Fövqəlkeçiricilik fenomeni nədir? Superkeçiricilik, xarakterik kritik temperaturdan aşağı soyuduqda, superkeçiricilər adlanan müəyyən materiallarda baş verən sıfır elektrik müqaviməti və maqnit axını sahələrinin sərbəst buraxılması fenomenidir.
Fenomen holland fiziki Heike Kamerling-Onnes tərəfindən 8 aprel 1911-ci ildə Leydendə kəşf edilmişdir. Ferromaqnetizm və atom spektral xətləri kimi, superkeçiricilik də kvant mexaniki hadisədir. O, Meissner effekti ilə xarakterizə olunur - onun superkeçirici vəziyyətə keçməsi zamanı onun içindən maqnit sahəsi xətlərinin tam çıxarılması.
Fövqəlkeçiricilik fenomeninin mahiyyəti budur. Meissner effektinin yaranması onu göstərir ki, superkeçiricilik klassik fizikada sadəcə olaraq ideal keçiriciliyin ideallaşdırılması kimi başa düşülə bilməz.
Fövqəlkeçiricilik fenomeni nədir
Metal keçiricinin elektrik müqaviməti kimi tədricən azalırtemperaturun aşağı salınması. Mis və ya gümüş kimi ümumi keçiricilərdə bu azalma çirklər və digər qüsurlarla məhdudlaşır. Mütləq sıfıra yaxın olsa belə, normal keçiricinin həqiqi nümunəsi müəyyən müqavimət göstərir. Superkeçiricilərdə material kritik temperaturdan aşağı soyuduqda müqavimət kəskin şəkildə sıfıra enir. Süperkeçirici naqilin dövrəsindən keçən elektrik cərəyanı enerji mənbəyi olmadan qeyri-müəyyən müddətə saxlanıla bilər. Bu, superkeçiricilik fenomeni nədir sualının cavabıdır.
Tarix
1911-ci ildə çox aşağı temperaturda maddənin xassələrini öyrənərkən holland fizik Heike Kamerling Onnes və komandası civənin elektrik müqavimətinin 4,2 K (-269°C) altında sıfıra endiyini kəşf etdi. Bu, superkeçiricilik fenomeninin ilk müşahidəsi idi. Əksər kimyəvi elementlər kifayət qədər aşağı temperaturda super keçirici olur.
Müəyyən kritik temperaturdan aşağı materiallar iki əsas xüsusiyyətlə xarakterizə olunan superkeçirici vəziyyətə keçir: birincisi, onlar elektrik cərəyanının keçməsinə müqavimət göstərmirlər. Müqavimət sıfıra endikdə, cərəyan enerji itkisi olmadan materialın içərisində dövr edə bilər.
İkincisi, kifayət qədər zəif olmaq şərtilə, xarici maqnit sahələri superkeçiricilərə nüfuz etmir, onun səthində qalır. Bu sahənin qovulması fenomeni ilk dəfə 1933-cü ildə bir fizik tərəfindən müşahidə edildikdən sonra Meissner effekti kimi tanındı.
Üç ad, üç hərf və natamam nəzəriyyə
Adi fizika adekvat vermirsuperkeçirici vəziyyətin izahları, həmçinin elektronların davranışını kristal qəfəsdə ionların davranışından ayrı hesab edən bərk halın elementar kvant nəzəriyyəsi.
Yalnız 1957-ci ildə üç amerikalı tədqiqatçı - Con Bardin, Leon Kuper və Con Şriffer superkeçiriciliyin mikroskopik nəzəriyyəsini yaratdılar. Onların BCS nəzəriyyəsinə görə, elektronlar qəfəs titrəyişləri ("fononlar" adlanır) ilə qarşılıqlı təsir yolu ilə cütləşir və beləliklə bərk cismin içərisində sürtünmə olmadan hərəkət edən Kuper cütlərini əmələ gətirir. Bərk bir elektron buluduna batırılmış müsbət ionlardan ibarət qəfəs kimi baxıla bilər. Elektron bu qəfəsdən keçəndə ionlar elektronun mənfi yükü ilə cəzb olunaraq bir qədər hərəkət edir. Bu hərəkət elektrik müsbət bölgə yaradır və bu da öz növbəsində başqa bir elektronu cəlb edir.
