Jakie jest zjawisko nadprzewodnictwa? Nadprzewodnictwo to zjawisko o zerowym oporze elektrycznym i uwalnianiu pól magnetycznych, które występują w niektórych materiałach, zwanych nadprzewodnikami, po schłodzeniu poniżej charakterystycznej temperatury krytycznej.
Zjawisko zostało odkryte przez holenderską fizyk Heike Kamerling-Onnes 8 kwietnia 1911 roku w Lejdzie. Podobnie jak ferromagnetyzm i atomowe linie widmowe, nadprzewodnictwo jest zjawiskiem mechaniki kwantowej. Charakteryzuje się efektem Meissnera - całkowitym wyrzuceniem linii pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika podczas jego przejścia do stanu nadprzewodzącego.
To jest istota zjawiska nadprzewodnictwa. Pojawienie się efektu Meissnera wskazuje, że nadprzewodnictwo nie może być rozumiane po prostu jako idealizacja idealnego przewodnictwa w fizyce klasycznej.
Jakie jest zjawisko nadprzewodnictwa
Rezystancja elektryczna przewodnika metalowego stopniowo spada, gdyobniżenie temperatury. W zwykłych przewodnikach, takich jak miedź czy srebro, redukcja ta jest ograniczona przez zanieczyszczenia i inne defekty. Nawet w pobliżu zera absolutnego, prawdziwa próbka normalnego przewodnika wykazuje pewien opór. W nadprzewodniku rezystancja spada gwałtownie do zera, gdy materiał jest chłodzony poniżej jego temperatury krytycznej. Prąd elektryczny płynący przez pętlę z drutu nadprzewodzącego może być utrzymywany w nieskończoność bez źródła zasilania. To jest odpowiedź na pytanie, czym jest zjawisko nadprzewodnictwa.
Historia
W 1911 roku, podczas badania właściwości materii w bardzo niskich temperaturach, holenderski fizyk Heike Kamerling Onnes i jego zespół odkryli, że opór elektryczny rtęci spada do zera poniżej 4,2 K (-269°C). Była to pierwsza obserwacja zjawiska nadprzewodnictwa. Większość pierwiastków chemicznych staje się nadprzewodnikami w wystarczająco niskich temperaturach.
Poniżej pewnej temperatury krytycznej materiały przechodzą w stan nadprzewodnictwa, charakteryzujący się dwiema głównymi właściwościami: po pierwsze, nie są odporne na przepływ prądu elektrycznego. Gdy opór spadnie do zera, prąd może krążyć w materiale bez rozpraszania energii.
Po drugie, pod warunkiem, że są one wystarczająco słabe, zewnętrzne pola magnetyczne nie przenikają do nadprzewodnika, lecz pozostają na jego powierzchni. To zjawisko wypychania pola stało się znane jako efekt Meissnera po tym, jak po raz pierwszy zaobserwował je fizyk w 1933 roku.
Trzy imiona, trzy litery i niepełna teoria
Zwykła fizyka nie daje adekwatnejwyjaśnienia stanu nadprzewodzącego, a także elementarnej teorii kwantowej ciała stałego, która rozważa zachowanie elektronów niezależnie od zachowania jonów w sieci krystalicznej.
Dopiero w 1957 roku trzej amerykańscy badacze - John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer stworzyli mikroskopijną teorię nadprzewodnictwa. Zgodnie z ich teorią BCS elektrony łączą się w pary poprzez interakcję z drganiami sieci (tzw. „fonony”), tworząc w ten sposób pary Coopera, które poruszają się bez tarcia wewnątrz ciała stałego. Ciało stałe można postrzegać jako sieć dodatnich jonów zanurzoną w chmurze elektronów. Kiedy elektron przechodzi przez tę sieć, jony poruszają się nieznacznie, przyciągane przez ujemny ładunek elektronu. Ten ruch generuje elektrycznie dodatni obszar, który z kolei przyciąga kolejny elektron.
Energia interakcji elektronowej jest dość słaba, a opary mogą być łatwo rozbijane przez energię cieplną - dlatego nadprzewodnictwo zwykle występuje w bardzo niskich temperaturach. Jednak teoria BCS nie wyjaśnia istnienia nadprzewodników wysokotemperaturowych w temperaturze około 80 K (-193°C) i wyższej, w przypadku których muszą być zaangażowane inne mechanizmy wiązania elektronów. Zastosowanie zjawiska nadprzewodnictwa opiera się na powyższym procesie.
Temperatura
W 1986 r. niektóre materiały ceramiczne miedziano-perowskitowe miały krytyczne temperatury powyżej 90 K (-183 °C). Ta wysoka temperatura złącza jest teoretycznieniemożliwe dla konwencjonalnego nadprzewodnika, co prowadzi do tego, że materiały nazywane są nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Dostępny chłodzący ciekły azot wrze w temperaturze 77 K, a zatem nadprzewodnictwo w temperaturach wyższych od tych ułatwia wiele eksperymentów i zastosowań, które są mniej praktyczne w niższych temperaturach. To jest odpowiedź na pytanie, w jakiej temperaturze zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa.
