Явище надпровідності: класифікація, властивості та застосування

В чому полягає явище надпровідності? Надпровідність-це явище з нульовим електричним опором і викидом полів магнітного потоку, що виникають у певних матеріалах, званих надпровідниками, при охолодженні нижче характерної критичної температури.

Явище було виявлено голландським фізиком Хайке Камерлінг-Оннесом 8 квітня 1911 року в Лейдені. Як і феромагнетизм та атомні спектральні лінії, надпровідність є квантово-механічним явищем. Для нього характерний ефект Мейснера-повний викид ліній магнітного поля зсередини надпровідника при його переході в надпровідний стан.

Така суть явища надпровідності. Виникнення ефекту Мейснера вказує на те, що надпровідність не можна розуміти просто як ідеалізацію ідеальної провідності в класичній фізиці.

В чому полягає явище надпровідності

Електричний опір металевого провідника поступово зменшується при зниженні температури. У звичайних провідниках, таких як мідь або срібло, це зменшення обмежується домішками та іншими дефектами. Навіть поблизу абсолютного нуля реальний зразок нормального провідника показує деякий опір. У надпровіднику опір різко падає до нуля, коли матеріал охолоджується нижче критичної температури. Електричний струм через петлю надпровідного дроту може зберігатися нескінченно без Джерела живлення. Це відповідь на питання, в чому полягає явище надпровідності.

Історія

У 1911 році, вивчаючи властивості речовини при дуже низькій температурі, голландський фізик Хайке Камерлінг Оннес та його команда виявили, що електричний опір ртуті падає до нуля нижче 4,2 K (-269°C). Це було найперше спостереження явища надпровідності. Більшість хімічних елементів стають надпровідними при досить низькій температурі.

Нижче певної критичної температури матеріали переходять у надпровідний стан, що характеризується двома основними властивостями: по-перше, вони не чинять опору проходженню електричного струму. Коли опір падає до нуля, струм може циркулювати всередині матеріалу без розсіювання енергії.

По-друге, за умови, що вони досить слабкі, зовнішні магнітні поля не проникають в надпровідник, а залишаються на його поверхні. Це явище вигнання поля стало відомим як ефект Мейснера після того, як фізик вперше спостерігав його в 1933 році.

Три назви, три літери та неповна теорія

Звичайна фізика не дає адекватного пояснення надпровідного стану, як і елементарна квантова теорія твердого стану, яка розглядає поведінку електронів окремо від поведінки іонів у кристалічній решітці.

Тільки в 1957 році три американських дослідника-Джон Бардін, Леон Купер і Джон Шріффер створили мікроскопічну теорію надпровідності. Згідно з їх теорією BCS, електрони групуються в ПАРИ за допомогою взаємодії з коливаннями решітки (так званими "фононами"», утворюючи таким чином куперівські пари, які рухаються всередині твердого тіла без тертя. Тверде тіло можна розглядати як решітку позитивних іонів, занурених у хмару електронів. Коли електрон проходить через цю решітку, іони трохи рухаються, притягуючись негативним зарядом електрона. Цей рух генерує електрично позитивну область, яка, в свою чергу, залучає інший електрон.

Енергія електронної взаємодії досить слабка, і пари можуть бути легко розбиті тепловою енергією - тому надпровідність зазвичай виникає при дуже низькій температурі. Тим не менш, теорія BCS не дає пояснення існуванню високотемпературних надпровідників при температурі близько 80 K (-193 ° C) і вище, для яких необхідно задіяти інші механізми зв`язку електронів. На вищеописаному процесі і грунтується застосування явища надпровідності.

Температура

У 1986 році було виявлено, що деякі керамічні матеріали купрат-перовскіт мають критичну температуру вище 90 к (-183 ° с). Така висока температура переходу теоретично неможлива для звичайного надпровідника, що призводить до того, що матеріали називають високотемпературними надпровідниками. Доступний охолоджуючий рідкий азот кипить при 77 K, і, таким чином, надпровідність при більш високих температурах, ніж ці, полегшує багато експериментів і застосувань, які менш практичні при більш низьких температурах. Це відповідь на питання, при якій температурі виникає явище надпровідності.

