Явище надпровідності: класифікація, властивості і застосування

В чому полягає явище надпровідності? Надпровідність являє собою явище з нульовим електричним опором і викидом полів магнітного потоку, що виникають в певних матеріалах, які називаються надпровідниками, при охолодженні нижче характерною критичної температури.

Явище було виявлено голландським фізиком Хайке Камерлінг-Оннесом 8 квітня 1911 року в Лейдені. Як і феромагнетизм і 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 можна розуміти просто як ідеалізацію ідеальної провідності в класичній фізиці.

В чому полягає явище надпровідності

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

Історія

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

Нижче певної критичної температури матеріали переходять в 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 проникають в надпровідник, а залишаються на його поверхні. Це явище вигнання поля стало відомо як ефект Мейснера після того, як фізик вперше спостерігав його в 1933 році.

Три імені, три букви і неповна теорія

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

Тільки в 1957 році три американських дослідників – Джон Бардін, Леон Купер і Джон Шриффер створили мікроскопічну теорію надпровідності. Згідно їх теорії BCS, електрони групуються в пари за допомогою взаємодії з коливаннями решітки (так званими «фононами»), утворюючи таким чином куперовские пари, які рухаються усередині твердого тіла без тертя. Тверде тіло можна розглядати як грати позитивних іонів, занурених у хмара електронів. Коли електрон проходить через цю решітку, іони злегка рухаються, притягуючись негативним зарядом електрона. Це рух генерує електрично позитивну область, яка, в свою чергу, приваблює інший електрон.

Дивіться також:  Факультети і спеціальності МДУ імені Ломоносова

Енергія електронного 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 цьому процесі і ґрунтується застосування явища надпровідності.

Температура

У 1986 році було виявлено, що деякі купрат-перовскитовые керамічні матеріали мають критичну температуру вище 90 K (-183 ° C). 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 К, і, таким чином, надпровідність при більш високих температурах, ніж ці, полегшує багато експерименти і застосування, які менш практичні при більш низьких температурах. Це відповідь на питання, при якій температурі виникає явище надпровідності.

Класифікація

Надпровідники можуть бути класифіковані у відповідності з декількома 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 своїм магнітним властивостям

Надпровідники типу I: ті, які мають тільки одне критичне поле, Hc, і різко переходять з одного стану в інше, коли воно досягнуто.

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

З того розуміння, яке у нас є про них

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

Нетрадиційні надпровідники: ті, які не вдалося пояснити з допомогою таких теорій, наприклад: важкі фермионные надпровідники.

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

За їх критичної температури

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

Високотемпературні надпровідники, або ВТНП: ті, чия критична температура вище 30 К. Деякі тепер використовують 77 К в якості поділу, щоб підкреслити, можемо ми охолодити зразок рідким азотом (температура кипіння якого становить 77 К), що набагато більш можливо, ніж рідкий гелій (альтернатива для досягнення температур, необхідних для одержання низьких температур надпровідники).

Дивіться також:  Що означає префікс "архі". Слова з цією приставкою

Інші нюанси

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

Властивості

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

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

Наявність цих універсальних властивостей має на увазі те, що надпровідність є термодинамічною фазою і, отже, володіє певними відмітними властивостями, які в значній мірі не залежать від мікроскопічних деталей.

Ситуація відрізняється в надпровіднику. У звичайному надпровіднику електронна рідина не може бути розділена на окремі електрони. Замість цього він складається із зв’язаних пар електронів, відомих як куперовские пари. Це парування викликано силою притягання між електронами в результаті обміну фононами. З-за квантової механіки енергетичний спектр цієї рідини куперовской пари володіє енергетичною щілиною, тобто існує мінімальна кількість енергії ΔE, яке повинно бути подано для порушення рідини.

Отже, якщо ΔE більше теплової енергії решітки, заданої kT, де k – постійна Больцмана, а T – температура, рідина не буде розсіюватися ґратами. Таким чином, рідина пари Купера є надтекучою, що означає, що вона може протікати 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 До до менш ніж 1 К.

Наприклад, у твердій ртуті критична температура становить 4,2 К. станом на 2015 р. найвища критична температура, знайдена для звичайного надпровідника, становить 203 для H2S, хоча потрібно високий тиск близько 90 гігапаскалів. Купратные надпровідники можуть мати набагато більш високі критичні температури: YBa2Cu3O7, один з перших знайдених купратних надпровідників, має критичну температуру До 92, і були знайдені купраты на основі ртуті з критичними температурами, що перевищують 130 К. Пояснення цих високі критичні температури залишаються невідомими.

Спарювання електронів через фононних обмінів пояснює надпровідність в звичайних надпровідниках, але не пояснює надпровідність в більш нових надпровідниках, які мають дуже високу критичну температуру.

Дивіться також:  Що таке навчальний посібник: визначення терміна, короткий зміст

Магнітні поля

Точно так само при фіксованій температурі нижче критичної температури надпровідні матеріали перестають сверхпроводить, коли прикладається зовнішнє магнітне полі, яке більше критичного магнітного поля. Це відбувається тому, що вільна енергія Гіббса надпровідної фази збільшується квадратично з магнітним полем, в той час як вільна енергія нормальної фази приблизно не залежить від магнітного поля.

Якщо матеріал надпровідний в відсутність поля, то вільна енергія надпровідної фази менше, ніж у нормальної фази, і тому для деякого кінцевого значення магнітного поля (пропорційний квадратному кореню з різниці вільних енергій в нулі) дві вільні енергії будуть рівними, і відбудеться фазовий перехід до нормальної фазі. В більш загальному сенсі, більш висока температура і більш сильне магнітне поле призводять до зменшення частки надпровідних електронів і, отже, до більшої глибині 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. Це експоненціальне поведінка є одним із доказів існування енергетичної щілини.

Фазовий перехід

Пояснення явища надпровідності досить очевидно. Порядок надпровідного фазового переходу довго обговорювалося. Експерименти показують, що переходу другого порядку, тобто прихованого тепла, немає. Однак, у 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 ефекту.

Розрахунки, проведені в 1970-х роках, показали, що насправді він може бути слабкіше першого порядку з-за впливу далеких флуктуацій 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 (тобто приховане тепло) в режимі типу I, і що дві області розділені трикритической крапкою.

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