravodljivo stanje.
Ovo je bit fenomena supravodljivosti. Pojava Meissnerovog efekta ukazuje da se supravodljivost ne može shvatiti jednostavno kao idealizacija idealne vodljivosti u klasičnoj fizici.
Što je fenomen supravodljivosti
Električni otpor metalnog vodiča postupno se smanjuje kaosnižavanje temperature. U uobičajenim vodičima kao što su bakar ili srebro, ovo smanjenje je ograničeno nečistoćama i drugim nedostacima. Čak i blizu apsolutne nule, pravi uzorak normalnog vodiča pokazuje određeni otpor. U supravodiču otpor naglo pada na nulu kada se materijal ohladi ispod kritične temperature. Električna struja kroz petlju supravodljive žice može se održavati neograničeno bez izvora napajanja. Ovo je odgovor na pitanje, što je fenomen supravodljivosti.
Povijest
Godine 1911., proučavajući svojstva tvari na vrlo niskim temperaturama, nizozemski fizičar Heike Kamerling Onnes i njegov tim otkrili su da električni otpor žive pada na nulu ispod 4,2 K (-269°C). Ovo je bilo prvo opažanje fenomena supravodljivosti. Većina kemijskih elemenata postaje supravodljiva na dovoljno niskim temperaturama.
Ispod određene kritične temperature, materijali prelaze u supravodljivo stanje, koje karakteriziraju dva glavna svojstva: prvo, ne opiru se prolasku električne struje. Kada otpor padne na nulu, struja može cirkulirati unutar materijala bez rasipanja energije.
Drugo, pod uvjetom da su dovoljno slaba, vanjska magnetska polja ne prodiru u supravodič, već ostaju na njegovoj površini. Ovaj fenomen izbacivanja polja postao je poznat kao Meissnerov efekt nakon što ga je prvi primijetio fizičar 1933.
Tri imena, tri slova i nepotpuna teorija
Obična fizika ne daje adekvatanobjašnjenja supravodljivog stanja, kao i elementarna kvantna teorija čvrstog stanja, koja razmatra ponašanje elektrona odvojeno od ponašanja iona u kristalnoj rešetki.
Tek 1957. godine trojica američkih istraživača - John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer stvorili su mikroskopsku teoriju supravodljivosti. Prema njihovoj BCS teoriji, elektroni se skupljaju u parove kroz interakciju s vibracijama rešetke (tzv. "fononi"), tvoreći tako Cooperove parove koji se kreću bez trenja unutar krutog tijela. Čvrsto tijelo se može promatrati kao rešetka pozitivnih iona uronjena u oblak elektrona. Kada elektron prođe kroz ovu rešetku, ioni se lagano pomiču, privlačeći ih negativni naboj elektrona. Ovo kretanje stvara električno pozitivnu regiju, koja zauzvrat privlači drugi elektron.
Energija elektroničke interakcije je prilično slaba, a pare se lako mogu razbiti toplinskom energijom - tako da se supravodljivost obično javlja na vrlo niskim temperaturama. Međutim, BCS teorija ne daje objašnjenje za postojanje visokotemperaturnih supravodiča na oko 80 K (-193 °C) i više, za koje moraju biti uključeni drugi mehanizmi vezanja elektrona. Primjena fenomena supravodljivosti temelji se na gore navedenom procesu.
temperatura
Godine 1986. otkriveno je da neki keramički materijali kuprat-perovskita imaju kritične temperature iznad 90 K (-183 °C). Ova visoka temperatura spoja je teoretskinemoguće za konvencionalni supravodič, što dovodi do toga da se materijali nazivaju visokotemperaturnim supravodičima. Dostupni tekući dušik za hlađenje vrije na 77 K, pa supravodljivost na temperaturama višim od ovih olakšava mnoge eksperimente i primjene koje su manje praktične na nižim temperaturama. Ovo je odgovor na pitanje pri kojoj temperaturi se javlja fenomen supravodljivosti.
Klasifikacija
Supervodiči se mogu klasificirati prema nekoliko kriterija koji ovise o našem interesu za njihova fizička svojstva, o razumijevanju koje imamo o njima, o tome koliko je skupo njihovo hlađenje ili o materijalu od kojeg su izrađeni.
