Τι είναι το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας; Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο με μηδενική ηλεκτρική αντίσταση και απελευθέρωση πεδίων μαγνητικής ροής που εμφανίζονται σε ορισμένα υλικά, που ονομάζονται υπεραγωγοί, όταν ψύχονται κάτω από μια χαρακτηριστική κρίσιμη θερμοκρασία.
Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Ολλανδό φυσικό Heike Kamerling-Onnes στις 8 Απριλίου 1911 στο Leiden. Όπως ο σιδηρομαγνητισμός και οι ατομικές φασματικές γραμμές, η υπεραγωγιμότητα είναι ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο. Χαρακτηρίζεται από το φαινόμενο Meissner - μια πλήρη εκτόξευση γραμμών μαγνητικού πεδίου από το εσωτερικό του υπεραγωγού κατά τη μετάβασή του στην υπεραγώγιμη κατάσταση.
Αυτή είναι η ουσία του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας. Η εμφάνιση του φαινομένου Meissner δείχνει ότι η υπεραγωγιμότητα δεν μπορεί να κατανοηθεί απλώς ως εξιδανίκευση της ιδανικής αγωγιμότητας στην κλασική φυσική.
Τι είναι το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας
Η ηλεκτρική αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού μειώνεται σταδιακά καθώςμείωση της θερμοκρασίας. Σε κοινούς αγωγούς όπως ο χαλκός ή το ασήμι, αυτή η μείωση περιορίζεται από ακαθαρσίες και άλλα ελαττώματα. Ακόμη και κοντά στο απόλυτο μηδέν, ένα πραγματικό δείγμα ενός κανονικού αγωγού παρουσιάζει κάποια αντίσταση. Σε έναν υπεραγωγό, η αντίσταση πέφτει απότομα στο μηδέν όταν το υλικό ψύχεται κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία του. Το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ενός βρόχου υπεραγώγιμου σύρματος μπορεί να διατηρηθεί επ' αόριστον χωρίς πηγή ενέργειας. Αυτή είναι η απάντηση στο ερώτημα, ποιο είναι το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας.
Ιστορία
Το 1911, ενώ μελετούσε τις ιδιότητες της ύλης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ο Ολλανδός φυσικός Heike Kamerling Onnes και η ομάδα του ανακάλυψαν ότι η ηλεκτρική αντίσταση του υδραργύρου πέφτει στο μηδέν κάτω από τους 4,2 K (-269°C). Αυτή ήταν η πρώτη παρατήρηση του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας. Τα περισσότερα χημικά στοιχεία γίνονται υπεραγώγιμα σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες.
Κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, τα υλικά περνούν σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση, που χαρακτηρίζεται από δύο κύριες ιδιότητες: πρώτον, δεν αντιστέκονται στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν η αντίσταση πέσει στο μηδέν, το ρεύμα μπορεί να κυκλοφορήσει μέσα στο υλικό χωρίς διαρροή ενέργειας.
Δεύτερον, υπό την προϋπόθεση ότι είναι αρκετά αδύναμα, τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία δεν διαπερνούν τον υπεραγωγό, αλλά παραμένουν στην επιφάνειά του. Αυτό το φαινόμενο αποβολής πεδίου έγινε γνωστό ως φαινόμενο Meissner αφού παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από έναν φυσικό το 1933.
Τρία ονόματα, τρία γράμματα και μια ημιτελής θεωρία
Η συνηθισμένη φυσική δεν δίνει επαρκήεξηγήσεις της υπεραγώγιμης κατάστασης, καθώς και η στοιχειώδης κβαντική θεωρία της στερεάς κατάστασης, η οποία εξετάζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων χωριστά από τη συμπεριφορά των ιόντων σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα.
Μόλις το 1957, τρεις Αμερικανοί ερευνητές - ο John Bardeen, ο Leon Cooper και ο John Schrieffer δημιούργησαν τη μικροσκοπική θεωρία της υπεραγωγιμότητας. Σύμφωνα με τη θεωρία BCS τους, τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται σε ζεύγη μέσω αλληλεπίδρασης με δονήσεις πλέγματος (τα λεγόμενα "φωνόνια"), σχηματίζοντας έτσι ζεύγη Cooper που κινούνται χωρίς τριβή μέσα σε ένα στερεό. Ένα στερεό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πλέγμα θετικών ιόντων βυθισμένο σε ένα νέφος ηλεκτρονίων. Όταν ένα ηλεκτρόνιο διέρχεται από αυτό το πλέγμα, τα ιόντα κινούνται ελαφρώς, έλκονται από το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου. Αυτή η κίνηση δημιουργεί μια ηλεκτρικά θετική περιοχή, η οποία με τη σειρά της έλκει ένα άλλο ηλεκτρόνιο.
