Care este fenomenul supraconductivității? Supraconductivitatea este un fenomen cu rezistență electrică zero și eliberarea de câmpuri de flux magnetic care apar în anumite materiale, numite supraconductori, atunci când sunt răcite sub o temperatură critică caracteristică.
Fenomenul a fost descoperit de fizicianul olandez Heike Kamerling-Onnes pe 8 aprilie 1911 la Leiden. La fel ca și feromagnetismul și liniile spectrale atomice, supraconductivitatea este un fenomen mecanic cuantic. Se caracterizează prin efectul Meissner - o ejecție completă a liniilor de câmp magnetic din interiorul supraconductorului în timpul tranziției acestuia la starea supraconductoare.
Aceasta este esența fenomenului de supraconductivitate. Apariția efectului Meissner indică faptul că supraconductivitatea nu poate fi înțeleasă pur și simplu ca o idealizare a conductibilității ideale în fizica clasică.
Care este fenomenul de supraconductivitate
Rezistența electrică a unui conductor metalic scade treptat pe măsură cescăderea temperaturii. În conductoarele obișnuite, cum ar fi cuprul sau argintul, această reducere este limitată de impurități și alte defecte. Chiar și aproape de zero absolut, o probă reală a unui conductor normal prezintă o oarecare rezistență. Într-un supraconductor, rezistența scade brusc la zero atunci când materialul este răcit sub temperatura sa critică. Curentul electric printr-o buclă de sârmă supraconductoare poate fi menținut la nesfârșit fără o sursă de energie. Acesta este răspunsul la întrebarea care este fenomenul de supraconductivitate.
Istorie
În 1911, în timp ce studia proprietățile materiei la temperaturi foarte scăzute, fizicianul olandez Heike Kamerling Onnes și echipa sa au descoperit că rezistența electrică a mercurului scade la zero sub 4,2 K (-269°C). Aceasta a fost prima observație a fenomenului de supraconductivitate. Majoritatea elementelor chimice devin supraconductoare la temperaturi suficient de scăzute.
Sub o anumită temperatură critică, materialele trec într-o stare supraconductoare, caracterizată prin două proprietăți principale: în primul rând, nu rezistă trecerii curentului electric. Când rezistența scade la zero, curentul poate circula în interiorul materialului fără disiparea energiei.
În al doilea rând, cu condiția ca acestea să fie suficient de slabe, câmpurile magnetice externe nu pătrund în supraconductor, ci rămân pe suprafața acestuia. Acest fenomen de expulzare a câmpului a devenit cunoscut sub numele de efectul Meissner după ce a fost observat pentru prima dată de către un fizician în 1933.
Trei nume, trei litere și o teorie incompletă
Fizica obișnuită nu oferă suficientăexplicații ale stării supraconductoare, precum și teoria cuantică elementară a stării solide, care consideră comportamentul electronilor separat de comportamentul ionilor într-o rețea cristalină.
Numai în 1957, trei cercetători americani - John Bardeen, Leon Cooper și John Schrieffer au creat teoria microscopică a supraconductivității. Conform teoriei lor BCS, electronii se grupează în perechi prin interacțiunea cu vibrațiile rețelei (așa-numitele „fononi”), formând astfel perechi Cooper care se mișcă fără frecare în interiorul unui solid. Un solid poate fi privit ca o rețea de ioni pozitivi scufundați într-un nor de electroni. Când un electron trece prin această rețea, ionii se mișcă ușor, fiind atrași de sarcina negativă a electronului. Această mișcare generează o regiune pozitivă din punct de vedere electric, care, la rândul său, atrage un alt electron.
Energia interacțiunii electronice este destul de slabă, iar vaporii pot fi distruși cu ușurință de energia termică - astfel încât supraconductibilitatea apare de obicei la temperaturi foarte scăzute. Cu toate acestea, teoria BCS nu oferă o explicație pentru existența supraconductoarelor de în altă temperatură la aproximativ 80 K (-193 ° C) și peste, pentru care trebuie implicate alte mecanisme de legare a electronilor. Aplicarea fenomenului de supraconductivitate se bazează pe procesul de mai sus.
