Šta je fenomen supravodljivosti? Superprovodljivost je fenomen sa nultim električnim otporom i oslobađanjem polja magnetnog fluksa koji se javljaju u određenim materijalima, zvanim supravodnici, kada se ohlade ispod karakteristične kritične temperature.
Fenomen je otkrio holandski fizičar Heike Kamerling-Onnes 8. aprila 1911. u Leidenu. Kao i feromagnetizam i atomske spektralne linije, supravodljivost je kvantno-mehanički fenomen. Karakteriše ga Meissnerov efekat - potpuno izbacivanje linija magnetnog polja iz unutrašnjosti supravodnika tokom njegovog prelaska u supravodljivo stanje.
Ovo je suština fenomena supravodljivosti. Pojava Meissnerovog efekta ukazuje da se supravodljivost ne može shvatiti jednostavno kao idealizacija idealne provodljivosti u klasičnoj fizici.
Šta je fenomen supravodljivosti
Električni otpor metalnog provodnika postepeno opada kaosnižavanje temperature. U uobičajenim provodnicima kao što su bakar ili srebro, ovo smanjenje je ograničeno nečistoćama i drugim defektima. Čak i blizu apsolutne nule, pravi uzorak normalnog provodnika pokazuje određeni otpor. U supraprovodniku otpor naglo pada na nulu kada se materijal ohladi ispod kritične temperature. Električna struja kroz petlju supravodljive žice može se održavati neograničeno bez izvora napajanja. Ovo je odgovor na pitanje šta je fenomen supravodljivosti.
Historija
Godine 1911, dok su proučavali svojstva materije na veoma niskim temperaturama, holandski fizičar Heike Kamerling Onnes i njegov tim otkrili su da električni otpor žive pada na nulu ispod 4,2 K (-269°C). Ovo je bilo prvo zapažanje fenomena supravodljivosti. Većina hemijskih elemenata postaje supravodljiva na dovoljno niskim temperaturama.
Ispod određene kritične temperature, materijali prelaze u supravodljivo stanje, koje karakterišu dva glavna svojstva: prvo, ne opiru se prolazu električne struje. Kada otpor padne na nulu, struja može cirkulirati unutar materijala bez rasipanja energije.
Drugo, pod uslovom da su dovoljno slaba, vanjska magnetna polja ne prodiru u supravodnik, već ostaju na njegovoj površini. Ovaj fenomen izbacivanja polja postao je poznat kao Meissnerov efekat nakon što ga je prvi primijetio fizičar 1933.
Tri imena, tri slova i nepotpuna teorija
Obična fizika ne daje adekvatanobjašnjenja supravodljivog stanja, kao i elementarna kvantna teorija čvrstog stanja, koja razmatra ponašanje elektrona odvojeno od ponašanja jona u kristalnoj rešetki.
Tek 1957. godine trojica američkih istraživača - John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer stvorili su mikroskopsku teoriju supravodljivosti. Prema njihovoj BCS teoriji, elektroni se skupljaju u parove kroz interakciju s vibracijama rešetke (tzv. "fononi"), formirajući tako Cooper parove koji se kreću bez trenja unutar čvrstog tijela. Čvrsto tijelo se može posmatrati kao rešetka pozitivnih jona uronjenih u oblak elektrona. Kada elektron prođe kroz ovu rešetku, ioni se lagano kreću, privlačeći ih negativni naboj elektrona. Ovo kretanje generiše električno pozitivno područje, koje zauzvrat privlači drugi elektron.
Energija elektronske interakcije je prilično slaba, a pare se lako mogu razbiti toplotnom energijom - tako da se supravodljivost obično javlja na vrlo niskim temperaturama. Međutim, BCS teorija ne pruža objašnjenje za postojanje visokotemperaturnih supravodiča na oko 80 K (-193 °C) i više, za koje moraju biti uključeni drugi mehanizmi vezivanja elektrona. Primjena fenomena supravodljivosti zasniva se na gore navedenom procesu.
Temperatura
Godine 1986. pronađeno je da neki kuprat-perovskit keramički materijali imaju kritične temperature iznad 90 K (-183 °C). Ova visoka temperatura spoja je teoretskinemoguće za konvencionalni supravodič, što dovodi do toga da se materijali nazivaju visokotemperaturnim supravodičima. Dostupni rashladni tečni dušik ključa na 77 K, pa supravodljivost na temperaturama višim od ovih olakšava mnoge eksperimente i primjene koje su manje praktične na nižim temperaturama. Ovo je odgovor na pitanje na kojoj temperaturi se javlja fenomen supravodljivosti.
