Kas yra superlaidumo reiškinys? Superlaidumas yra reiškinys, kurio elektrinė varža nulinė ir magnetinio srauto laukai, atsirandantys tam tikrose medžiagose, vadinamose superlaidininkais, kai jos atšaldomos žemiau būdingos kritinės temperatūros.
Reiškinį 1911 m. balandžio 8 d. Leidene atrado olandų fizikas Heike Kamerling-Onnes. Kaip ir feromagnetizmas ir atominės spektrinės linijos, superlaidumas yra kvantinis mechaninis reiškinys. Jam būdingas Meisnerio efektas – visiškas magnetinio lauko linijų išstūmimas iš superlaidininko vidaus jam pereinant į superlaidumo būseną.
Tai yra superlaidumo reiškinio esmė. Meissnerio efekto atsiradimas rodo, kad superlaidumas negali būti suprantamas tiesiog kaip idealaus laidumo idealizavimas klasikinėje fizikoje.
Kas yra superlaidumo reiškinys
Metalinio laidininko elektrinė varža palaipsniui mažėja kaiptemperatūros mažinimas. Įprastuose laiduose, tokiuose kaip varis ar sidabras, šį sumažėjimą riboja priemaišos ir kiti defektai. Netgi arti absoliutaus nulio tikrasis normalaus laidininko pavyzdys rodo tam tikrą pasipriešinimą. Superlaidininkyje varža smarkiai sumažėja iki nulio, kai medžiaga atšaldoma žemiau kritinės temperatūros. Elektros srovė per superlaidžio laido kilpą gali būti palaikoma neribotą laiką be maitinimo š altinio. Tai atsakymas į klausimą, kas yra superlaidumo reiškinys.
Istorija
1911 m., tyrinėdamas medžiagos savybes esant labai žemai temperatūrai, olandų fizikas Heike Kamerling Onnes ir jo komanda atrado, kad gyvsidabrio elektrinė varža nukrenta iki nulio žemiau 4,2 K (-269 °C). Tai buvo pirmasis superlaidumo reiškinio stebėjimas. Dauguma cheminių elementų tampa superlaidžiais esant pakankamai žemai temperatūrai.
Žemesnėje už tam tikrą kritinę temperatūrą medžiagos pereina į superlaidžią būseną, kuriai būdingos dvi pagrindinės savybės: pirma, jos nesipriešina elektros srovei. Kai varža nukrenta iki nulio, srovė gali cirkuliuoti medžiagoje be energijos išsklaidymo.
Antra, jei jie yra pakankamai silpni, išoriniai magnetiniai laukai neprasiskverbia į superlaidininką, o išlieka jo paviršiuje. Šis lauko išstūmimo reiškinys buvo žinomas kaip Meisnerio efektas po to, kai jį pirmą kartą pastebėjo fizikas 1933 m.
Trys vardai, trys raidės ir nepilna teorija
Įprasta fizika neduoda pakankamaisuperlaidumo būsenos paaiškinimai, taip pat elementarioji kietosios būsenos kvantinė teorija, kurioje elektronų elgesys vertinamas atskirai nuo jonų elgesio kristalinėje gardelėje.
Tik 1957 m. trys amerikiečių tyrinėtojai – Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Schriefferis sukūrė mikroskopinę superlaidumo teoriją. Remiantis jų BCS teorija, elektronai susijungia į poras sąveikaudami su gardelės virpesiais (vadinamaisiais „fononais“), taip sudarydami Cooperio poras, kurios juda be trinties kieto kūno viduje. Kietoji medžiaga gali būti vertinama kaip teigiamų jonų gardelė, panardinta į elektronų debesį. Kai elektronas praeina per šią gardelę, jonai šiek tiek juda, juos traukia neigiamas elektrono krūvis. Šis judėjimas sukuria elektrai teigiamą sritį, kuri savo ruožtu pritraukia kitą elektroną.
Elektroninės sąveikos energija yra gana silpna, o garus gali lengvai suskaidyti šiluminė energija, todėl superlaidumas dažniausiai atsiranda esant labai žemai temperatūrai. Tačiau BCS teorija nepaaiškina, kodėl maždaug 80 K (-193 °C) ir aukštesnėje temperatūroje egzistuoja aukštos temperatūros superlaidininkai, kuriems turi būti įtraukti kiti elektronų surišimo mechanizmai. Superlaidumo reiškinio taikymas pagrįstas aukščiau nurodytu procesu.
Temperatūra
1986 m. kai kurių keramikos kuprato-perovskito medžiagų kritinė temperatūra buvo aukštesnė nei 90 K (-183 °C). Ši aukšta sandūros temperatūra teoriškai yraĮprastam superlaidininkui tai neįmanoma, todėl medžiagos vadinamos aukštos temperatūros superlaidininkais. Galimas aušinamas skystas azotas verda 77 K temperatūroje, todėl superlaidumas aukštesnėje nei ši temperatūroje palengvina daugybę eksperimentų ir pritaikymų, kurie žemesnėje temperatūroje yra mažiau praktiški. Tai atsakymas į klausimą, kokioje temperatūroje atsiranda superlaidumo reiškinys.