Temperatura
În 1986, unele materiale ceramice cuprat-perovskite s-au dovedit a avea temperaturi critice peste 90 K (-183 °C). Această temperatură ridicată de joncțiune este teoreticimposibil pentru un supraconductor convențional, ceea ce duce la ca materialele să fie denumite supraconductori de temperatură în altă. Azotul lichid de răcire disponibil fierbe la 77 K și, prin urmare, supraconductivitatea la temperaturi mai mari decât acestea facilitează multe experimente și aplicații care sunt mai puțin practice la temperaturi mai scăzute. Acesta este răspunsul la întrebarea la ce temperatură are loc fenomenul de supraconductivitate.
Clasificare
Superconductorii pot fi clasificați în funcție de mai multe criterii care depind de interesul nostru față de proprietățile lor fizice, de înțelegerea pe care o avem despre ei, de cât de costisitor este să le răcești sau de materialul din care sunt fabricați.
Din proprietățile sale magnetice
Supraconductori de tip I: cei care au un singur câmp critic, Hc, și trec brusc de la o stare la alta atunci când este atins.
Superconductori de tip II: având două câmpuri critice, Hc1 și Hc2, fiind supraconductori perfecți sub câmpul critic inferior (Hc1) și părăsind complet starea supraconductoare deasupra câmpului critic superior (Hc2), fiind într-o stare mixtă între câmpurile critice.
După cum îi înțelegem despre ei
Supraconductori obișnuiți: cei care pot fi explicați pe deplin prin teoria BCS sau teorii înrudite.
Superconductori neconvenționali: cei care nu au putut fi explicați folosind astfel de teorii, de exemplu: fermionici greisupraconductori.
Acest criteriu este important deoarece teoria BCS explică proprietățile supraconductorilor convenționali din 1957, dar, pe de altă parte, nu a existat nicio teorie satisfăcătoare care să explice supraconductorii complet neconvenționali. În majoritatea cazurilor, supraconductorii de tip I sunt obișnuiți, dar există câteva excepții, cum ar fi niobiul, care este atât comun, cât și de tip II.
După temperatura lor critică
Supraconductori cu temperatură joasă sau LTS: cei a căror temperatură critică este sub 30 K.
Supraconductori de temperatură în altă sau HTS: cei a căror temperatură critică este peste 30 K. Unii folosesc acum 77 K ca separare pentru a sublinia dacă putem răci proba cu azot lichid (al cărui punct de fierbere este de 77 K), care este mult mai fezabil decât heliul lichid (o alternativă pentru a atinge temperaturile necesare pentru a produce supraconductori la temperatură joasă).
Alte detalii
Un supraconductor poate fi de tip I, ceea ce înseamnă că are un singur câmp critic, deasupra căruia se pierde toată supraconductivitatea și sub care câmpul magnetic este complet eliminat din supraconductor. Tipul II, adică are două câmpuri critice între care permite pătrunderea parțială a câmpului magnetic prin puncte izolate. Aceste puncte sunt numite vârtejuri. În plus, în supraconductorii multicomponent, este posibilă o combinație de două comportamente. În acest caz, supraconductorul este de tipul 1, 5.
Proprietăți
Majoritatea proprietăților fizice ale supraconductorilor variază de la material la material, cum ar fi capacitatea termică și temperatura critică, câmpul critic și densitatea de curent critic la care supraconductivitatea se defectează.
Pe de altă parte, există o clasă de proprietăți care sunt independente de materialul de bază. De exemplu, toți supraconductorii au rezistivitate absolut zero la curenți aplicați scăzut, când nu există câmp magnetic sau când câmpul aplicat nu depășește o valoare critică.
Prezența acestor proprietăți universale implică faptul că supraconductivitatea este o fază termodinamică și, prin urmare, are anumite proprietăți distinctive care sunt în mare măsură independente de detaliile microscopice.
Situația este diferită în supraconductor. Într-un supraconductor convențional, lichidul electronic nu poate fi separat în electroni individuali. În schimb, constă din perechi legați de electroni cunoscuți sub numele de perechi Cooper. Această împerechere este cauzată de forța de atracție dintre electroni rezultată din schimbul de fononi. Datorită mecanicii cuantice, spectrul de energie al acestui lichid al perechii Cooper are un decalaj de energie, adică există o cantitate minimă de energie ΔE care trebuie furnizată pentru a excita lichidul.
De aceea, dacă ΔE este mai mare decât energia termică a rețelei dată de kT, unde k este constanta Boltzmann și T este temperatura, lichidul nu va fi împrăștiat de rețea. Asa deAstfel, lichidul de vapori Cooper este superfluid, ceea ce înseamnă că poate curge fără a disipa energie.
