Wat is die verskynsel van supergeleiding? Supergeleiding is 'n verskynsel met geen elektriese weerstand en die vrystelling van magnetiese vloedvelde wat voorkom in sekere materiale, genoem supergeleiers, wanneer dit onder 'n kenmerkende kritieke temperatuur afgekoel word.
Die verskynsel is op 8 April 1911 in Leiden deur die Nederlandse fisikus Heike Kamerling-Onnes ontdek. Soos ferromagnetisme en atoomspektrale lyne, is supergeleiding 'n kwantummeganiese verskynsel. Dit word gekenmerk deur die Meissner-effek - 'n volledige uitwerping van magnetiese veldlyne van binne die supergeleier tydens sy oorgang na die supergeleidende toestand.
Dit is die essensie van die verskynsel van supergeleiding. Die ontstaan van die Meissner-effek dui daarop dat supergeleiding nie bloot as 'n idealisering van ideale geleiding in klassieke fisika verstaan kan word nie.
Wat is die verskynsel van supergeleiding
Die elektriese weerstand van 'n metaalgeleier neem geleidelik af soosdie temperatuur te verlaag. In gewone geleiers soos koper of silwer word hierdie reduksie beperk deur onsuiwerhede en ander defekte. Selfs naby absolute nul toon 'n werklike monster van 'n normale geleier 'n mate van weerstand. In 'n supergeleier daal die weerstand skerp tot nul wanneer die materiaal onder sy kritieke temperatuur afgekoel word. Elektriese stroom deur 'n lus van supergeleidende draad kan onbepaald in stand gehou word sonder 'n kragbron. Dit is die antwoord op die vraag, wat is die verskynsel van supergeleiding.
Geskiedenis
In 1911, terwyl hulle die eienskappe van materie by baie lae temperature bestudeer het, het die Nederlandse fisikus Heike Kamerling Onnes en sy span ontdek dat die elektriese weerstand van kwik tot nul onder 4,2 K (-269°C) daal. Dit was die heel eerste waarneming van die verskynsel van supergeleiding. Die meeste chemiese elemente word supergeleidend by lae genoeg temperature.
Onder 'n sekere kritieke temperatuur gaan materiale oor in 'n supergeleidende toestand, gekenmerk deur twee hoofeienskappe: eerstens, hulle weerstaan nie die deurgang van elektriese stroom nie. Wanneer weerstand tot nul daal, kan stroom binne die materiaal sirkuleer sonder energie-dissipasie.
Tweedens, mits hulle voldoende swak is, dring eksterne magnetiese velde nie die supergeleier binne nie, maar bly op sy oppervlak. Hierdie veldverdrywingsverskynsel het bekend geword as die Meissner-effek nadat dit die eerste keer in 1933 deur 'n fisikus waargeneem is.
Drie name, drie letters en 'n onvolledige teorie
Gewone fisika gee nie voldoende nieverduidelikings van die supergeleidende toestand, sowel as die elementêre kwantumteorie van die vaste toestand, wat die gedrag van elektrone afsonderlik van die gedrag van ione in 'n kristalrooster beskou.
Slegs in 1957 het drie Amerikaanse navorsers – John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer die mikroskopiese teorie van supergeleiding geskep. Volgens hul BCS-teorie groepeer elektrone in pare deur interaksie met roostervibrasies (sogenaamde "fonone"), en vorm dus Cooper-pare wat sonder wrywing binne 'n vaste stof beweeg. 'n Vaste stof kan gesien word as 'n rooster van positiewe ione wat in 'n wolk elektrone gedompel is. Wanneer 'n elektron deur hierdie rooster beweeg, beweeg die ione effens en word deur die elektron se negatiewe lading aangetrek. Hierdie beweging genereer 'n elektries positiewe gebied, wat weer 'n ander elektron lok.
Die energie van die elektroniese interaksie is redelik swak, en dampe kan maklik deur termiese energie opgebreek word - so supergeleiding vind gewoonlik by baie lae temperature plaas. Die BCS-teorie verskaf egter nie 'n verduideliking vir die bestaan van hoë-temperatuur supergeleiers by ongeveer 80 K (-193 °C) en hoër, waarvoor ander elektronbindende meganismes betrokke moet wees nie. Die toepassing van die verskynsel van supergeleiding is gebaseer op die bogenoemde proses.
Temperatuur
In 1986 is gevind dat sommige kupraat-perovskiet-keramiekmateriale kritieke temperature bo 90 K (-183 °C) het. Hierdie hoë aansluitingstemperatuur is teoretiesonmoontlik vir 'n konvensionele supergeleiers, wat daartoe lei dat materiale na verwys word as hoë-temperatuur supergeleiers. Beskikbare verkoelende vloeibare stikstof kook by 77 K, en dus fasiliteer supergeleiding by temperature hoër as hierdie baie eksperimente en toepassings wat minder prakties by laer temperature is. Dit is die antwoord op die vraag by watter temperatuur kom die verskynsel van supergeleiding voor.
