Mikä on suprajohtavuusilmiö? Suprajohtavuus on ilmiö, jossa sähkövastus on nolla ja magneettivuokenttien vapautuminen, joita esiintyy tietyissä materiaaleissa, joita kutsutaan suprajohtimiksi, kun ne jäähtyvät alle tyypillisen kriittisen lämpötilan.
Hollannin fyysikko Heike Kamerling-Onnes löysi ilmiön 8. huhtikuuta 1911 Leidenissä. Kuten ferromagnetismi ja atomispektriviivat, suprajohtavuus on kvanttimekaaninen ilmiö. Sille on tunnusomaista Meissner-ilmiö - magneettikenttälinjojen täydellinen poisto suprajohteen sisältä sen siirtyessä suprajohtavaan tilaan.
Tämä on suprajohtavuusilmiön ydin. Meissner-ilmiön ilmaantuminen osoittaa, että suprajohtavuutta ei voida ymmärtää yksinkertaisesti ihanteellisen johtavuuden idealisointina klassisessa fysiikassa.
Mikä on suprajohtavuuden ilmiö
Metallijohtimen sähkövastus pienenee vähitellenalentamalla lämpötilaa. Tavallisissa johtimissa, kuten kuparissa tai hopeassa, tätä vähennystä rajoittavat epäpuhtaudet ja muut viat. Jopa lähellä absoluuttista nollaa normaalin johtimen todellinen näyte osoittaa jonkin verran vastusta. Suprajohteessa resistanssi putoaa jyrkästi nollaan, kun materiaali jäähtyy kriittisen lämpötilansa alapuolelle. Suprajohtavan langan silmukan läpi kulkevaa sähkövirtaa voidaan ylläpitää loputtomiin ilman virtalähdettä. Tämä on vastaus kysymykseen, mikä on suprajohtavuuden ilmiö.
Historia
Vuonna 1911 tutkiessaan aineen ominaisuuksia erittäin matalissa lämpötiloissa hollantilainen fyysikko Heike Kamerling Onnes ja hänen tiiminsä havaitsivat, että elohopean sähkövastus putoaa nollaan alle 4,2 K (-269 °C). Tämä oli ensimmäinen havainto suprajohtavuusilmiöstä. Useimmat kemialliset alkuaineet muuttuvat suprajohtaviksi riittävän alhaisissa lämpötiloissa.
Tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella materiaalit siirtyvät suprajohtavaan tilaan, jolle on tunnusomaista kaksi pääominaisuutta: ensinnäkin ne eivät vastusta sähkövirran kulkemista. Kun vastus putoaa nollaan, virta voi kiertää materiaalissa ilman energian haihtumista.
Toiseksi, edellyttäen, että ulkoiset magneettikentät ovat riittävän heikkoja, ne eivät tunkeudu suprajohteeseen, vaan jäävät sen pinnalle. Tämä kentän karkotusilmiö tunnettiin nimellä Meissner-ilmiö sen jälkeen, kun fyysikko havaitsi sen ensimmäisen kerran vuonna 1933.
Kolme nimeä, kolme kirjainta ja epätäydellinen teoria
Tavallinen fysiikka ei anna riittävästisuprajohtavan tilan selitykset sekä kiinteän tilan alkeiskvanttiteoria, joka tarkastelee elektronien käyttäytymistä erillään ionien käyttäytymisestä kidehilassa.
Vain vuonna 1957 kolme amerikkalaista tutkijaa - John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer loivat mikroskooppisen suprajohtavuuden teorian. Heidän BCS-teoriansa mukaan elektronit kasaantuvat pareiksi vuorovaikutuksessa hilavärähtelyjen kanssa (niin sanotut "fononit"), jolloin muodostuu Cooper-pareja, jotka liikkuvat ilman kitkaa kiinteän aineen sisällä. Kiinteää ainetta voidaan pitää positiivisten ionien hilana, joka on upotettu elektronipilveen. Kun elektroni kulkee tämän hilan läpi, ionit liikkuvat hieman, ja elektronin negatiivinen varaus vetää puoleensa. Tämä liike synnyttää sähköisesti positiivisen alueen, joka puolestaan vetää puoleensa toisen elektronin.
