Kas ir supravadītspējas fenomens? Supravadītspēja ir parādība ar nulles elektrisko pretestību un magnētisko plūsmas lauku izdalīšanos, kas rodas noteiktos materiālos, ko sauc par supravadītājiem, ja tos atdzesē zem raksturīgās kritiskās temperatūras.
Šo fenomenu atklāja holandiešu fiziķis Heike Kamerling-Onnes 1911. gada 8. aprīlī Leidenē. Tāpat kā feromagnētisms un atomu spektrālās līnijas, supravadītspēja ir kvantu mehāniska parādība. To raksturo Meisnera efekts - pilnīga magnētiskā lauka līniju izmešana no supravadītāja iekšpuses, pārejot supravadītāja stāvoklī.
Šī ir supravadītspējas fenomena būtība. Meisnera efekta parādīšanās liecina, ka supravadītspēju nevar saprast vienkārši kā ideālas vadītspējas idealizāciju klasiskajā fizikā.
Kas ir supravadītspējas fenomens
Metāla vadītāja elektriskā pretestība pakāpeniski samazinās kātemperatūras pazemināšana. Parastojos vados, piemēram, vara vai sudraba, šo samazinājumu ierobežo piemaisījumi un citi defekti. Pat tuvu absolūtai nullei reāls parasta vadītāja paraugs parāda zināmu pretestību. Supravadītājā pretestība strauji samazinās līdz nullei, kad materiāls tiek atdzesēts zem kritiskās temperatūras. Elektrisko strāvu caur supravadoša stieples cilpu var uzturēt bezgalīgi bez strāvas avota. Šī ir atbilde uz jautājumu, kas ir supravadītspējas fenomens.
Vēsture
1911. gadā, pētot matērijas īpašības ļoti zemās temperatūrās, holandiešu fiziķis Heike Kamerlings Onness un viņa komanda atklāja, ka dzīvsudraba elektriskā pretestība nokrītas līdz nullei zem 4,2 K (-269°C). Šis bija pirmais supravadītspējas fenomena novērojums. Lielākā daļa ķīmisko elementu kļūst supravadoši pietiekami zemā temperatūrā.
Materiāli zem noteiktas kritiskās temperatūras nonāk supravadītājā stāvoklī, kam raksturīgas divas galvenās īpašības: pirmkārt, tie neiztur elektriskās strāvas pāreju. Kad pretestība nokrītas līdz nullei, strāva var cirkulēt materiālā bez enerģijas izkliedes.
Otrkārt, ja tie ir pietiekami vāji, ārējie magnētiskie lauki neiekļūst supravadītājā, bet paliek uz tā virsmas. Šī lauka izstumšanas parādība kļuva pazīstama kā Meisnera efekts pēc tam, kad fiziķis to pirmo reizi novēroja 1933. gadā.
Trīs vārdi, trīs burti un nepilnīga teorija
Parastā fizika nedod adekvātusupravadītāja stāvokļa skaidrojumi, kā arī elementārā cietā stāvokļa kvantu teorija, kas aplūko elektronu uzvedību atsevišķi no jonu uzvedības kristāla režģī.
Tikai 1957. gadā trīs amerikāņu pētnieki – Džons Bārdīns, Leons Kūpers un Džons Šrīfers izveidoja mikroskopisko supravadītspējas teoriju. Saskaņā ar viņu BCS teoriju elektroni saplūst pāros, mijiedarbojoties ar režģa vibrācijām (tā sauktajiem "fononiem"), tādējādi veidojot Kūpera pārus, kas pārvietojas bez berzes cietā vielā. Cietu vielu var uzskatīt par pozitīvo jonu režģi, kas iegremdēts elektronu mākonī. Kad elektrons iziet cauri šim režģim, joni nedaudz pārvietojas, tos piesaista elektrona negatīvais lādiņš. Šī kustība ģenerē elektriski pozitīvu apgabalu, kas savukārt piesaista vēl vienu elektronu.
Elektroniskās mijiedarbības enerģija ir diezgan vāja, un tvaikus var viegli sadalīt siltuma enerģijas ietekmē, tāpēc supravadītspēja parasti rodas ļoti zemā temperatūrā. Tomēr BCS teorija nesniedz skaidrojumu augstas temperatūras supravadītāju esamībai aptuveni 80 K (-193 °C) un augstāk, kuriem ir jāiesaista citi elektronu saistīšanas mehānismi. Supravadītspējas fenomena pielietojuma pamatā ir iepriekšminētais process.
Temperatūra
1986. gadā dažiem kuprāta-perovskīta keramikas materiāliem tika konstatēta kritiskā temperatūra virs 90 K (-183 °C). Šī augstā savienojuma temperatūra teorētiski irtas nav iespējams parastajiem supravadītājiem, kā rezultātā materiāli tiek saukti par augstas temperatūras supravadītājiem. Pieejamais dzesēšanas šķidrais slāpeklis vārās 77 K temperatūrā, un tādējādi supravadītspēja temperatūrā, kas ir augstāka par šo, atvieglo daudzus eksperimentus un lietojumus, kas ir mazāk praktiski zemākā temperatūrā. Šī ir atbilde uz jautājumu, kādā temperatūrā notiek supravadītspēja.