Класифікація

Надпровідники можуть бути класифіковані за кількома критеріями, які залежать від нашого інтересу до їх фізичних властивостей, від розуміння, яке ми маємо про них, від того, наскільки дорогим є їх охолодження або від матеріалу, з якого вони зроблені.

За своїми магнітними властивостями

Надпровідники типу I: ті, що мають лише одне критичне поле, Hc, і різко переходять з одного стану в інший, коли він досягнутий.

Надпровідники типу II: мають два критичних поля, Hc1 і Hc2, які є досконалими надпровідниками під нижнім критичним полем (Hc1) і повністю виходять з надпровідного стану над верхнім критичним полем (Hc2), що знаходяться в змішаному стані між критичними полями.

По тому розумінню, яке ми маємо про них

Звичайні надпровідники: ті, які можуть бути повністю пояснені теорією BCS або суміжними теоріями.

Нетрадиційні надпровідники: ті, які не вдалося пояснити за допомогою таких теорій, наприклад: важкі ферміонні надпровідники.

Цей критерій важливий, оскільки теорія BCS пояснює властивості звичайних надпровідників з 1957 року, але, з іншого боку, не було задовільної теорії для пояснення абсолютно нетрадиційних надпровідників. У більшості випадків надпровідники типу I є загальними, але є кілька винятків, таких як ніобій, який є як загальним, так і типом II.

За їх критичною температурою

Низькотемпературні надпровідники, або LTS: ті, чия критична температура нижче 30 К.

Високотемпературні надпровідники, або ВТСП: ті, чия критична температура вище 30 до. Деякі зараз використовують 77 K як розділення, щоб підкреслити, Чи можемо ми охолодити зразок рідким азотом (температура кипіння якого становить 77 K), що набагато більш здійсненно, ніж рідкий гелій (альтернатива для досягнення температур, необхідних для отримання низьких температур надпровідники).

Інші нюанси

Надпровідник може бути типу I, що означає, що він має єдине критичне поле, над яким втрачається вся надпровідність, і нижче якого магнітне поле повністю виключається з надпровідника. Тип II, що означає, що він має два критичні поля, між якими він дозволяє часткове проникнення магнітного поля через ізольовані точки. Ці точки називаються вихорами. Крім того, в багатокомпонентних надпровідниках можливе поєднання двох варіантів поведінки. У цьому випадку надпровідник має тип 1,5.

Властивість

Більшість фізичних властивостей надпровідників відрізняються від матеріалу до матеріалу, таких як теплоємність і критична температура, критичне поле і щільність критичного струму, при яких руйнується надпровідність.

З іншого боку, існує клас властивостей, які не залежать від основного матеріалу. Наприклад, всі надпровідники мають абсолютно нульове питомий опір при малих прикладених струмах, коли відсутнє магнітне поле або в тому випадку, якщо прикладене поле не перевищує критичного значення.

Наявність цих універсальних властивостей означає, що надпровідність є термодинамічною фазою і, отже, має певні відмінні властивості, які значною мірою не залежать від мікроскопічних деталей.

Ситуація відрізняється в надпровіднику. У звичайному надпровіднику електронну рідину не можна розділити на окремі електрони. Натомість він складається з пов`язаних пар електронів, відомих як пари Купера. Це спарювання викликане силою тяжіння між електронами в результаті обміну фононами. Через квантову механіку енергетичний спектр цієї рідини куперівської пари має енергетичну щілину, тобто існує мінімальна кількість енергії ΔE, яка повинна бути подана для збудження рідини.

Отже, якщо ΔE більше теплової енергії решітки, заданої кт, де k-постійна Больцмана, А t-температура, рідина не буде розсіюватися решіткою. Таким чином, рідина пари Купера є надплинною, що означає, що вона може текти без розсіювання енергії.