Klasifikacija
Superlaidininkus galima klasifikuoti pagal kelis kriterijus, kurie priklauso nuo mūsų susidomėjimo jų fizinėmis savybėmis, nuo mūsų supratimo apie juos, nuo to, kaip brangu juos atvėsinti, arba nuo medžiagos, iš kurios jie pagaminti.
Pagal magnetines savybes
I tipo superlaidininkai: tie, kurie turi tik vieną kritinį lauką, Hc, ir staigiai pereina iš vienos būsenos į kitą, kai jį pasiekia.
II tipo superlaidininkai: turintys du kritinius laukus Hc1 ir Hc2, yra puikūs superlaidininkai apatiniame kritiniame lauke (Hc1) ir visiškai palieka superlaidumą virš viršutinio kritinio lauko (Hc2), yra mišrioje būsenoje tarp kritinius laukus.
Kaip mes apie juos suprantame
Įprasti superlaidininkai: tie, kuriuos galima visiškai paaiškinti BCS teorija arba susijusiomis teorijomis.
Netradiciniai superlaidininkai: tie, kurių negalima paaiškinti naudojant tokias teorijas, pavyzdžiui: sunkieji fermioniniaisuperlaidininkai.
Šis kriterijus yra svarbus, nes BCS teorija įprastų superlaidininkų savybes aiškina nuo 1957 m., tačiau, kita vertus, nėra tinkamos teorijos, paaiškinančios visiškai netradicinius superlaidininkus. Daugeliu atvejų I tipo superlaidininkai yra įprasti, tačiau yra keletas išimčių, pvz., niobis, kuris yra įprastas ir II tipo.
Pagal kritinę temperatūrą
Žemos temperatūros superlaidininkai arba LTS: tie, kurių kritinė temperatūra yra žemesnė nei 30 K.
Aukštos temperatūros superlaidininkai arba HTS: tie, kurių kritinė temperatūra viršija 30 K. Kai kurie dabar naudoja 77 K kaip atskyrimą, kad pabrėžtų, ar galime atvėsinti mėginį skystu azotu (kurio virimo temperatūra yra 77 K), yra daug lengviau nei skystas helis (alternatyva pasiekti temperatūrą, reikalingą žemos temperatūros superlaidininkams gaminti).
Kita informacija
Superlaidininkas gali būti I tipo, o tai reiškia, kad jis turi vieną kritinį lauką, virš kurio prarandamas visas superlaidumas, o žemiau kurio magnetinis laukas visiškai pašalinamas iš superlaidininko. II tipas, ty turi du kritinius laukus, tarp kurių jis leidžia dalinai prasiskverbti magnetiniam laukui per izoliuotus taškus. Šie taškai vadinami sūkuriais. Be to, daugiakomponentiuose superlaidininkuose galimas dviejų elgsenų derinys. Šiuo atveju superlaidininkas yra 1, 5 tipo.
Ypatybės
Dauguma fizinių superlaidininkų savybių skiriasi priklausomai nuo medžiagos, pvz., šiluminė talpa ir kritinė temperatūra, kritinis laukas ir kritinis srovės tankis, kuriam esant nutrūksta superlaidumas.
Kita vertus, yra savybių klasė, kuri nepriklauso nuo pagrindinės medžiagos. Pavyzdžiui, visų superlaidininkų savitoji varža yra visiškai nulinė esant mažoms srovėms, kai nėra magnetinio lauko arba kai naudojamas laukas neviršija kritinės vertės.
Šių universalių savybių buvimas reiškia, kad superlaidumas yra termodinaminė fazė, todėl turi tam tikrų išskirtinių savybių, kurios iš esmės nepriklauso nuo mikroskopinių detalių.
Superlaidininku situacija kitokia. Įprastame superlaidininke elektronų skysčio negalima atskirti į atskirus elektronus. Vietoj to, jį sudaro susietos elektronų poros, žinomos kaip Cooperio poros. Šią porą sukelia traukos jėga tarp elektronų, atsirandanti dėl fononų mainų. Dėl kvantinės mechanikos šio Cooperio poros skysčio energijos spektras turi energijos tarpą, tai yra, yra minimalus energijos kiekis ΔE, kuris turi būti tiekiamas skysčiui sužadinti.
Todėl, jei ΔE yra didesnė už gardelės šiluminę energiją, nurodytą kT, kur k yra Boltzmanno konstanta, o T yra temperatūra, skystis nebus išsklaidytas grotelėmis. TaigiTaigi Cooper garų skystis yra superskystis, o tai reiškia, kad jis gali tekėti neišsklaidydamas energijos.