Η ενέργεια της ηλεκτρονικής αλληλεπίδρασης είναι αρκετά ασθενής και οι ατμοί μπορούν εύκολα να διασπαστούν από τη θερμική ενέργεια - επομένως η υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται συνήθως σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, η θεωρία BCS δεν παρέχει εξήγηση για την ύπαρξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας στους περίπου 80 K (-193 °C) και άνω, για τους οποίους πρέπει να εμπλέκονται άλλοι μηχανισμοί δέσμευσης ηλεκτρονίων. Η εφαρμογή του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας βασίζεται στην παραπάνω διαδικασία.
Θερμοκρασία
Το 1986, ορισμένα κεραμικά υλικά χαλκού-περοβσκίτη βρέθηκαν να έχουν κρίσιμες θερμοκρασίες πάνω από 90 K (-183 °C). Αυτή η υψηλή θερμοκρασία διασταύρωσης είναι θεωρητικάαδύνατο για έναν συμβατικό υπεραγωγό, με αποτέλεσμα τα υλικά να αναφέρονται ως υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας. Το διαθέσιμο ψυκτικό υγρό άζωτο βράζει στους 77 K, και επομένως η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές διευκολύνει πολλά πειράματα και εφαρμογές που είναι λιγότερο πρακτικές σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Αυτή είναι η απάντηση στο ερώτημα σε ποια θερμοκρασία εμφανίζεται το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας.
Ταξινόμηση
Οι υπεραγωγοί μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διάφορα κριτήρια που εξαρτώνται από το ενδιαφέρον μας για τις φυσικές τους ιδιότητες, από την κατανόηση που έχουμε για αυτούς, από το πόσο ακριβό είναι να ψύχονται ή από το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται.
Από τις μαγνητικές του ιδιότητες
Υπεραγωγοί τύπου I: αυτοί που έχουν μόνο ένα κρίσιμο πεδίο, Hc, και μεταβαίνουν απότομα από τη μια κατάσταση στην άλλη όταν επιτευχθεί.
Υπεραγωγοί τύπου II: έχουν δύο κρίσιμα πεδία, Hc1 και Hc2, είναι τέλειοι υπεραγωγοί κάτω από το κατώτερο κρίσιμο πεδίο (Hc1) και αφήνουν εντελώς την υπεραγώγιμη κατάσταση πάνω από το ανώτερο κρίσιμο πεδίο (Hc2), βρίσκονται σε μικτή κατάσταση μεταξύ τα κρίσιμα πεδία.
Όπως τους καταλαβαίνουμε για αυτά
Συνηθισμένοι υπεραγωγοί: αυτοί που μπορούν να εξηγηθούν πλήρως από τη θεωρία BCS ή σχετικές θεωρίες.
Μη συμβατικοί υπεραγωγοί: αυτοί που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας τέτοιες θεωρίες, για παράδειγμα: βαρύς φερμιονικόςυπεραγωγοί.
Αυτό το κριτήριο είναι σημαντικό επειδή η θεωρία BCS εξηγεί τις ιδιότητες των συμβατικών υπεραγωγών από το 1957, αλλά από την άλλη πλευρά, δεν υπάρχει ικανοποιητική θεωρία που να εξηγεί τους εντελώς αντισυμβατικούς υπεραγωγούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι υπεραγωγοί Τύπου Ι είναι συνηθισμένοι, αλλά υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις, όπως το νιόβιο, το οποίο είναι τόσο κοινό όσο και ο Τύπος II.
Από την κρίσιμη θερμοκρασία τους
Υπεραγωγοί χαμηλής θερμοκρασίας ή LTS: εκείνοι των οποίων η κρίσιμη θερμοκρασία είναι κάτω από 30 K.
Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας ή HTS: εκείνοι των οποίων η κρίσιμη θερμοκρασία είναι πάνω από 30 K. Ορισμένοι χρησιμοποιούν τώρα 77 K ως διαχωρισμό για να τονίσουν αν μπορούμε να ψύξουμε το δείγμα με υγρό άζωτο (του οποίου το σημείο βρασμού είναι 77 K), το οποίο είναι πολύ πιο εφικτό από το υγρό ήλιο (μια εναλλακτική λύση για την επίτευξη των θερμοκρασιών που απαιτούνται για την παραγωγή υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας).