Характеристики надпровідності

У надпровідних матеріалах характеристики надпровідності з`являються, коли температура T знижується нижче критичної температури Tc. Значення цієї критичної температури варіюється від матеріалу до матеріалу. Звичайні надпровідники зазвичай мають критичні температури в діапазоні від близько 20 K до менш ніж 1 K.

Наприклад, тверда ртуть має критичну температуру 4,2 K. Станом на 2015 рік. найвища критична температура, знайдена для звичайного надпровідника, становить 203 K для H2S, хоча потрібен був високий тиск близько 90 гігапаскалів. Купратні надпровідники можуть мати набагато вищі критичні температури: YBa2Cu3O7, один з перших виявлених купратних надпровідників, має критичну температуру 92 K, і були знайдені купрати на основі ртуті з критичними температурами, що перевищують 130 K. Пояснення цих високі критичні температури залишаються невідомими.

Спарювання електронів через фононні обміни пояснює надпровідність у звичайних надпровідниках, але не пояснює надпровідність у новіших надпровідниках, які мають дуже високу критичну температуру.

Магнетне поле

Подібним чином, при фіксованій температурі нижче критичної температури надпровідні матеріали припиняють надпроводити, коли застосовується зовнішнє магнітне поле, яке більше критичного магнітного поля. Це відбувається тому, що вільна енергія Гіббса надпровідної фази збільшується квадратично з магнітним полем, тоді як вільна енергія нормальної фази приблизно не залежить від магнітного поля.

Якщо матеріал надпровідний за відсутності поля, то вільна енергія надпровідної фази менше, ніж у нормальної фази, і тому для деякого кінцевого значення магнітного поля (пропорційного квадратному кореню з різниці вільних енергій в нулі) дві вільні енергії будуть рівні, і відбудеться фазовий перехід до нормальної фази. У більш загальному сенсі, більш висока температура і сильніше магнітне поле призводять до зменшення частки надпровідних електронів і, отже, до більшої глибини проникнення в Лондон зовнішніх магнітних полів і струмів. Глибина проникнення стає нескінченною при фазовому переході.

Фізичний аспект

Початок надпровідності супроводжується різкими змінами різних фізичних властивостей, що є відмінною рисою фазового переходу. Наприклад, електронна теплоємність пропорційна температурі в нормальному (не надпровідному) режимі. На надпровідному переході він відчуває стрибкоподібний стрибок і після цього перестає бути лінійним. При низьких температурах вона змінюється замість e-α / T для деякої постійної α. Ця експоненціальна поведінка є одним із доказів енергетичної щілини.

Фазовий перехід

Пояснення явища надпровідності досить очевидно. Порядок надпровідного фазового переходу довго обговорювався. Експерименти показують, що переходу другого порядку, тобто прихованого тепла, немає. Однак, в присутності зовнішнього магнітного поля є приховане тепло, тому що надпровідна фаза має більш низьку ентропію, нижче критичної температури, ніж нормальна фаза.

Експериментально продемонстровано наступне: коли магнітне поле збільшується і виходить за межі критичного поля, результуючий фазовий перехід призводить до зниження температури надпровідного матеріалу. Явище надпровідності коротко було описано вище, тепер час розповісти дещо про нюанси цього важливого ефект.

Розрахунки, проведені в 1970 - х роках, показали, що насправді він може бути слабшим за перший порядок через вплив далеких коливань в електромагнітному полі. У 1980-х роках теоретично було показано за допомогою теорії поля безладу, в якій вихрові лінії надпровідника грають головну роль, що перехід має другий порядок в режимі типу II і перший порядок (т. е. приховане тепло) в режимі типу I, і що дві області розділені трикритичною точкою.

Результати були рішуче підтверджені комп`ютерним моделюванням в Монте-Карло. Це зіграло велику роль у вивченні явища надпровідності. Робота триває і в даний час. Сутність явища надпровідності не до кінця вивчена і пояснена з точки зору сучасної науки.