Superlaidumo charakteristikos
Superlaidžiose medžiagose superlaidumo charakteristikos atsiranda, kai temperatūra T nukrenta žemiau kritinės temperatūros Tc. Šios kritinės temperatūros vertė įvairiose medžiagose skiriasi. Įprastų superlaidininkų kritinė temperatūra paprastai svyruoja nuo maždaug 20 K iki mažiau nei 1 K.
Pavyzdžiui, kietojo gyvsidabrio kritinė temperatūra yra 4,2 K. Nuo 2015 m. nustatyta aukščiausia įprasto superlaidininko kritinė temperatūra yra 203 K H2S, nors reikėjo didelio, maždaug 90 gigapaskalių, slėgio. Kuprato superlaidininkų kritinė temperatūra gali būti daug aukštesnė: YBa2Cu3O7, vieno iš pirmųjų atrastų kuprato superlaidininkų, kritinė temperatūra yra 92 K, o gyvsidabrio pagrindu pagaminti kupratai, kurių kritinė temperatūra viršija 130 K. Šių aukštų kritinių temperatūrų paaiškinimas išlieka. nežinoma.
Elektronų poravimas dėl fononų mainų paaiškina įprastų superlaidininkų superlaidumą, bet nepaaiškina superlaidumo naujesniuose superlaidininkuose, kurių kritinė temperatūra yra labai aukšta.
Magnetiniai laukai
Panašiai, esant fiksuotai temperatūrai, žemesnei už kritinę temperatūrą, superlaidžios medžiagos nustoja būti superlaidžios, kai veikia išorinis magnetinis laukas, didesnis neikritinis magnetinis laukas. Taip yra todėl, kad superlaidžios fazės Gibso laisvoji energija didėja kvadratiškai didėjant magnetiniam laukui, o normaliosios fazės laisvoji energija yra maždaug nepriklausoma nuo magnetinio lauko.
Jei medžiaga yra superlaidži be lauko, tada superlaidžios fazės laisvoji energija yra mažesnė nei normaliosios fazės, taigi, kai kuriai baigtinei magnetinio lauko vertei (proporcinga kvadratui laisvųjų energijų skirtumo esant nuliui šaknis), dvi laisvosios energijos bus lygios ir įvyks fazinis perėjimas į normalią fazę. Apskritai, aukštesnė temperatūra ir stipresnis magnetinis laukas lemia mažesnę superlaidžių elektronų dalį, taigi ir didesnį išorinių magnetinių laukų ir srovių prasiskverbimo į Londoną gylį. Fazinio perėjimo metu įsiskverbimo gylis tampa begalinis.
Fizinis
Superlaidumo atsiradimą lydi staigūs įvairių fizinių savybių pokyčiai, o tai yra fazinio perėjimo požymis. Pavyzdžiui, elektronų šiluminė talpa proporcinga temperatūrai esant normaliam (ne superlaidžiam) režimui. Superlaidžiojo perėjimo metu jis patiria šuolį ir po to nustoja būti tiesinis. Esant žemai temperatūrai, jis keičiasi vietoj e-α/T esant tam tikrai pastoviai α. Šis eksponentinis elgesys yra vienas iš energijos tarpo egzistavimo įrodymų.
Etapo perėjimas
Superlaidumo reiškinio paaiškinimas yra gana paprastasaišku. Superlaidumo fazių perėjimo tvarka buvo diskutuojama ilgą laiką. Eksperimentai rodo, kad antros eilės perėjimo, tai yra latentinės šilumos, nėra. Tačiau esant išoriniam magnetiniam laukui, atsiranda latentinė šiluma, nes superlaidžios fazės entropija yra mažesnė, žemesnė už kritinę temperatūrą, nei normalioji fazė.
Eksperimentiškai įrodyta: kai magnetinis laukas didėja ir viršija kritinį lauką, dėl susidariusio fazės perėjimo sumažėja superlaidžios medžiagos temperatūra. Superlaidumo reiškinys buvo trumpai aprašytas aukščiau, dabar laikas papasakoti apie šio svarbaus efekto niuansus.
Aštuntajame dešimtmetyje atlikti skaičiavimai parodė, kad dėl elektromagnetinio lauko ilgalaikių svyravimų įtakos jis iš tikrųjų gali būti silpnesnis nei pirmasis. Devintajame dešimtmetyje, naudojant netvarkos lauko teoriją, kurioje pagrindinį vaidmenį atlieka superlaidininkų sūkurių linijos, teoriškai buvo parodyta, kad II tipo režime perėjimas yra antros eilės, o I tipo režime – pirmosios eilės (t. y. latentinis karštis), ir kad abu regionai yra atskirti kritiniu tašku.
Rezultatus tvirtai patvirtino kompiuterinis modeliavimas Monte Karle. Tai suvaidino svarbų vaidmenį tiriant superlaidumo fenomeną. Darbas tęsiasi ir šiuo metu. Superlaidumo reiškinio esmė nėra iki galo suprasta ir paaiškinta šiuolaikinio mokslo požiūriu.