Άλλες λεπτομέρειες
Ένας υπεραγωγός μπορεί να είναι τύπου Ι, που σημαίνει ότι έχει ένα μόνο κρίσιμο πεδίο, πάνω από το οποίο χάνεται όλη η υπεραγωγιμότητα και κάτω από το οποίο το μαγνητικό πεδίο εξαλείφεται εντελώς από τον υπεραγωγό. Τύπος II, που σημαίνει ότι έχει δύο κρίσιμα πεδία μεταξύ των οποίων επιτρέπει τη μερική διείσδυση του μαγνητικού πεδίου μέσω απομονωμένων σημείων. Αυτά τα σημεία ονομάζονται δίνες. Επιπλέον, σε υπεραγωγούς πολλαπλών συστατικών, είναι δυνατός ο συνδυασμός δύο συμπεριφορών. Σε αυτήν την περίπτωση, ο υπεραγωγός είναι τύπου 1, 5.
Ιδιότητες
Οι περισσότερες από τις φυσικές ιδιότητες των υπεραγωγών διαφέρουν από υλικό σε υλικό, όπως η θερμοχωρητικότητα και η κρίσιμη θερμοκρασία, το κρίσιμο πεδίο και η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος στην οποία διασπάται η υπεραγωγιμότητα.
Από την άλλη πλευρά, υπάρχει μια κατηγορία ιδιοτήτων που είναι ανεξάρτητες από το βασικό υλικό. Για παράδειγμα, όλοι οι υπεραγωγοί έχουν απολύτως μηδενική ειδική αντίσταση σε χαμηλά εφαρμοσμένα ρεύματα, όταν δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο ή όταν το εφαρμοζόμενο πεδίο δεν υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή.
Η παρουσία αυτών των καθολικών ιδιοτήτων υποδηλώνει ότι η υπεραγωγιμότητα είναι μια θερμοδυναμική φάση και επομένως έχει ορισμένες διακριτικές ιδιότητες που είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητες από μικροσκοπικές λεπτομέρειες.
Η κατάσταση είναι διαφορετική στον υπεραγωγό. Σε έναν συμβατικό υπεραγωγό, το υγρό ηλεκτρονίων δεν μπορεί να διαχωριστεί σε μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Αντίθετα, αποτελείται από δεσμευμένα ζεύγη ηλεκτρονίων γνωστά ως ζεύγη Cooper. Αυτή η σύζευξη προκαλείται από την ελκτική δύναμη μεταξύ των ηλεκτρονίων που προκύπτει από την ανταλλαγή φωνονίων. Λόγω της κβαντικής μηχανικής, το ενεργειακό φάσμα αυτού του υγρού του ζεύγους Cooper έχει ενεργειακό κενό, δηλαδή υπάρχει μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας ΔE που πρέπει να παρέχεται για να διεγείρει το υγρό.
Επομένως, εάν η ΔE είναι μεγαλύτερη από τη θερμική ενέργεια του πλέγματος που δίνεται από το kT, όπου k είναι η σταθερά Boltzmann και T η θερμοκρασία, το υγρό δεν θα διασκορπιστεί από το πλέγμα. ΈτσιΈτσι, το υγρό ατμών Cooper είναι υπερρευστό, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να ρέει χωρίς να διαχέει ενέργεια.
χαρακτηριστικά υπεραγωγιμότητας
Στα υπεραγώγιμα υλικά, τα χαρακτηριστικά υπεραγωγιμότητας εμφανίζονται όταν η θερμοκρασία T πέσει κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία Tc. Η τιμή αυτής της κρίσιμης θερμοκρασίας ποικίλλει από υλικό σε υλικό. Οι συμβατικοί υπεραγωγοί έχουν συνήθως κρίσιμες θερμοκρασίες που κυμαίνονται από περίπου 20 Κ έως λιγότερο από 1 Κ.
Για παράδειγμα, ο στερεός υδράργυρος έχει κρίσιμη θερμοκρασία 4,2 K. Από το 2015, η υψηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία που βρέθηκε για έναν συμβατικό υπεραγωγό είναι 203 K για το H2S, αν και απαιτούνταν υψηλή πίεση περίπου 90 gigapascals. Οι υπεραγωγοί χαλκού μπορεί να έχουν πολύ υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες: ο YBa2Cu3O7, ένας από τους πρώτους υπεραγωγούς χαλκού που ανακαλύφθηκαν, έχει κρίσιμη θερμοκρασία 92 Κ και έχουν βρεθεί χαλκούδες με βάση τον υδράργυρο με κρίσιμες θερμοκρασίες άνω των 130 Κ. Η εξήγηση για αυτές τις υψηλές κρίσιμες θερμοκρασίες παραμένει άγνωστο.
Η σύζευξη ηλεκτρονίων λόγω ανταλλαγών φωνονίων εξηγεί την υπεραγωγιμότητα σε συμβατικούς υπεραγωγούς, αλλά δεν εξηγεί την υπεραγωγιμότητα σε νεότερους υπεραγωγούς που έχουν πολύ υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία.