Po svojim magnetskim svojstvima
Supervodiči tipa I: oni koji imaju samo jedno kritično polje, Hc, i naglo prelaze iz jednog stanja u drugo kada se ono postigne.
Supravodnici tipa II: imaju dva kritična polja, Hc1 i Hc2, koji su savršeni supravodiči ispod donjeg kritičnog polja (Hc1) i potpuno napuštaju supravodljivo stanje iznad gornjeg kritičnog polja (Hc2), nalazeći se u mješovitom stanju između kritična polja.
Kako ih razumijemo o njima
Obični supravodiči: oni koji se mogu u potpunosti objasniti BCS teorijom ili srodnim teorijama.
Nekonvencionalni supravodiči: oni koji se ne bi mogli objasniti pomoću takvih teorija, na primjer: teški fermionskisupravodiči.
Ovaj kriterij je važan jer BCS teorija objašnjava svojstva konvencionalnih supravodiča od 1957. godine, ali s druge strane, nije postojala zadovoljavajuća teorija koja bi objasnila potpuno nekonvencionalne supravodiče. U većini slučajeva supravodiči tipa I su uobičajeni, ali postoji nekoliko iznimaka, kao što je niobij, koji je uobičajen i tip II.
Prema njihovoj kritičnoj temperaturi
Niskotemperaturni supravodiči ili LTS: oni čija je kritična temperatura ispod 30 K.
Visokotemperaturni supravodiči ili HTS: oni čija je kritična temperatura iznad 30 K. Neki sada koriste 77 K kao razdvajanje kako bi naglasili možemo li uzorak ohladiti tekućim dušikom (čija je točka vrelišta 77 K), što mnogo je izvediviji od tekućeg helija (alternativa za postizanje temperatura potrebnih za proizvodnju supravodiča niskih temperatura).
Ostali detalji
Supervodič može biti tipa I, što znači da ima jedno kritično polje, iznad kojeg se gubi sva supravodljivost, a ispod kojeg se magnetsko polje potpuno eliminira iz supravodiča. Tip II, što znači da ima dva kritična polja između kojih omogućuje djelomični prodor magnetskog polja kroz izolirane točke. Te se točke nazivaju vrtlozi. Osim toga, u višekomponentnim supravodičima moguća je kombinacija dvaju ponašanja. U ovom slučaju supravodič je tipa 1, 5.
Svojstva
Većina fizičkih svojstava supravodiča varira od materijala do materijala, kao što su toplinski kapacitet i kritična temperatura, kritično polje i kritična gustoća struje pri kojoj se supravodljivost razbija.
S druge strane, postoji klasa svojstava koja su neovisna o osnovnom materijalu. Na primjer, svi supravodiči imaju apsolutno nultu otpornost pri niskim primijenjenim strujama, kada nema magnetskog polja ili kada primijenjeno polje ne prelazi kritičnu vrijednost.
Prisutnost ovih univerzalnih svojstava implicira da je supravodljivost termodinamička faza i stoga ima određena karakteristična svojstva koja su uglavnom neovisna o mikroskopskim detaljima.
Situacija je drugačija u supravodiču. U konvencionalnom supravodiču, elektronska tekućina se ne može razdvojiti na pojedinačne elektrone. Umjesto toga, sastoji se od vezanih parova elektrona poznatih kao Cooperovi parovi. Ovo uparivanje je uzrokovano privlačnom silom između elektrona koja je rezultat izmjene fonona. Zbog kvantne mehanike, energetski spektar ove tekućine Cooperovog para ima energetski jaz, odnosno postoji minimalna količina energije ΔE koja se mora isporučiti da pobuđuje tekućinu.
Prema tome, ako je ΔE veća od toplinske energije rešetke zadane s kT, gdje je k Boltzmannova konstanta, a T temperatura, tekućina neće biti raspršena rešetkom. TakoDakle, tekućina Cooperove pare je superfluidna, što znači da može teći bez rasipanja energije.
Karakteristike supervodljivosti
U supravodljivim materijalima, karakteristike supravodljivosti se pojavljuju kada temperatura T padne ispod kritične temperature Tc. Vrijednost ove kritične temperature varira od materijala do materijala. Konvencionalni supravodiči obično imaju kritične temperature u rasponu od oko 20 K do manje od 1 K.
