Vad är fenomenet supraledning? Supraledning är ett fenomen med noll elektriskt motstånd och frigörande av magnetiska flödesfält som uppstår i vissa material, kallade supraledare, när de kyls under en karakteristisk kritisk temperatur.
Fenomenet upptäcktes av den holländska fysikern Heike Kamerling-Onnes den 8 april 1911 i Leiden. Liksom ferromagnetism och atomära spektrallinjer är supraledning ett kvantmekaniskt fenomen. Den kännetecknas av Meissner-effekten - en fullständig utstötning av magnetfältslinjer inifrån supraledaren under dess övergång till supraledande tillstånd.
Detta är essensen av fenomenet supraledning. Framväxten av Meissner-effekten indikerar att supraledning inte bara kan förstås som en idealisering av ideal konduktivitet i klassisk fysik.
Vad är fenomenet supraledning
Det elektriska motståndet hos en metallledare minskar gradvis medsänka temperaturen. I vanliga ledare som koppar eller silver begränsas denna minskning av föroreningar och andra defekter. Även nära absolut noll visar ett verkligt prov av en normal ledare visst motstånd. I en supraledare sjunker motståndet kraftigt till noll när materialet kyls under sin kritiska temperatur. Elektrisk ström genom en slinga av supraledande tråd kan bibehållas på obestämd tid utan strömkälla. Detta är svaret på frågan, vad är fenomenet supraledning.
Historia
1911, när de studerade materiens egenskaper vid mycket låga temperaturer, upptäckte den holländska fysikern Heike Kamerling Onnes och hans team att det elektriska motståndet för kvicksilver sjunker till noll under 4,2 K (-269°C). Detta var den allra första observationen av fenomenet supraledning. De flesta kemiska grundämnen blir supraledande vid tillräckligt låga temperaturer.
Under en viss kritisk temperatur övergår material till ett supraledande tillstånd, kännetecknat av två huvudegenskaper: för det första motstår de inte passage av elektrisk ström. När motståndet sjunker till noll kan ström cirkulera i materialet utan energiförlust.
För det andra, förutsatt att de är tillräckligt svaga, penetrerar inte externa magnetiska fält supraledaren utan stannar kvar på dess yta. Detta fältutdrivningsfenomen blev känt som Meissnereffekten efter att det först observerades av en fysiker 1933.
Tre namn, tre bokstäver och en ofullständig teori
Vanlig fysik ger inte tillräckligtförklaringar av det supraledande tillståndet, såväl som den elementära kvantteorin för det fasta tillståndet, som betraktar elektronernas beteende separat från beteendet hos joner i ett kristallgitter.
Först 1957 skapade tre amerikanska forskare - John Bardeen, Leon Cooper och John Schrieffer den mikroskopiska teorin om supraledning. Enligt deras BCS-teori hopar sig elektroner i par genom interaktion med gittervibrationer (så kallade "fononer") och bildar på så sätt Cooper-par som rör sig utan friktion inuti ett fast ämne. En fast substans kan ses som ett gitter av positiva joner nedsänkt i ett moln av elektroner. När en elektron passerar genom detta gitter, rör sig jonerna något och attraheras av elektronens negativa laddning. Denna rörelse genererar en elektriskt positiv region, som i sin tur attraherar en annan elektron.
Energin i den elektroniska interaktionen är ganska svag och ångor kan lätt brytas upp av termisk energi - så supraledning uppstår vanligtvis vid mycket låga temperaturer. BCS-teorin ger dock ingen förklaring till förekomsten av högtemperatursupraledare vid cirka 80 K (-193 °C) och över, för vilka andra elektronbindande mekanismer måste vara involverade. Tillämpningen av fenomenet supraledning baseras på ovanstående process.
Temperature
År 1986 visade sig vissa keramiska material av kuprat-perovskit ha kritiska temperaturer över 90 K (-183 °C). Denna höga korsningstemperatur är teoretiskt settomöjligt för en konventionell supraledare, vilket leder till att material kallas högtemperatursupraledare. Tillgängligt kylande flytande kväve kokar vid 77 K, och därmed underlättar supraledning vid temperaturer högre än dessa många experiment och tillämpningar som är mindre praktiska vid lägre temperaturer. Detta är svaret på frågan vid vilken temperatur inträffar fenomenet supraledning.