Elektronisen vuorovaikutuksen energia on melko heikkoa, ja lämpöenergia voi helposti hajottaa höyryt - joten suprajohtavuus tapahtuu yleensä hyvin alhaisissa lämpötiloissa. BCS-teoria ei kuitenkaan anna selitystä korkean lämpötilan suprajohteiden olemassaololle noin 80 K (-193 °C) ja sitä korkeammissa lämpötiloissa, joihin on otettava mukaan muita elektroneja sitovia mekanismeja. Suprajohtavuusilmiön soveltaminen perustuu yllä olevaan prosessiin.
Lämpötila
Vuonna 1986 joidenkin kupraattiperovskiittikeraamisten materiaalien kriittiset lämpötilat havaittiin yli 90 K (-183 °C). Tämä korkea liitoslämpötila on teoriassamahdotonta tavanomaiselle suprajohtimelle, mikä johtaa materiaaleihin, joita kutsutaan korkean lämpötilan suprajohtimiksi. Saatavilla oleva jäähdytysnestetyppi kiehuu 77 K:ssa, ja näin ollen suprajohtavuus näitä korkeammissa lämpötiloissa helpottaa monia kokeita ja sovelluksia, jotka ovat vähemmän käytännöllisiä alemmissa lämpötiloissa. Tämä on vastaus kysymykseen, missä lämpötilassa suprajohtavuusilmiö tapahtuu.
Luokittelu
Magneettisten ominaisuuksiensa perusteella
I-tyypin suprajohteet: sellaiset, joissa on vain yksi kriittinen kenttä, Hc, ja jotka siirtyvät äkillisesti tilasta toiseen, kun se saavutetaan.
Tyypin II suprajohteet: niillä on kaksi kriittistä kenttää, Hc1 ja Hc2, jotka ovat täydellisiä suprajohtimia alemman kriittisen kentän (Hc1) alla ja jättävät suprajohtavan tilan kokonaan ylemmän kriittisen kentän (Hc2) yläpuolelle ja ovat sekatilassa kriittiset kentät.
Kuten ymmärrämme heidät niistä
Tavalliset suprajohteet: sellaiset, jotka voidaan täysin selittää BCS-teorialla tai siihen liittyvillä teorioilla.
Epätavanomaiset suprajohteet: sellaiset, joita ei voitu selittää tällaisilla teorioilla, esimerkiksi: raskaat fermionisetsuprajohteet.
Tämä kriteeri on tärkeä, koska BCS-teoria on selittänyt tavanomaisten suprajohteiden ominaisuuksia vuodesta 1957 lähtien, mutta toisa alta ei ole olemassa tyydyttävää teoriaa täysin epätavanomaisten suprajohteiden selittämiseksi. Useimmissa tapauksissa tyypin I suprajohteet ovat yleisiä, mutta on olemassa muutamia poikkeuksia, kuten niobium, joka on sekä yleinen että tyyppi II.
Kriittisen lämpötilansa mukaan
Matalalämpötilaiset suprajohteet eli LTS: ne, joiden kriittinen lämpötila on alle 30 K.
Korkean lämpötilan suprajohteet eli HTS: sellaiset, joiden kriittinen lämpötila on yli 30 K. Jotkut käyttävät nykyään 77 K:tä erotuksena korostaakseen, voidaanko näyte jäähdyttää nestemäisellä typellä (jonka kiehumispiste on 77 K), joka on paljon käyttökelpoisempi kuin nestemäinen helium (vaihtoehto alhaisen lämpötilan suprajohteiden valmistukseen tarvittavien lämpötilojen saavuttamiseksi).