Na primjer, čvrsta živa ima kritičnu temperaturu od 4,2 K. Od 2015. godine, najviša kritična temperatura pronađena za konvencionalni supravodič je 203 K za H2S, iako je bio potreban visoki tlak od oko 90 gigapaskala. Kupratni supravodiči mogu imati mnogo veće kritične temperature: YBa2Cu3O7, jedan od prvih otkrivenih kupratnih supravodiča, ima kritičnu temperaturu od 92 K, a pronađeni su kuprati na bazi žive s kritičnim temperaturama većim od 130 K. Objašnjenje za ove visoke kritične temperature ostaje nepoznato.
Uparivanje elektrona zbog razmjene fonona objašnjava supravodljivost u konvencionalnim supravodičima, ali ne objašnjava supravodljivost u novijim supravodičima koji imaju vrlo visoku kritičnu temperaturu.
Magnetska polja
Slično, na fiksnoj temperaturi ispod kritične temperature, supravodljivi materijali prestaju biti supravodljivi kada se primijeni vanjsko magnetsko polje koje je veće odkritično magnetsko polje. To je zato što Gibbsova slobodna energija supravodljive faze raste kvadratno s magnetskim poljem, dok je slobodna energija normalne faze približno neovisna o magnetskom polju.
Ako je materijal supravodljiv u odsustvu polja, tada je slobodna energija supravodljive faze manja od one normalne faze, pa je stoga za neku konačnu vrijednost magnetskog polja (proporcionalna kvadratu korijen razlike slobodnih energija na nuli), dvije slobodne energije će biti jednake i doći će do faznog prijelaza u normalnu fazu. Općenito, viša temperatura i jače magnetsko polje rezultiraju manjim udjelom supravodljivih elektrona i stoga većom dubinom prodiranja vanjskih magnetskih polja i struja u London. Dubina prodiranja postaje beskonačna na faznom prijelazu.
fizički
Početak supravodljivosti popraćen je naglim promjenama različitih fizikalnih svojstava, što je obilježje faznog prijelaza. Na primjer, toplinski kapacitet elektrona proporcionalan je temperaturi u normalnom (ne supravodljivom) režimu. Na supravodljivom prijelazu doživljava skok i nakon toga prestaje biti linearan. Pri niskim temperaturama mijenja se umjesto e−α/T za neku konstantu α. Ovo eksponencijalno ponašanje jedan je od dokaza za postojanje energetskog jaza.
Fazni prijelaz
Objašnjenje fenomena supravodljivosti je priličnoočito. O redoslijedu supravodljivog faznog prijelaza raspravljalo se dugo vremena. Eksperimenti pokazuju da nema prijelaza drugog reda, odnosno latentne topline. Međutim, u prisutnosti vanjskog magnetskog polja, postoji latentna toplina jer supravodljiva faza ima nižu entropiju, nižu od kritične temperature, od normalne faze.
Eksperimentalno je demonstrirano sljedeće: kada se magnetsko polje povećava i prelazi kritično polje, rezultirajući fazni prijelaz dovodi do smanjenja temperature supravodljivog materijala. Fenomen supravodljivosti je ukratko opisan gore, sada je vrijeme da vam kažem nešto o nijansama ovog važnog učinka.
Proračuni napravljeni 1970-ih pokazali su da bi zapravo mogao biti slabiji od prvog reda zbog utjecaja dugodometnih fluktuacija u elektromagnetskom polju. U 1980-ima je teoretski pokazano korištenjem teorije polja nereda, u kojoj supravodničke vrtložne linije igraju glavnu ulogu, da je prijelaz drugog reda u načinu tipa II i prvog reda (tj. latentna toplina) u načinu tipa I, i da su dvije regije odvojene trikritičnom točkom.
Rezultati su snažno potvrđeni računalnim simulacijama u Monte Carlu. To je odigralo važnu ulogu u proučavanju fenomena supravodljivosti. Radovi se nastavljaju i sada. Bit fenomena supravodljivosti nije u potpunosti shvaćena i objašnjena sa stajališta moderne znanosti.
