Hva er fenomenet superledning? Superledning er et fenomen med null elektrisk motstand og frigjøring av magnetiske fluksfelt som oppstår i visse materialer, k alt superledere, når de avkjøles under en karakteristisk kritisk temperatur.
Fenomenet ble oppdaget av den nederlandske fysikeren Heike Kamerling-Onnes 8. april 1911 i Leiden. I likhet med ferromagnetisme og atomiske spektrallinjer er superledning et kvantemekanisk fenomen. Den er preget av Meissner-effekten - en fullstendig utstøting av magnetfeltlinjer fra innsiden av superlederen under overgangen til superledende tilstand.
Dette er essensen av fenomenet superledning. Fremveksten av Meissner-effekten indikerer at superledning ikke bare kan forstås som en idealisering av ideell ledningsevne i klassisk fysikk.
Hva er fenomenet superledning
Den elektriske motstanden til en metallleder avtar gradvis etter hvert somsenking av temperaturen. I vanlige ledere som kobber eller sølv er denne reduksjonen begrenset av urenheter og andre defekter. Selv nær absolutt null viser en reell prøve av en normal leder en viss motstand. I en superleder synker motstanden kraftig til null når materialet avkjøles under sin kritiske temperatur. Elektrisk strøm gjennom en sløyfe av superledende ledning kan opprettholdes på ubestemt tid uten en strømkilde. Dette er svaret på spørsmålet, hva er fenomenet superledning.
Historie
I 1911, mens de studerte egenskapene til materie ved svært lave temperaturer, oppdaget den nederlandske fysikeren Heike Kamerling Onnes og teamet hans at den elektriske motstanden til kvikksølv synker til null under 4,2 K (-269 °C). Dette var den aller første observasjonen av fenomenet superledning. De fleste kjemiske grunnstoffer blir superledende ved lave nok temperaturer.
Under en viss kritisk temperatur går materialer over i en superledende tilstand, preget av to hovedegenskaper: For det første motstår de ikke passering av elektrisk strøm. Når motstanden synker til null, kan strøm sirkulere i materialet uten energispredning.
For det andre, forutsatt at de er tilstrekkelig svake, trenger ikke eksterne magnetiske felter gjennom superlederen, men forblir på overflaten. Dette feltutdrivelsesfenomenet ble kjent som Meissner-effekten etter at det først ble observert av en fysiker i 1933.
Tre navn, tre bokstaver og en ufullstendig teori
Vanlig fysikk gir ikke tilstrekkeligforklaringer på den superledende tilstanden, samt den elementære kvanteteorien for den faste tilstanden, som vurderer oppførselen til elektroner separat fra oppførselen til ioner i et krystallgitter.
Først i 1957 skapte tre amerikanske forskere - John Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer den mikroskopiske teorien om superledning. I følge deres BCS-teori, samler elektroner seg i par gjennom interaksjon med gittervibrasjoner (såk alte "fononer"), og danner dermed Cooper-par som beveger seg uten friksjon inne i et fast legeme. Et fast stoff kan sees på som et gitter av positive ioner nedsenket i en sky av elektroner. Når et elektron passerer gjennom dette gitteret, beveger ionene seg litt, og blir tiltrukket av elektronets negative ladning. Denne bevegelsen genererer et elektrisk positivt område, som igjen tiltrekker seg et annet elektron.
Energien til den elektroniske interaksjonen er ganske svak, og damper kan lett brytes opp av termisk energi - så superledning oppstår vanligvis ved svært lave temperaturer. Imidlertid gir ikke BCS-teorien en forklaring på eksistensen av høytemperatur-superledere ved rundt 80 K (-193 °C) og over, som andre elektronbindende mekanismer må være involvert for. Anvendelsen av fenomenet superledning er basert på prosessen ovenfor.