Muut tiedot
Suprajohde voi olla tyyppiä I, mikä tarkoittaa, että sillä on yksi kriittinen kenttä, jonka yläpuolella kaikki suprajohtavuus menetetään ja jonka alapuolella magneettikenttä eliminoituu kokonaan suprajohteesta. Tyyppi II, mikä tarkoittaa, että siinä on kaksi kriittistä kenttää, joiden välillä se sallii magneettikentän osittaisen tunkeutumisen eristettyjen pisteiden läpi. Näitä pisteitä kutsutaan pyörteiksi. Lisäksi monikomponenttisuprajohtimissa kahden käyttäytymisen yhdistelmä on mahdollista. Tässä tapauksessa suprajohde on tyyppiä 1, 5.
Ominaisuudet
Useimmat suprajohteiden fysikaalisista ominaisuuksista vaihtelevat materiaalista toiseen, kuten lämpökapasiteetti ja kriittinen lämpötila, kriittinen kenttä ja kriittinen virrantiheys, jossa suprajohtavuus hajoaa.
Toisa alta on olemassa joukko ominaisuuksia, jotka ovat riippumattomia perusmateriaalista. Esimerkiksi kaikilla suprajohtimilla on ehdottoman nolla resistanssi pienillä virroilla, kun magneettikenttää ei ole tai kun käytetty kenttä ei ylitä kriittistä arvoa.
Näiden universaalien ominaisuuksien olemassaolo viittaa siihen, että suprajohtavuus on termodynaaminen vaihe ja siksi sillä on tiettyjä erityisominaisuuksia, jotka ovat suurelta osin riippumattomia mikroskooppisista yksityiskohdista.
Suprajohteessa tilanne on toinen. Perinteisessä suprajohteessa elektroninestettä ei voida erottaa yksittäisiksi elektroneiksi. Sen sijaan se koostuu sidotuista elektronipareista, jotka tunnetaan Cooper-pareina. Tämä pariutuminen johtuu elektronien välisestä vetovoimasta, joka johtuu fononien vaihdosta. Kvanttimekaniikasta johtuen tämän Cooper-parin nesteen energiaspektrissä on energiarako, eli siinä on vähimmäismäärä energiaa ΔE, joka on syötettävä nesteen virittämiseksi.
Jos ΔE on siis suurempi kuin kT:n antama hilan lämpöenergia, missä k on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila, neste ei sirota hilasta. NiinNäin ollen Cooper-höyryneste on supernestettä, mikä tarkoittaa, että se voi virrata energiaa hukkaamatta.
Suprajohtavuusominaisuudet
Suprajohtavissa materiaaleissa suprajohtavuusominaisuudet ilmenevät, kun lämpötila T laskee kriittisen lämpötilan Tc alapuolelle. Tämän kriittisen lämpötilan arvo vaihtelee materiaalista toiseen. Tavanomaisten suprajohteiden kriittiset lämpötilat vaihtelevat tyypillisesti noin 20 K - alle 1 K.
Esimerkiksi kiinteän elohopean kriittinen lämpötila on 4,2 K. Vuodesta 2015 lähtien tavanomaisen suprajohteen korkein kriittinen lämpötila on 203 K H2S:lle, vaikka vaadittiin noin 90 gigapascalin korkea paine. Kupraattisuprajohtimilla voi olla paljon korkeammat kriittiset lämpötilat: YBa2Cu3O7, yksi ensimmäisistä löydetyistä kupraattisuprajohteista, sen kriittinen lämpötila on 92 K, ja elohopeapohjaisia kupraatteja, joiden kriittiset lämpötilat ylittävät 130 K, on löydetty. Selitys näille korkeille kriittisille lämpötiloille on edelleen olemassa. tuntematon.
Fononivaihdosta johtuva elektronien pariutuminen selittää suprajohtavuuden tavanomaisissa suprajohtimissa, mutta ei selitä suprajohtavuutta uudemmissa suprajohtimissa, joiden kriittinen lämpötila on erittäin korkea.