Klassifikasie
Suprageleiers kan geklassifiseer word volgens verskeie kriteria wat afhang van ons belangstelling in hul fisiese eienskappe, van die begrip wat ons daaroor het, van hoe duur dit is om hulle af te koel, of van die materiaal waarvan hulle gemaak is.
Deur sy magnetiese eienskappe
Tipe I supergeleiers: dié wat net een kritieke veld, Hc, het en skielik van een toestand na 'n ander oorgaan wanneer dit bereik word.
Tipe II supergeleiers: met twee kritiese velde, Hc1 en Hc2, synde perfekte supergeleiers onder die onderste kritiese veld (Hc1) en verlaat die supergeleidende toestand heeltemal bo die boonste kritiese veld (Hc2), en is in 'n gemengde toestand tussen die kritieke velde.
Soos ons hulle oor hulle verstaan
Gewone supergeleiers: dié wat volledig deur BCS-teorie of verwante teorieë verklaar kan word.
Onkonvensionele supergeleiers: dié wat nie met behulp van sulke teorieë verduidelik kon word nie, byvoorbeeld: swaar fermioniesesupergeleiers.
Hierdie maatstaf is belangrik omdat die BCS-teorie die eienskappe van konvensionele supergeleiers sedert 1957 verduidelik, maar aan die ander kant was daar geen bevredigende teorie om die heeltemal onkonvensionele supergeleiers te verduidelik nie. In die meeste gevalle is Tipe I supergeleiers algemeen, maar daar is 'n paar uitsonderings, soos niobium, wat beide algemeen en Tipe II is.
Deur hul kritieke temperatuur
Lae temperatuur supergeleiers, of LTS: dié wie se kritieke temperatuur onder 30 K is.
Hoë temperatuur supergeleiers, of HTS: diegene wie se kritieke temperatuur bo 30 K is. Sommige gebruik nou 77 K as 'n skeiding om te beklemtoon of ons die monster kan afkoel met vloeibare stikstof (wie se kookpunt 77 K is), wat is baie meer haalbaar as vloeibare helium ('n alternatief om die temperature te bereik wat nodig is om lae-temperatuur supergeleiers te produseer).
Ander besonderhede
'n Supergeleier kan tipe I wees, wat beteken dat dit 'n enkele kritieke veld het, waarbo alle supergeleiding verlore gaan, en waaronder die magneetveld heeltemal uit die supergeleier geëlimineer word. Tipe II, wat beteken dat dit twee kritieke velde het waartussen dit gedeeltelike penetrasie van die magnetiese veld deur geïsoleerde punte toelaat. Hierdie punte word vorteks genoem. Daarbenewens, in multikomponent supergeleiers, is 'n kombinasie van twee gedrag moontlik. In hierdie geval is die supergeleier van tipe 1, 5.
Properties
Die meeste van die fisiese eienskappe van supergeleiers verskil van materiaal tot materiaal, soos hittekapasiteit en kritieke temperatuur, kritieke veld en kritieke stroomdigtheid waarteen supergeleiding afbreek.
Aan die ander kant is daar 'n klas eienskappe wat onafhanklik is van die basismateriaal. Byvoorbeeld, alle supergeleiers het absoluut nul weerstand by lae toegepaste strome, wanneer daar geen magnetiese veld is nie, of wanneer die toegepaste veld nie 'n kritieke waarde oorskry nie.
Die teenwoordigheid van hierdie universele eienskappe impliseer dat supergeleiding 'n termodinamiese fase is en daarom sekere kenmerkende eienskappe het wat grootliks onafhanklik is van mikroskopiese besonderhede.
Die situasie is anders in die supergeleier. In 'n konvensionele supergeleier kan die elektronvloeistof nie in individuele elektrone geskei word nie. In plaas daarvan bestaan dit uit gebonde pare elektrone bekend as Cooper-pare. Hierdie paring word veroorsaak deur die aantrekkingskrag tussen elektrone wat voortspruit uit die uitruil van fonone. As gevolg van kwantummeganika het die energiespektrum van hierdie vloeistof van die Cooper-paar 'n energiegaping, dit wil sê daar is 'n minimum hoeveelheid energie ΔE wat verskaf moet word om die vloeistof te prikkel.
Daarom, as ΔE groter is as die termiese energie van die rooster gegee deur kT, waar k die Boltzmann-konstante is en T die temperatuur is, sal die vloeistof nie deur die rooster gestrooi word nie. DusDie Cooper-dampvloeistof is dus supervloeibaar, wat beteken dat dit kan vloei sonder om energie te verdryf.