Klasifikācija
Supravadītājus var klasificēt pēc vairākiem kritērijiem, kas ir atkarīgi no mūsu intereses par to fizikālajām īpašībām, no mūsu izpratnes par tiem, no tā, cik dārgi ir to dzesēšana, vai no materiāla, no kura tie ir izgatavoti.
Pēc tā magnētiskajām īpašībām
I tipa supravadītāji: tie, kuriem ir tikai viens kritiskais lauks Hc, un tie pēkšņi pāriet no viena stāvokļa citā, kad tas tiek sasniegts.
II tipa supravadītāji: tiem ir divi kritiskie lauki, Hc1 un Hc2, kas ir ideāli supravadītāji zem apakšējā kritiskā lauka (Hc1) un pilnībā atstāj supravadītāju stāvokli virs augšējā kritiskā lauka (Hc2), ir jauktā stāvoklī starp kritiskie lauki.
Kā mēs tos saprotam
Parastie supravadītāji: tie, kurus var pilnībā izskaidrot ar BCS teoriju vai radniecīgām teorijām.
Netradicionāli supravadītāji: tie, kurus nevar izskaidrot, izmantojot šādas teorijas, piemēram: smagie fermionisupravadītāji.
Šis kritērijs ir svarīgs, jo BCS teorija ir izskaidrojusi parasto supravadītāju īpašības kopš 1957. gada, bet, no otras puses, nav bijis apmierinošas teorijas, kas izskaidrotu pilnīgi netradicionālos supravadītājus. Vairumā gadījumu I tipa supravadītāji ir izplatīti, taču ir daži izņēmumi, piemēram, niobijs, kas ir gan izplatīts, gan II tips.
Pēc kritiskās temperatūras
Zemas temperatūras supravadītāji jeb LTS: tie, kuru kritiskā temperatūra ir zem 30 K.
Augstas temperatūras supravadītāji jeb HTS: tie, kuru kritiskā temperatūra ir virs 30 K. Daži tagad izmanto 77 K kā atdalīšanu, lai uzsvērtu, vai mēs varam atdzesēt paraugu ar šķidro slāpekli (kura viršanas temperatūra ir 77 K), kas ir daudz izdevīgāks nekā šķidrais hēlijs (alternatīva temperatūras sasniegšanai, kas nepieciešama zemas temperatūras supravadītāju ražošanai).
Cita informācija
Supravadītājs var būt I tipa, kas nozīmē, ka tam ir viens kritiskais lauks, virs kura tiek zaudēta visa supravadītspēja un zem kura magnētiskais lauks no supravadītāja tiek pilnībā izslēgts. II tips, kas nozīmē, ka tam ir divi kritiskie lauki, starp kuriem tas ļauj daļēji iekļūt magnētiskajam laukam caur izolētiem punktiem. Šos punktus sauc par virpuļiem. Turklāt daudzkomponentu supravadītājos ir iespējama divu veidu kombinācija. Šajā gadījumā supravadītājs ir 1., 5. tipa.
Properties
Lielākā daļa supravadītāju fizikālo īpašību dažādiem materiāliem atšķiras, piemēram, siltumietilpība un kritiskā temperatūra, kritiskais lauks un kritiskais strāvas blīvums, pie kura supravadītspēja sabojājas.
No otras puses, ir īpašību klase, kas nav atkarīga no pamatmateriāla. Piemēram, visiem supravadītājiem ir absolūti nulle pretestība pie zemām pielietotajām strāvām, ja nav magnētiskā lauka vai ja pielietotais lauks nepārsniedz kritisko vērtību.
Šo universālo īpašību klātbūtne nozīmē, ka supravadītspēja ir termodinamiska fāze, un tāpēc tai ir noteiktas atšķirīgas īpašības, kas lielā mērā nav atkarīgas no mikroskopiskām detaļām.
Supravadītājā situācija ir atšķirīga. Parastā supravadītājā elektronu šķidrumu nevar sadalīt atsevišķos elektronos. Tā vietā tas sastāv no saistītiem elektronu pāriem, kas pazīstami kā Kūpera pāri. Šo savienošanu pārī izraisa pievilcīgais spēks starp elektroniem, kas rodas fononu apmaiņas rezultātā. Kvantu mehānikas dēļ šī Kūpera pāra šķidruma enerģijas spektrā ir enerģijas sprauga, tas ir, ir minimālais enerģijas daudzums ΔE, kas jāpiegādā šķidruma ierosināšanai.
Tāpēc, ja ΔE ir lielāka par režģa siltumenerģiju, ko dod kT, kur k ir Bolcmana konstante un T ir temperatūra, šķidrums netiks izkliedēts pa režģi. TātadTādējādi Kūpera tvaiku šķidrums ir superšķidrs, kas nozīmē, ka tas var plūst, neizkliedējot enerģiju.