Klasifikacija
Superprovodnici se mogu klasifikovati prema nekoliko kriterijuma koji zavise od našeg interesovanja za njihova fizička svojstva, od razumevanja koje imamo o njima, od toga koliko je skupo njihovo hlađenje ili od materijala od kojeg su napravljeni.
Po svojim magnetnim svojstvima
Superprovodnici tipa I: oni koji imaju samo jedno kritično polje, Hc, i naglo prelaze iz jednog stanja u drugo kada se dostigne.
Superprovodnici tipa II: imaju dva kritična polja, Hc1 i Hc2, koji su savršeni supraprovodnici ispod donjeg kritičnog polja (Hc1) i potpuno napuštaju supravodljivo stanje iznad gornjeg kritičnog polja (Hc2), nalazeći se u mješovitom stanju između kritična polja
Kako ih razumijemo o njima
Obični superprovodnici: oni koji se mogu u potpunosti objasniti BCS teorijom ili srodnim teorijama.
Nekonvencionalni supravodiči: oni koji se ne mogu objasniti pomoću takvih teorija, na primjer: teški fermionskisuperprovodnici.
Ovaj kriterij je važan jer BCS teorija objašnjava svojstva konvencionalnih supravodiča od 1957. godine, ali s druge strane, ne postoji zadovoljavajuća teorija koja bi objasnila potpuno nekonvencionalne supravodiče. U većini slučajeva, supraprovodnici tipa I su uobičajeni, ali postoji nekoliko izuzetaka, kao što je niobij, koji je uobičajen i tip II.
Po njihovoj kritičnoj temperaturi
Superprovodnici niske temperature, ili LTS: oni čija je kritična temperatura ispod 30 K.
Visokotemperaturni superprovodnici, ili HTS: oni čija je kritična temperatura iznad 30 K. Neki sada koriste 77 K kao razdvajanje da bi naglasili da li možemo ohladiti uzorak tečnim dušikom (čija je tačka ključanja 77 K), što je mnogo izvodljiviji od tekućeg helijuma (alternativa za dostizanje temperatura potrebnih za proizvodnju superprovodnika niskih temperatura).
Ostali detalji
Superprovodnik može biti tipa I, što znači da ima jedno kritično polje, iznad kojeg se gubi sva supravodljivost, a ispod kojeg je magnetsko polje potpuno eliminisano iz supraprovodnika. Tip II, što znači da ima dva kritična polja između kojih dozvoljava djelomični prodor magnetnog polja kroz izolovane tačke. Ove tačke se nazivaju vrtlozi. Osim toga, u višekomponentnim supravodičima moguća je kombinacija dva ponašanja. U ovom slučaju, superprovodnik je tipa 1, 5.
Properties
Većina fizičkih svojstava superprovodnika varira od materijala do materijala, kao što su toplotni kapacitet i kritična temperatura, kritično polje i kritična gustina struje pri kojoj se supravodljivost razbija.
S druge strane, postoji klasa svojstava koja su nezavisna od osnovnog materijala. Na primjer, svi supraprovodnici imaju apsolutno nultu otpornost pri niskim primijenjenim strujama, kada nema magnetnog polja, ili kada primijenjeno polje ne prelazi kritičnu vrijednost.
Prisustvo ovih univerzalnih svojstava implicira da je supravodljivost termodinamička faza i stoga ima određena karakteristična svojstva koja su u velikoj mjeri nezavisna od mikroskopskih detalja.
Situacija je drugačija u superprovodniku. U konvencionalnom superprovodniku, elektronska tečnost se ne može razdvojiti na pojedinačne elektrone. Umjesto toga, sastoji se od vezanih parova elektrona poznatih kao Cooperovi parovi. Ovo uparivanje je uzrokovano privlačnom silom između elektrona koja je rezultat razmjene fonona. Zbog kvantne mehanike, energetski spektar ove tečnosti Cooperovog para ima energetski jaz, odnosno postoji minimalna količina energije ΔE koja se mora isporučiti da bi se tečnost pobuđivala.
Prema tome, ako je ΔE veća od toplotne energije rešetke date sa kT, gdje je k Boltzmannova konstanta, a T temperatura, tečnost neće biti raspršena rešetkom. DakleDakle, tečnost Cooperove pare je superfluidna, što znači da može teći bez rasipanja energije.