Klasyfikacja
Nadprzewodniki można klasyfikować według kilku kryteriów, które zależą od naszego zainteresowania ich właściwościami fizycznymi, zrozumienia, jakie na ich temat posiadamy, kosztów ich chłodzenia lub materiału, z którego są wykonane.
Według jego właściwości magnetycznych
Nadprzewodniki typu I: te, które mają tylko jedno pole krytyczne, Hc, i nagle przechodzą z jednego stanu do drugiego po jego osiągnięciu.
Nadprzewodniki typu II: posiadające dwa pola krytyczne, Hc1 i Hc2, będące doskonałymi nadprzewodnikami pod dolnym polem krytycznym (Hc1) i całkowicie opuszczające stan nadprzewodnictwa powyżej górnego pola krytycznego (Hc2), będąc w stanie mieszanym pomiędzy krytyczne pola.
Jak je o nich rozumiemy
Zwykłe nadprzewodniki: te, które można w pełni wyjaśnić za pomocą teorii BCS lub teorii pokrewnych.
Nadprzewodniki niekonwencjonalne: takie, których nie można wyjaśnić takimi teoriami, na przykład: ciężkie fermionowenadprzewodniki.
To kryterium jest ważne, ponieważ teoria BCS wyjaśnia właściwości konwencjonalnych nadprzewodników od 1957 roku, ale z drugiej strony nie ma zadowalającej teorii wyjaśniającej całkowicie niekonwencjonalne nadprzewodniki. W większości przypadków nadprzewodniki typu I są powszechne, ale istnieje kilka wyjątków, takich jak niob, który jest zarówno powszechny, jak i typu II.
Według ich temperatury krytycznej
Nadprzewodniki niskotemperaturowe lub LTS: te, których temperatura krytyczna jest poniżej 30 K.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe lub HTS: te, których temperatura krytyczna wynosi powyżej 30 K. Niektórzy używają teraz 77 K jako separacji, aby podkreślić, czy możemy schłodzić próbkę ciekłym azotem (którego temperatura wrzenia wynosi 77 K), który jest znacznie bardziej wykonalny niż ciekły hel (alternatywa dla osiągania temperatur potrzebnych do produkcji nadprzewodników niskotemperaturowych).
Inne szczegóły
Nadprzewodnik może być typu I, co oznacza, że ma jedno pole krytyczne, powyżej którego całe nadprzewodnictwo jest tracone, a poniżej którego pole magnetyczne jest całkowicie eliminowane z nadprzewodnika. Typ II, co oznacza, że ma dwa krytyczne pola, pomiędzy którymi umożliwia częściową penetrację pola magnetycznego przez izolowane punkty. Punkty te nazywane są wirami. Ponadto w nadprzewodnikach wieloskładnikowych możliwa jest kombinacja dwóch zachowań. W tym przypadku nadprzewodnik jest typu 1, 5.
Właściwości
Większość właściwości fizycznych nadprzewodników różni się w zależności od materiału, na przykład pojemność cieplna i temperatura krytyczna, pole krytyczne i gęstość prądu krytycznego, przy której następuje rozkład nadprzewodnictwa.
Z drugiej strony istnieje klasa właściwości, które są niezależne od materiału bazowego. Na przykład wszystkie nadprzewodniki mają absolutnie zerową rezystywność przy niskich przyłożonych prądach, gdy nie ma pola magnetycznego lub gdy przyłożone pole nie przekracza wartości krytycznej.
Obecność tych uniwersalnych właściwości oznacza, że nadprzewodnictwo jest fazą termodynamiczną i dlatego ma pewne charakterystyczne właściwości, które są w dużej mierze niezależne od szczegółów mikroskopowych.
Sytuacja jest inna w nadprzewodniku. W konwencjonalnym nadprzewodniku cieczy elektronowej nie można rozdzielić na pojedyncze elektrony. Zamiast tego składa się z powiązanych par elektronów, znanych jako pary Coopera. To parowanie jest spowodowane siłą przyciągania między elektronami wynikającą z wymiany fononów. Ze względu na mechanikę kwantową widmo energii tej cieczy pary Coopera ma przerwę energetyczną, to znaczy istnieje minimalna ilość energii ΔE, która musi zostać dostarczona, aby wzbudzić ciecz.
Dlatego, jeśli ΔE jest większe niż energia cieplna siatki podana przez kT, gdzie k jest stałą Boltzmanna, a T jest temperaturą, ciecz nie zostanie rozproszona przez siatkę. WięcZatem ciecz parowa Coopera jest nadciekła, co oznacza, że może płynąć bez rozpraszania energii.