Caracteristici de supraconductivitate
În materialele supraconductoare, caracteristicile de supraconductivitate apar atunci când temperatura T scade sub temperatura critică Tc. Valoarea acestei temperaturi critice variază de la material la material. Supraconductorii convenționali au de obicei temperaturi critice cuprinse între aproximativ 20 K și mai puțin de 1 K.
De exemplu, mercurul solid are o temperatură critică de 4,2 K. Din 2015, cea mai mare temperatură critică găsită pentru un supraconductor convențional este de 203 K pentru H2S, deși era necesară o presiune ridicată de aproximativ 90 gigapascali. Supraconductorii cuprați pot avea temperaturi critice mult mai mari: YBa2Cu3O7, unul dintre primii supraconductori cuprați descoperiti, are o temperatură critică de 92 K, iar cuprații pe bază de mercur cu temperaturi critice care depășesc 130 K. Explicația pentru aceste temperaturi critice ridicate rămâne. necunoscut.
Împerecherea electronilor din cauza schimburilor de fononi explică supraconductibilitatea în supraconductorii convenționali, dar nu explică supraconductibilitatea în supraconductorii mai noi, care au o temperatură critică foarte ridicată.
Câmpuri magnetice
În mod similar, la o temperatură fixă sub temperatura critică, materialele supraconductoare încetează supraconducțiile atunci când se aplică un câmp magnetic extern mai mare decâtcâmp magnetic critic. Acest lucru se datorează faptului că energia liberă Gibbs a fazei supraconductoare crește pătratic cu câmpul magnetic, în timp ce energia liberă a fazei normale este aproximativ independentă de câmpul magnetic.
Dacă materialul este supraconductor în absența unui câmp, atunci energia liberă a fazei supraconductoare este mai mică decât cea a fazei normale și, prin urmare, pentru o anumită valoare finită a câmpului magnetic (proporțional cu pătratul rădăcina diferenței de energii libere la zero), cele două energii libere vor fi egale și va exista o tranziție de fază la faza normală. Mai general, o temperatură mai ridicată și un câmp magnetic mai puternic au ca rezultat o proporție mai mică de electroni supraconductori și, prin urmare, o adâncime mai mare de pătrundere în Londra a câmpurilor și curenților magnetici externi. Adâncimea de penetrare devine infinită la tranziția de fază.
Fizic
Debutul supraconductivității este însoțit de modificări bruște ale diferitelor proprietăți fizice, care este semnul distinctiv al unei tranziții de fază. De exemplu, capacitatea de căldură a electronilor este proporțională cu temperatura în regim normal (nu supraconductor). La tranziția supraconductoare, experimentează un s alt și după aceea încetează să mai fie liniar. La temperaturi scăzute, se schimbă în loc de e−α/T pentru o constantă α. Acest comportament exponențial este una dintre dovezile existenței unui decalaj energetic.
Tranziție de fază
Explicația fenomenului de supraconductivitate este destul de bunăevident. Ordinea tranziției fazei supraconductoare a fost discutată de mult timp. Experimentele arată că nu există o tranziție de ordinul doi, adică căldură latentă. Totuși, în prezența unui câmp magnetic extern, există căldură latentă deoarece faza supraconductoare are o entropie mai mică, mai mică decât temperatura critică, decât faza normală.
Demonstrat experimental următoarele: atunci când câmpul magnetic crește și depășește câmpul critic, tranziția de fază rezultată duce la o scădere a temperaturii materialului supraconductor. Fenomenul de supraconductivitate a fost descris pe scurt mai sus, acum este timpul să vă spun ceva despre nuanțele acestui efect important.
Calculele făcute în anii 1970 au arătat că ar putea fi, de fapt, mai slab decât primul ordin datorită influenței fluctuațiilor pe distanță lungă în câmpul electromagnetic. În anii 1980, s-a demonstrat teoretic folosind teoria câmpului dezordine, în care liniile de vortex supraconductoare joacă un rol major, că tranziția este de ordinul doi în modul de tip II și de ordinul întâi (adică căldura latentă) în modul de tip I și că cele două regiuni sunt separate printr-un punct tricritic.
Rezultatele au fost puternic confirmate de simulările computerizate din Monte Carlo. Aceasta a jucat un rol important în studiul fenomenului de supraconductivitate. Lucrarea continuă în prezent. Esența fenomenului de supraconductivitate nu este pe deplin înțeleasă și explicată din punctul de vedere al științei moderne.