Klassificering
Supraledare kan klassificeras enligt flera kriterier som beror på vårt intresse för deras fysiska egenskaper, på den förståelse vi har om dem, på hur dyrt det är att kyla dem eller på materialet de är gjorda av.
Genom sina magnetiska egenskaper
Supraledare av typ I: de som bara har ett kritiskt fält, Hc, och som plötsligt övergår från ett tillstånd till ett annat när det nås.
Supraledare av typ II: har två kritiska fält, Hc1 och Hc2, som är perfekta supraledare under det nedre kritiska fältet (Hc1) och helt lämnar det supraledande tillståndet ovanför det övre kritiska fältet (Hc2), och är i ett blandat tillstånd mellan de kritiska fälten.
Som vi förstår dem om dem
Vanliga supraledare: de som helt kan förklaras av BCS-teori eller relaterade teorier.
Okonventionella supraledare: de som inte kunde förklaras med sådana teorier, till exempel: tunga fermioniskasupraledare.
Detta kriterium är viktigt eftersom BCS-teorin har förklarat egenskaperna hos konventionella supraledare sedan 1957, men å andra sidan har det inte funnits någon tillfredsställande teori för att förklara de helt okonventionella supraledarna. I de flesta fall är supraledare av typ I vanliga, men det finns några få undantag, som niob, som är både vanligt och typ II.
Genom deras kritiska temperatur
Lågtemperatursupraledare, eller LTS: de vars kritiska temperatur är under 30 K.
Högtemperatursupraledare, eller HTS: de vars kritiska temperatur är över 30 K. Vissa använder nu 77 K som en separation för att betona om vi kan kyla provet med flytande kväve (vars kokpunkt är 77 K), vilket är mycket mer genomförbart än flytande helium (ett alternativ för att nå de temperaturer som behövs för att producera lågtemperatursupraledare).
Övriga detaljer
En supraledare kan vara typ I, vilket betyder att den har ett enda kritiskt fält, över vilket all supraledning går förlorad, och under vilket magnetfältet helt elimineras från supraledaren. Typ II, vilket betyder att den har två kritiska fält mellan vilka den tillåter partiell penetration av magnetfältet genom isolerade punkter. Dessa punkter kallas virvlar. Dessutom, i multikomponent-supraledare, är en kombination av två beteenden möjlig. I detta fall är supraledaren av typ 1, 5.
Properties
De flesta av de fysikaliska egenskaperna hos supraledare varierar från material till material, såsom värmekapacitet och kritisk temperatur, kritiskt fält och kritisk strömtäthet vid vilken supraledning bryts ned.
Å andra sidan finns det en klass av egenskaper som är oberoende av basmaterialet. Till exempel har alla supraledare absolut noll resistivitet vid låga applicerade strömmar, när det inte finns något magnetfält eller när det applicerade fältet inte överstiger ett kritiskt värde.
Närvaron av dessa universella egenskaper antyder att supraledning är en termodynamisk fas och därför har vissa distinkta egenskaper som till stor del är oberoende av mikroskopiska detaljer.
Situationen är annorlunda i supraledaren. I en konventionell supraledare kan elektronvätskan inte separeras i individuella elektroner. Istället består den av bundna elektronpar som kallas Cooper-par. Denna sammankoppling orsakas av den attraktionskraft mellan elektroner som är ett resultat av utbyte av fononer. På grund av kvantmekaniken har energispektrumet för denna vätska i Cooper-paret ett energigap, det vill säga det finns en minsta mängd energi ΔE som måste tillföras för att excitera vätskan.
Därför, om ΔE är större än den termiska energin för gittret som ges av kT, där k är Boltzmann-konstanten och T är temperaturen, kommer vätskan inte att spridas av gittret. SåCooper-ångvätskan är alltså superflytande, vilket gör att den kan flöda utan att försvinna energi.