Suprageleidingskenmerke
In supergeleidende materiale verskyn supergeleidingskenmerke wanneer die temperatuur T onder die kritieke temperatuur Tc daal. Die waarde van hierdie kritieke temperatuur verskil van materiaal tot materiaal. Konvensionele supergeleiers het tipies kritieke temperature wat wissel van ongeveer 20 K tot minder as 1 K.
Soliede kwik het byvoorbeeld 'n kritieke temperatuur van 4,2 K. Vanaf 2015 is die hoogste kritieke temperatuur wat vir 'n konvensionele supergeleier gevind is 203 K vir H2S, hoewel 'n hoë druk van ongeveer 90 gigapascal vereis is. Kopraat supergeleiers kan baie hoër kritiese temperature hê: YBa2Cu3O7, een van die eerste cuprate supergeleiers wat ontdek is, het 'n kritieke temperatuur van 92 K, en kwik-gebaseerde cuprates met kritieke temperature van meer as 130 K is gevind. Die verduideliking vir hierdie hoë kritieke temperature bly onbekend.
Elektronparing as gevolg van fononuitruilings verklaar supergeleiding in konvensionele supergeleiers, maar verduidelik nie supergeleiding in nuwer supergeleiers wat 'n baie hoë kritieke temperatuur het nie.
Magnetiese velde
Net so, by 'n vaste temperatuur onder die kritieke temperatuur, hou supergeleidende materiale op om supergeleier te wees wanneer 'n eksterne magnetiese veld aangewend word wat groter is askritiese magnetiese veld. Dit is omdat die Gibbs vrye energie van die supergeleidende fase kwadraties toeneem met die magnetiese veld, terwyl die vrye energie van die normale fase ongeveer onafhanklik van die magnetiese veld is.
As die materiaal supergeleidend is in die afwesigheid van 'n veld, dan is die vrye energie van die supergeleidende fase minder as dié van die normale fase, en dus vir een of ander eindige waarde van die magnetiese veld (proporsioneel tot die vierkant) wortel van die verskil in vrye energieë op nul), sal die twee vrye energieë gelyk wees, en daar sal 'n fase-oorgang na die normale fase wees. Meer algemeen lei 'n hoër temperatuur en 'n sterker magnetiese veld tot 'n kleiner proporsie supergeleidende elektrone en dus 'n groter diepte van penetrasie in Londen van eksterne magnetiese velde en strome. Die penetrasiediepte word oneindig by die fase-oorgang.
Fisiek
Die aanvang van supergeleiding gaan gepaard met abrupte veranderinge in verskeie fisiese eienskappe, wat die kenmerk van 'n fase-oorgang is. Byvoorbeeld, die elektronhittekapasiteit is eweredig aan die temperatuur in die normale (nie supergeleidende) regime. By die supergeleidende oorgang ervaar dit 'n sprong en daarna hou dit op om lineêr te wees. By lae temperature verander dit in plaas van e−α/T vir een of ander konstante α. Hierdie eksponensiële gedrag is een van die bewyse vir die bestaan van 'n energiegaping.
Fase-oorgang
Die verduideliking van die verskynsel van supergeleiding is redeliknatuurlik. Die volgorde van die supergeleidende fase-oorgang is al lank bespreek. Eksperimente toon dat daar geen tweede-orde oorgang is nie, dit wil sê latente hitte. In die teenwoordigheid van 'n eksterne magnetiese veld is daar egter latente hitte omdat die supergeleidende fase 'n laer entropie het, laer as die kritieke temperatuur, as die normale fase.
Eksperimenteel gedemonstreer die volgende: wanneer die magnetiese veld toeneem en verby die kritieke veld gaan, lei die gevolglike fase-oorgang tot 'n afname in die temperatuur van die supergeleidende materiaal. Die verskynsel van supergeleiding is kortliks hierbo beskryf, nou is dit tyd om vir jou iets te vertel oor die nuanses van hierdie belangrike effek.
Berekeninge wat in die 1970's gemaak is, het getoon dat dit in werklikheid swakker as die eerste orde kan wees as gevolg van die invloed van langafstandskommelings in die elektromagnetiese veld. In die 1980's is dit teoreties aangetoon met behulp van wanordeveldteorie, waarin supergeleierkolklyne 'n groot rol speel, dat die oorgang tweede orde is in die tipe II-modus en eerste orde (d.w.s. latente hitte) in die tipe I-modus, en dat die twee streke deur 'n driekritiese punt geskei word.
Die resultate is sterk bevestig deur rekenaarsimulasies in Monte Carlo. Dit het 'n belangrike rol gespeel in die studie van die verskynsel van supergeleiding. Die werk gaan tans voort. Die essensie van die verskynsel van supergeleiding word nie ten volle verstaan en verduidelik vanuit die oogpunt van die moderne wetenskap nie.