Temperature
I 1986 ble det funnet at noen keramiske materialer av kuprat-perovskitt hadde kritiske temperaturer over 90 K (-183 °C). Denne høye krysstemperaturen er teoretiskumulig for en konvensjonell superleder, noe som fører til at materialer blir referert til som høytemperatur-superledere. Tilgjengelig kjølende flytende nitrogen koker ved 77 K, og dermed letter superledning ved temperaturer høyere enn disse mange eksperimenter og applikasjoner som er mindre praktiske ved lavere temperaturer. Dette er svaret på spørsmålet ved hvilken temperatur oppstår fenomenet superledning.
klassifisering
Superledere kan klassifiseres etter flere kriterier som avhenger av vår interesse for deres fysiske egenskaper, av forståelsen vi har om dem, av hvor dyrt det er å kjøle dem, eller av materialet de er laget av.
Ved sine magnetiske egenskaper
Type I-superledere: de som bare har ett kritisk felt, Hc, og som brått går over fra en tilstand til en annen når den er nådd.
Type II-superledere: har to kritiske felt, Hc1 og Hc2, som er perfekte superledere under det nedre kritiske feltet (Hc1) og forlater fullstendig den superledende tilstanden over det øvre kritiske feltet (Hc2), og er i en blandet tilstand mellom de kritiske feltene.
Slik vi forstår dem om dem
Vanlige superledere: de som fullt ut kan forklares av BCS-teori eller relaterte teorier.
Ukonvensjonelle superledere: de som ikke kunne forklares ved hjelp av slike teorier, for eksempel: tunge fermioniskesuperledere.
Dette kriteriet er viktig fordi BCS-teorien har forklart egenskapene til konvensjonelle superledere siden 1957, men på den annen side har det ikke vært noen tilfredsstillende teori for å forklare de helt ukonvensjonelle superlederne. I de fleste tilfeller er Type I-superledere vanlige, men det er noen få unntak, for eksempel niob, som er både vanlig og Type II.
Ved deres kritiske temperatur
Lavtemperatur-superledere, eller LTS: de hvis kritiske temperatur er under 30 K.
Høytemperatursuperledere, eller HTS: de hvis kritiske temperatur er over 30 K. Noen bruker nå 77 K som skille for å understreke om vi kan avkjøle prøven med flytende nitrogen (hvis kokepunkt er 77 K), som er mye mer mulig enn flytende helium (et alternativ for å nå de temperaturene som trengs for å produsere lavtemperatur-superledere).
Andre detaljer
En superleder kan være type I, som betyr at den har et enkelt kritisk felt, over hvilket all superledning går tapt, og under hvilket magnetfeltet er fullstendig eliminert fra superlederen. Type II, som betyr at den har to kritiske felt som den tillater delvis penetrering av magnetfeltet gjennom isolerte punkter. Disse punktene kalles virvler. I tillegg, i multikomponent-superledere, er en kombinasjon av to atferd mulig. I dette tilfellet er superlederen av type 1, 5.
Properties
De fleste av de fysiske egenskapene til superledere varierer fra materiale til materiale, som varmekapasitet og kritisk temperatur, kritisk felt og kritisk strømtetthet der superledning brytes ned.
På den annen side er det en klasse egenskaper som er uavhengig av grunnmaterialet. For eksempel har alle superledere absolutt null resistivitet ved lave påførte strømmer, når det ikke er noe magnetfelt, eller når det påtrykte feltet ikke overskrider en kritisk verdi.
Tilstedeværelsen av disse universelle egenskapene innebærer at superledning er en termodynamisk fase og derfor har visse særegne egenskaper som stort sett er uavhengige av mikroskopiske detaljer.
Situasjonen er annerledes i superlederen. I en konvensjonell superleder kan ikke elektronvæsken separeres i individuelle elektroner. I stedet består den av bundne elektronpar kjent som Cooper-par. Denne sammenkoblingen er forårsaket av den attraktive kraften mellom elektroner som følge av utveksling av fononer. På grunn av kvantemekanikk har energispekteret til denne væsken i Cooper-paret et energigap, det vil si at det er en minimumsmengde energi ΔE som må tilføres for å eksitere væsken.
Derfor, hvis ΔE er større enn den termiske energien til gitteret gitt av kT, der k er Boltzmann-konstanten og T er temperaturen, vil væsken ikke bli spredt av gitteret. SåDermed er Cooper-dampvæsken superflytende, noe som betyr at den kan strømme uten å spre energi.