Magneettiset kentät
Samaan tapaan kiinteässä lämpötilassa, joka on kriittisen lämpötilan alapuolella, suprajohtavat materiaalit lopettavat suprajohtamisen, kun ulkoinen magneettikenttä on suurempi kuinkriittinen magneettikenttä. Tämä johtuu siitä, että suprajohtavan vaiheen Gibbsin vapaa energia kasvaa neliöllisesti magneettikentän mukana, kun taas normaalivaiheen vapaa energia on suunnilleen riippumaton magneettikentästä.
Jos materiaali on suprajohtavaa kentän puuttuessa, suprajohtavan vaiheen vapaa energia on pienempi kuin normaalivaiheen vapaa energia ja siksi jollekin magneettikentän äärelliselle arvolle (suhteessa neliöön vapaiden energioiden eron juuri nollassa), nämä kaksi vapaata energiaa ovat yhtä suuret, ja tapahtuu vaihesiirtymä normaalivaiheeseen. Yleisemmin korkeampi lämpötila ja voimakkaampi magneettikenttä johtavat pienempään suprajohtavien elektronien osuuteen ja siten ulkoisten magneettikenttien ja virtojen suurempaan tunkeutumissyvyyteen Lontooseen. Tunkeutumissyvyydestä tulee ääretön vaihemuutoksessa.
Fyysinen
Suprajohtavuuden alkamiseen liittyy äkillisiä muutoksia erilaisissa fysikaalisissa ominaisuuksissa, mikä on faasisiirtymän tunnusmerkki. Esimerkiksi elektronien lämpökapasiteetti on verrannollinen lämpötilaan normaalissa (ei suprajohtavassa) tilassa. Suprajohtavassa siirtymässä se kokee hypyn ja sen jälkeen se lakkaa olemasta lineaarinen. Alhaisissa lämpötiloissa se muuttuu e−α/T:n sijaan jonkin vakion α:n kohdalla. Tämä eksponentiaalinen käyttäytyminen on yksi todiste energiaaukon olemassaolosta.
Vaihesiirtymä
Suprajohtavuusilmiön selitys on melkoinenilmeisesti. Suprajohtavan vaiheen siirtymän järjestyksestä on keskusteltu pitkään. Kokeet osoittavat, ettei ole olemassa toisen asteen siirtymää, eli piilevää lämpöä. Ulkoisen magneettikentän läsnäollessa piilevää lämpöä kuitenkin esiintyy, koska suprajohtavalla faasilla on pienempi entropia, alhaisempi kuin kriittinen lämpötila, kuin normaalifaasilla.
Kokeellisesti osoitettu seuraavaa: kun magneettikenttä kasvaa ja ylittää kriittisen kentän, tuloksena oleva vaihemuutos johtaa suprajohtavan materiaalin lämpötilan laskuun. Suprajohtavuuden ilmiötä on kuvattu lyhyesti yllä, nyt on aika kertoa sinulle tämän tärkeän vaikutuksen vivahteista.
1970-luvulla tehdyt laskelmat osoittivat, että se voi itse asiassa olla heikompi kuin ensimmäinen kertaluokka sähkömagneettisen kentän pitkän kantaman vaihtelujen vaikutuksesta. 1980-luvulla teoriassa osoitettiin häiriökenttäteorian avulla, jossa suprajohteiden pyörreviivat näyttelevät suurta roolia, että siirtymä on toisen kertaluvun tyyppi II -moodissa ja ensimmäisen kertaluvun (eli piilevä lämpö) tyypin I tilassa, ja että nämä kaksi aluetta erotetaan trikriittisellä pisteellä.
Tulokset vahvistivat vahvasti tietokonesimulaatiot Monte Carlossa. Tällä oli tärkeä rooli suprajohtavuusilmiön tutkimuksessa. Työ jatkuu tällä hetkellä. Suprajohtavuusilmiön olemusta ei täysin ymmärretä ja selitetä nykyajan tieteen näkökulmasta.