Supravadītspējas raksturlielumi
Supravadošos materiālos supravadītspējas raksturlielumi parādās, kad temperatūra T nokrītas zem kritiskās temperatūras Tc. Šīs kritiskās temperatūras vērtība dažādiem materiāliem ir atšķirīga. Parastajiem supravadītājiem kritiskā temperatūra parasti ir no aptuveni 20 K līdz mazāk nekā 1 K.
Piemēram, cietā dzīvsudraba kritiskā temperatūra ir 4,2 K. No 2015. gada augstākā kritiskā temperatūra, kas konstatēta parastajam supravadītājam, ir 203 K H2S, lai gan bija nepieciešams augsts spiediens aptuveni 90 gigapaskāļu apmērā. Kuprāta supravadītājiem var būt daudz augstāka kritiskā temperatūra: YBa2Cu3O7, vienam no pirmajiem atklātajiem kuprāta supravadītājiem, kritiskā temperatūra ir 92 K, un ir atrasti uz dzīvsudraba bāzes veidoti kuprāti, kuru kritiskā temperatūra pārsniedz 130 K. Šo augsto kritisko temperatūru izskaidrojums joprojām ir nezināms.
Elektronu savienošana pārī fononu apmaiņas dēļ izskaidro parasto supravadītāju supravadītspēju, bet nepaskaidro supravadītspēju jaunākos supravadītājos, kuriem ir ļoti augsta kritiskā temperatūra.
Magnētiskie lauki
Līdzīgi fiksētā temperatūrā, kas zemāka par kritisko temperatūru, supravadošie materiāli pārtrauc supravadītspēju, ja tiek pielietots ārējais magnētiskais lauks, kas ir lielāks parkritiskais magnētiskais lauks. Tas ir tāpēc, ka supravadošās fāzes Gibsa brīvā enerģija palielinās kvadrātiski līdz ar magnētisko lauku, savukārt normālās fāzes brīvā enerģija ir aptuveni neatkarīga no magnētiskā lauka.
Ja materiāls ir supravadošs, ja nav lauka, tad supravadītāja fāzes brīvā enerģija ir mazāka par parastās fāzes brīvo enerģiju, un tāpēc noteiktai magnētiskā lauka noteiktai vērtībai (proporcionāla kvadrātam sakne no nulles brīvo enerģiju starpības), abas brīvās enerģijas būs vienādas, un notiks fāzes pāreja uz normālo fāzi. Vispārīgāk, augstāka temperatūra un spēcīgāks magnētiskais lauks rada mazāku supravadošo elektronu īpatsvaru un tādējādi lielāku ārējo magnētisko lauku un strāvu iespiešanās dziļumu Londonā. Iespiešanās dziļums fāzes pārejā kļūst bezgalīgs.
Fiziskā
Supravadītspējas iestāšanos pavada pēkšņas dažādu fizisko īpašību izmaiņas, kas ir fāzes pārejas pazīme. Piemēram, elektronu siltumietilpība ir proporcionāla temperatūrai normālā (ne supravadītāja) režīmā. Supravadītāja pārejā tas piedzīvo lēcienu un pēc tam pārstāj būt lineārs. Zemās temperatūrās tas mainās e-α/T vietā uz kādu konstantu α. Šī eksponenciālā uzvedība ir viens no pierādījumiem enerģijas trūkuma esamībai.
Fāzes pāreja
Supravadītspējas fenomena skaidrojums ir diezganacīmredzot. Supravadošās fāzes pārejas secība ir apspriesta jau ilgu laiku. Eksperimenti liecina, ka nav otrās kārtas pārejas, tas ir, latenta siltuma. Tomēr ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē ir latentais siltums, jo supravadītāja fāzei ir zemāka entropija, kas ir zemāka par kritisko temperatūru nekā parastajai fāzei.
Eksperimentāli pierādīja sekojošo: kad magnētiskais lauks palielinās un pārsniedz kritisko lauku, iegūtā fāzes pāreja noved pie supravadošā materiāla temperatūras pazemināšanās. Supravadītspējas fenomens ir īsi aprakstīts iepriekš, tagad ir pienācis laiks pastāstīt jums par šī svarīgā efekta niansēm.
Aprēķini, kas veikti 20. gadsimta 70. gados, parādīja, ka tas patiesībā varētu būt vājāks nekā pirmais pasūtījums elektromagnētiskā lauka liela attāluma svārstību ietekmes dēļ. Astoņdesmitajos gados, izmantojot traucējumu lauka teoriju, kurā galvenā loma ir supravadītāju virpuļlīnijām, teorētiski tika parādīts, ka pāreja ir otrās kārtas II tipa režīmā un pirmās kārtas (t.i., latentais siltums) I tipa režīmā, un ka abus reģionus atdala kritisks punkts.
Rezultātus stingri apstiprināja datorsimulācijas Montekarlo. Tam bija nozīmīga loma supravadītspējas fenomena izpētē. Darbs turpinās arī šobrīd. Supravadītspējas fenomena būtība nav pilnībā izprasta un izskaidrota no mūsdienu zinātnes viedokļa.