Karakteristike superprovodljivosti
U supravodljivim materijalima, karakteristike supravodljivosti se pojavljuju kada temperatura T padne ispod kritične temperature Tc. Vrijednost ove kritične temperature varira od materijala do materijala. Konvencionalni superprovodnici obično imaju kritične temperature u rasponu od oko 20 K do manje od 1 K.
Na primjer, čvrsta živa ima kritičnu temperaturu od 4,2 K. Od 2015. godine, najviša kritična temperatura pronađena za konvencionalni supravodič je 203 K za H2S, iako je bio potreban visok pritisak od oko 90 gigapaskala. Kupratni superprovodnici mogu imati mnogo više kritične temperature: YBa2Cu3O7, jedan od prvih otkrivenih kupratnih superprovodnika, ima kritičnu temperaturu od 92 K, a pronađeni su kuprati na bazi žive sa kritičnim temperaturama većim od 130 K. Objašnjenje za ove visoke kritične temperature ostaje nepoznato.
Uparivanje elektrona zbog razmjene fonona objašnjava supravodljivost u konvencionalnim supravodičima, ali ne objašnjava supravodljivost u novijim supravodičima koji imaju vrlo visoku kritičnu temperaturu..
Magnetna polja
Slično, na fiksnoj temperaturi ispod kritične temperature, supravodljivi materijali prestaju da budu supravodljivi kada se primeni spoljašnje magnetsko polje koje je veće odkritično magnetno polje. To je zato što Gibbsova slobodna energija supravodljive faze raste kvadratno sa magnetnim poljem, dok je slobodna energija normalne faze približno nezavisna od magnetnog polja.
Ako je materijal supravodljiv u odsustvu polja, tada je slobodna energija supravodljive faze manja od one normalne faze, pa je stoga za neku konačnu vrijednost magnetnog polja (proporcionalno kvadratu korijen razlike slobodnih energija na nuli), dvije slobodne energije će biti jednake i doći će do faznog prijelaza u normalnu fazu. Općenito, viša temperatura i jače magnetsko polje rezultiraju manjim udjelom supravodljivih elektrona i stoga većom dubinom prodiranja vanjskih magnetnih polja i struja u London. Dubina penetracije postaje beskonačna na faznom prelazu.
Fizički
Početak supravodljivosti je praćen naglim promjenama u različitim fizičkim svojstvima, što je obilježje faznog prijelaza. Na primjer, toplinski kapacitet elektrona je proporcionalan temperaturi u normalnom (ne supravodljivom) režimu. U supravodljivoj tranziciji doživljava skok i nakon toga prestaje biti linearan. Na niskim temperaturama mijenja se umjesto e−α/T za neku konstantu α. Ovo eksponencijalno ponašanje je jedan od dokaza za postojanje energetskog jaza.
Fazni prijelaz
Objašnjenje fenomena supravodljivosti je priličnoočigledno. O redoslijedu supravodljivog faznog prijelaza raspravljalo se dugo vremena. Eksperimenti pokazuju da ne postoji prelaz drugog reda, odnosno latentna toplota. Međutim, u prisustvu vanjskog magnetnog polja, postoji latentna toplina jer supravodljiva faza ima nižu entropiju, nižu od kritične temperature, od normalne faze.
Eksperimentalno je demonstrirano sljedeće: kada se magnetsko polje povećava i prelazi kritično polje, rezultirajući fazni prijelaz dovodi do smanjenja temperature supravodljivog materijala. Fenomen supravodljivosti je ukratko opisan gore, sada je vrijeme da vam kažem nešto o nijansama ovog važnog efekta.
Proračuni napravljeni 1970-ih pokazali su da bi u stvari mogao biti slabiji od prvog reda zbog uticaja fluktuacija dugog dometa u elektromagnetnom polju. 1980-ih godina teoretski je pokazano korištenjem teorije polja nereda, u kojoj supravodničke vrtložne linije igraju glavnu ulogu, da je prijelaz drugog reda u modu tipa II i prvog reda (tj. latentna toplina) u modu tipa I, i da su dva regiona odvojena trikritičnom tačkom.
Rezultati su snažno potvrđeni kompjuterskim simulacijama u Monte Carlu. Ovo je odigralo važnu ulogu u proučavanju fenomena supravodljivosti. Radovi se nastavljaju i sada. Suština fenomena supravodljivosti nije u potpunosti shvaćena i objašnjena sa stanovišta moderne nauke.