Charakterystyka nadprzewodnictwa
W materiałach nadprzewodzących charakterystyka nadprzewodnictwa pojawia się, gdy temperatura T spada poniżej temperatury krytycznej Tc. Wartość tej krytycznej temperatury zmienia się w zależności od materiału. Konwencjonalne nadprzewodniki zazwyczaj mają krytyczne temperatury w zakresie od około 20 K do mniej niż 1 K.
Na przykład temperatura krytyczna rtęci w stanie stałym wynosi 4,2 K. Od 2015 r. najwyższa temperatura krytyczna znaleziona dla konwencjonalnego nadprzewodnika wynosi 203 K dla H2S, chociaż wymagane było wysokie ciśnienie około 90 gigapaskali. Nadprzewodniki miedzianowe mogą mieć znacznie wyższe temperatury krytyczne: YBa2Cu3O7, jeden z pierwszych odkrytych nadprzewodników miedzianowych, ma temperaturę krytyczną 92 K, a znaleziono miedziany oparte na rtęci o temperaturach krytycznych przekraczających 130 K. Wyjaśnienie tych wysokich temperatur krytycznych pozostaje nieznany.
Parowanie elektronów w wyniku wymiany fononowej wyjaśnia nadprzewodnictwo w konwencjonalnych nadprzewodnikach, ale nie wyjaśnia nadprzewodnictwa w nowszych nadprzewodnikach, które mają bardzo wysoką temperaturę krytyczną.
Pola magnetyczne
Podobnie, w stałej temperaturze poniżej temperatury krytycznej, materiały nadprzewodzące przestają nadprzewodnictwo, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole magnetyczne, które jest większe niżkrytyczne pole magnetyczne. Dzieje się tak, ponieważ energia swobodna Gibbsa fazy nadprzewodzącej wzrasta kwadratowo wraz z polem magnetycznym, podczas gdy energia swobodna fazy normalnej jest w przybliżeniu niezależna od pola magnetycznego.
Jeżeli materiał jest nadprzewodnikiem przy braku pola, wówczas energia swobodna fazy nadprzewodzącej jest mniejsza niż w fazie normalnej, a zatem dla pewnej skończonej wartości pola magnetycznego (proporcjonalnej do kwadratu pierwiastek z różnicy w energiach swobodnych przy zerze), obie energie swobodne będą równe i nastąpi przejście fazowe do fazy normalnej. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa temperatura i silniejsze pole magnetyczne skutkują mniejszym udziałem elektronów nadprzewodzących, a zatem większą głębokością wnikania zewnętrznych pól magnetycznych i prądów do Londynu. Głębokość penetracji staje się nieskończona przy przejściu fazowym.
Fizyczne
Początkowi nadprzewodnictwa towarzyszą gwałtowne zmiany różnych właściwości fizycznych, co jest cechą charakterystyczną przejścia fazowego. Na przykład pojemność cieplna elektronów jest proporcjonalna do temperatury w trybie normalnym (nie nadprzewodzącym). W przejściu nadprzewodzącym doświadcza skoku, po czym przestaje być liniowy. W niskich temperaturach zmienia się zamiast e−α/T na pewną stałą α. To wykładnicze zachowanie jest jednym z dowodów na istnienie luki energetycznej.
Przejście fazowe
Wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa jest dośćoczywiście. Kolejność nadprzewodzących przemian fazowych była dyskutowana od dawna. Eksperymenty pokazują, że nie ma przejścia drugiego rzędu, czyli ciepła utajonego. Jednak w obecności zewnętrznego pola magnetycznego występuje ciepło utajone, ponieważ faza nadprzewodząca ma niższą entropię, niższą niż temperatura krytyczna, niż faza normalna.
Eksperymentalnie zademonstrowano, co następuje: gdy pole magnetyczne wzrasta i wychodzi poza pole krytyczne, wynikające z tego przejście fazowe prowadzi do spadku temperatury materiału nadprzewodzącego. Zjawisko nadprzewodnictwa zostało krótko opisane powyżej, teraz pora opowiedzieć o niuansach tego ważnego efektu.
Obliczenia wykonane w latach 70. wykazały, że w rzeczywistości może on być słabszy niż pierwszy rząd ze względu na wpływ długodystansowych fluktuacji pola elektromagnetycznego. W latach 80. wykazano teoretycznie za pomocą teorii pola nieuporządkowanego, w której główną rolę odgrywają nadprzewodnikowe linie wirowe, że przejście jest drugiego rzędu w trybie typu II i pierwszego rzędu (tj. ciepło utajone) w trybie typu I, oraz że oba regiony są oddzielone punktem trójkrytycznym.
Wyniki zostały mocno potwierdzone przez symulacje komputerowe w Monte Carlo. Odegrało to ważną rolę w badaniu zjawiska nadprzewodnictwa. Prace trwają do chwili obecnej. Istota zjawiska nadprzewodnictwa nie jest w pełni zrozumiała i wyjaśniona z punktu widzenia współczesnej nauki.