Superledningsegenskaper
I superledende materialer vises superledningsegenskaper når temperaturen T faller under den kritiske temperaturen Tc. Verdien av denne kritiske temperaturen varierer fra materiale til materiale. Konvensjonelle superledere har typisk kritiske temperaturer fra ca. 20 K til mindre enn 1 K.
For eksempel har fast kvikksølv en kritisk temperatur på 4,2 K. Fra og med 2015 er den høyeste kritiske temperaturen funnet for en konvensjonell superleder 203 K for H2S, selv om et høyt trykk på rundt 90 gigapascal var nødvendig. Cuprat-superledere kan ha mye høyere kritiske temperaturer: YBa2Cu3O7, en av de første cuprat-superlederne som ble oppdaget, har en kritisk temperatur på 92 K, og kvikksølvbaserte kuprater med kritiske temperaturer over 130 K er funnet. Forklaringen på disse høye kritiske temperaturene gjenstår ukjent.
Elektronparing på grunn av fononutvekslinger forklarer superledning i konvensjonelle superledere, men forklarer ikke superledning i nyere superledere som har en svært høy kritisk temperatur.
Magnetiske felt
Tilsvarende, ved en fast temperatur under den kritiske temperaturen, slutter superledende materialer å superledende når et eksternt magnetfelt påføres som er større ennkritisk magnetfelt. Dette er fordi den frie Gibbs-energien til den superledende fasen øker kvadratisk med magnetfeltet, mens den frie energien til normalfasen er tilnærmet uavhengig av magnetfeltet.
Hvis materialet er superledende i fravær av et felt, så er den frie energien til den superledende fasen mindre enn den til normalfasen, og derfor for en begrenset verdi av magnetfeltet (proporsjonal med kvadratet) roten av forskjellen i frie energier ved null), vil de to frie energiene være like, og det vil være en faseovergang til normalfasen. Mer generelt resulterer en høyere temperatur og et sterkere magnetfelt i en mindre andel superledende elektroner og derfor en større penetrasjonsdybde til London av eksterne magnetiske felt og strømmer. Inntrengningsdybden blir uendelig ved faseovergangen.
Fysisk
Utbruddet av superledning er ledsaget av brå endringer i ulike fysiske egenskaper, som er kjennetegnet på en faseovergang. For eksempel er elektronvarmekapasiteten proporsjonal med temperaturen i det normale (ikke superledende) regimet. Ved den superledende overgangen opplever den et hopp og etter det slutter den å være lineær. Ved lave temperaturer endres den i stedet for e−α/T for en viss konstant α. Denne eksponentielle oppførselen er et av bevisene for at det eksisterer et energigap.
Faseovergang
Forklaringen på fenomenet superledning er ganskeåpenbart. Rekkefølgen av den superledende faseovergangen har vært diskutert i lang tid. Eksperimenter viser at det ikke er noen annenordens overgang, det vil si latent varme. I nærvær av et eksternt magnetfelt er det imidlertid latent varme fordi den superledende fasen har en lavere entropi, lavere enn den kritiske temperaturen, enn normalfasen.
Eksperimentelt demonstrert følgende: når magnetfeltet øker og går utover det kritiske feltet, fører den resulterende faseovergangen til en reduksjon i temperaturen til det superledende materialet. Fenomenet superledning er kort beskrevet ovenfor, nå er det på tide å fortelle deg noe om nyansene til denne viktige effekten.
Beregninger gjort på 1970-tallet viste at den faktisk kunne være svakere enn den første orden på grunn av påvirkningen av langdistansefluktuasjoner i det elektromagnetiske feltet. På 1980-tallet ble det teoretisk vist ved bruk av forstyrrelsesfeltteori, der superledervirvellinjer spiller en stor rolle, at overgangen er andre orden i type II-modus og første orden (dvs. latent varme) i type I-modus, og at de to regionene er atskilt med et trikritisk punkt.
Resultatene ble sterkt bekreftet av datasimuleringer i Monte Carlo. Dette spilte en viktig rolle i studiet av fenomenet superledning. Arbeidet fortsetter på nåværende tidspunkt. Essensen av fenomenet superledning er ikke fullt ut forstått og forklart fra moderne vitenskaps synspunkt.