Μαγνητικά πεδία
Ομοίως, σε σταθερή θερμοκρασία κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, τα υπεραγώγιμα υλικά σταματούν να είναι υπεραγώγιμα όταν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο μεγαλύτερο απόκρίσιμο μαγνητικό πεδίο. Αυτό συμβαίνει επειδή η ελεύθερη ενέργεια Gibbs της υπεραγώγιμης φάσης αυξάνεται τετραγωνικά με το μαγνητικό πεδίο, ενώ η ελεύθερη ενέργεια της κανονικής φάσης είναι περίπου ανεξάρτητη από το μαγνητικό πεδίο.
Αν το υλικό είναι υπεραγώγιμο απουσία πεδίου, τότε η ελεύθερη ενέργεια της υπεραγώγιμης φάσης είναι μικρότερη από αυτή της κανονικής φάσης, και επομένως, για κάποια πεπερασμένη τιμή του μαγνητικού πεδίου (ανάλογη του τετραγώνου ρίζα της διαφοράς στις ελεύθερες ενέργειες στο μηδέν), οι δύο ελεύθερες ενέργειες θα είναι ίσες και θα υπάρξει μια μετάβαση φάσης στην κανονική φάση. Γενικότερα, μια υψηλότερη θερμοκρασία και ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο έχουν ως αποτέλεσμα μικρότερο ποσοστό υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων και επομένως μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης στο Λονδίνο εξωτερικών μαγνητικών πεδίων και ρευμάτων. Το βάθος διείσδυσης γίνεται άπειρο κατά τη μετάβαση φάσης.
Σωματική
Η έναρξη της υπεραγωγιμότητας συνοδεύεται από απότομες αλλαγές σε διάφορες φυσικές ιδιότητες, που είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα μιας μετάβασης φάσης. Για παράδειγμα, η θερμοχωρητικότητα ηλεκτρονίων είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία στο κανονικό (όχι υπεραγώγιμο) καθεστώς. Στην υπεραγώγιμη μετάβαση, βιώνει ένα άλμα και μετά παύει να είναι γραμμικό. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλάζει αντί για e−α/T για κάποια σταθερά α. Αυτή η εκθετική συμπεριφορά είναι ένα από τα στοιχεία για την ύπαρξη ενεργειακού χάσματος.
Μετάβαση φάσης
Η εξήγηση του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας είναι αρκετάπροφανώς. Η σειρά της μετάβασης της υπεραγώγιμης φάσης έχει συζητηθεί εδώ και πολύ καιρό. Τα πειράματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει μετάβαση δεύτερης τάξης, δηλαδή λανθάνουσα θερμότητα. Ωστόσο, παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, υπάρχει λανθάνουσα θερμότητα επειδή η υπεραγώγιμη φάση έχει χαμηλότερη εντροπία, χαμηλότερη από την κρίσιμη θερμοκρασία, από την κανονική φάση.
Πειραματικά απέδειξε το εξής: όταν το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται και υπερβαίνει το κρίσιμο πεδίο, η προκύπτουσα μετάβαση φάσης οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας του υπεραγώγιμου υλικού. Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας έχει περιγραφεί εν συντομία παραπάνω, τώρα ήρθε η ώρα να σας πούμε κάτι για τις αποχρώσεις αυτού του σημαντικού φαινομένου.
Υπολογισμοί που έγιναν στη δεκαετία του 1970 έδειξαν ότι θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι πιο αδύναμος από την πρώτη τάξη λόγω της επίδρασης των διακυμάνσεων μεγάλης εμβέλειας στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Στη δεκαετία του 1980, αποδείχθηκε θεωρητικά χρησιμοποιώντας τη θεωρία πεδίου αταξίας, στην οποία οι γραμμές στροβίλου υπεραγωγών παίζουν σημαντικό ρόλο, ότι η μετάβαση είναι δεύτερης τάξης στον τρόπο λειτουργίας τύπου II και πρώτης τάξης (δηλαδή, λανθάνουσα θερμότητα) στον τρόπο λειτουργίας τύπου Ι, και ότι οι δύο περιοχές χωρίζονται από ένα τρικρίσιμο σημείο.
Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν έντονα από προσομοιώσεις υπολογιστή στο Μόντε Κάρλο. Αυτό έπαιξε σημαντικό ρόλο στη μελέτη του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας. Το έργο συνεχίζεται προς το παρόν. Η ουσία του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας δεν είναι πλήρως κατανοητή και δεν εξηγείται από τη σκοπιά της σύγχρονης επιστήμης.