Superledningsegenskaper
I supraledande material uppträder supraledningsegenskaper när temperaturen T faller under den kritiska temperaturen Tc. Värdet på denna kritiska temperatur varierar från material till material. Konventionella supraledare har typiskt kritiska temperaturer som sträcker sig från cirka 20 K till mindre än 1 K.
Till exempel har fast kvicksilver en kritisk temperatur på 4,2 K. Från och med 2015 är den högsta kritiska temperaturen som hittats för en konventionell supraledare 203 K för H2S, även om ett högt tryck på cirka 90 gigapascal krävdes. Kuratsupraledare kan ha mycket högre kritiska temperaturer: YBa2Cu3O7, en av de första kuratsupraledare som upptäcktes, har en kritisk temperatur på 92 K, och kvicksilverbaserade kuprater med kritiska temperaturer över 130 K har hittats. Förklaringen till dessa höga kritiska temperaturer kvarstår okänd.
Elektronparning på grund av fononväxlingar förklarar supraledning i konventionella supraledare, men förklarar inte supraledning i nyare supraledare som har en mycket hög kritisk temperatur.
Magnetiska fält
På liknande sätt, vid en fast temperatur under den kritiska temperaturen, slutar supraledande material att supraledande när ett externt magnetfält appliceras som är större änkritiskt magnetfält. Detta beror på att Gibbs fria energi i den supraledande fasen ökar kvadratiskt med magnetfältet, medan den fria energin i normalfasen är ungefär oberoende av magnetfältet.
Om materialet är supraledande i frånvaro av ett fält, så är den fria energin i den supraledande fasen mindre än den för normalfasen, och därför, för något ändligt värde på magnetfältet (proportionellt mot kvadraten) roten av skillnaden i fria energier vid noll), kommer de två fria energierna att vara lika, och det kommer att ske en fasövergång till den normala fasen. Mer generellt resulterar en högre temperatur och ett starkare magnetfält i en mindre andel supraledande elektroner och därför ett större penetrationsdjup i London av externa magnetfält och strömmar. Inträngningsdjupet blir oändligt vid fasövergången.
Fysisk
Uppkomsten av supraledning åtföljs av abrupta förändringar i olika fysikaliska egenskaper, vilket är kännetecknet för en fasövergång. Till exempel är elektronvärmekapaciteten proportionell mot temperaturen i det normala (inte supraledande) regimen. Vid den supraledande övergången upplever den ett hopp och efter det upphör den att vara linjär. Vid låga temperaturer ändras den istället för e−α/T för någon konstant α. Detta exponentiella beteende är ett av bevisen för att det finns ett energigap.
Fasövergång
Förklaringen till fenomenet supraledning är ganskasjälvklart. Ordningen för den supraledande fasövergången har diskuterats länge. Experiment visar att det inte finns någon andra ordningens övergång, det vill säga latent värme. Men i närvaro av ett externt magnetfält finns latent värme eftersom den supraledande fasen har en lägre entropi, lägre än den kritiska temperaturen, än den normala fasen.
Experimentellt demonstrerade följande: när magnetfältet ökar och går utöver det kritiska fältet leder den resulterande fasövergången till en minskning av temperaturen hos det supraledande materialet. Fenomenet supraledning har kort beskrivits ovan, nu är det dags att berätta något om nyanserna av denna viktiga effekt.
Beräkningar som gjordes på 1970-talet visade att den faktiskt kunde vara svagare än den första ordningen på grund av inverkan av långväga fluktuationer i det elektromagnetiska fältet. På 1980-talet visades det teoretiskt med hjälp av oordningsfältteori, där supraledarevirvellinjer spelar en stor roll, att övergången är andra ordningens i typ II-moden och första ordningens (d.v.s. latent värme) i typ I-moden, och att de två regionerna är åtskilda av en trikritisk punkt.
Resultaten bekräftades starkt av datorsimuleringar i Monte Carlo. Detta spelade en viktig roll i studiet av fenomenet supraledning. Arbetet fortsätter för närvarande. Kärnan i fenomenet supraledning är inte helt förstådd och förklarad ur modern vetenskaps synvinkel.