Elektron qarşılıqlı təsirin enerjisi kifayət qədər zəifdir və buxarlar istilik enerjisi ilə asanlıqla parçalana bilər - buna görə də superkeçiricilik adətən çox aşağı temperaturda baş verir. Bununla belə, BCS nəzəriyyəsi təxminən 80 K (-193 ° C) və daha yüksək temperaturda yüksək temperaturlu superkeçiricilərin mövcudluğunu izah etmir, bunun üçün digər elektron bağlama mexanizmləri də cəlb edilməlidir. Superkeçiricilik fenomeninin tətbiqi yuxarıda göstərilən prosesə əsaslanır.
Temperatur
1986-cı ildə bəzi kuprat-perovskit keramika materiallarının 90 K (-183 °C)-dən yuxarı kritik temperaturlara malik olduğu aşkar edilmişdir. Bu yüksək qovşaq temperaturu nəzəri cəhətdəndiradi bir superkeçirici üçün qeyri-mümkündür, bu da materialların yüksək temperaturlu superkeçiricilər adlandırılmasına səbəb olur. Mövcud soyuducu maye azot 77 K temperaturda qaynayır və beləliklə, bundan daha yüksək temperaturlarda superkeçiricilik aşağı temperaturlarda daha az praktiki olan bir çox təcrübə və tətbiqləri asanlaşdırır. Bu, superkeçiricilik fenomeni hansı temperaturda baş verir sualının cavabıdır.
Təsnifat
Superkeçiricilər onların fiziki xassələrinə olan marağımızdan, onlar haqqında əldə etdiyimiz anlayışdan, onları soyutmanın nə qədər baha olmasından və ya hazırlandıqları materialdan asılı olan bir neçə meyara görə təsnif edilə bilər.
Maqnit xüsusiyyətlərinə görə
Tip I superkeçiricilər: yalnız bir kritik sahəsi olan Hc və ona çatdıqda bir vəziyyətdən digərinə qəfil keçid edənlər.
Tip II superkeçiricilər: iki kritik sahəyə malik olan Hc1 və Hc2, aşağı kritik sahə (Hc1) altında mükəmməl superkeçiricilərdir və yuxarı kritik sahənin (Hc2) üzərində superkeçirici vəziyyətini tamamilə tərk edərək, iki kritik sahə arasında qarışıq vəziyyətdədirlər. kritik sahələr.
Onlar haqqında anladığımız kimi
Adi superkeçiricilər: BCS nəzəriyyəsi və ya əlaqəli nəzəriyyələrlə tam izah edilə bilənlər.
Qeyri-ənənəvi superkeçiricilər: bu cür nəzəriyyələrlə izah edilə bilməyənlər, məsələn: ağır fermioniksuperkeçiricilər.
Bu meyar ona görə vacibdir ki, BCS nəzəriyyəsi 1957-ci ildən bəri adi superkeçiricilərin xassələrini izah edir, lakin digər tərəfdən, tamamilə qeyri-ənənəvi superkeçiriciləri izah etmək üçün qənaətbəxş bir nəzəriyyə mövcud deyil. Əksər hallarda Tip I superkeçiricilər ümumidir, lakin həm ümumi, həm də II Tip olan niobium kimi bir neçə istisna var.
Kritik temperaturlarına görə
Aşağı temperaturlu superkeçiricilər və ya LTS: kritik temperaturu 30 K-dən aşağı olanlar.
Yüksək temperaturlu superkeçiricilər və ya HTS: kritik temperaturu 30 K-dən yuxarı olanlar. İndi bəziləri nümunəni maye azotla (qaynama nöqtəsi 77 K) soyudub soyuda bilməyəcəyimizi vurğulamaq üçün ayırma kimi 77 K istifadə edir. maye heliumdan (aşağı temperaturlu superkeçiricilər istehsal etmək üçün lazım olan temperatura çatmaq üçün alternativ) çox daha məqsədəuyğundur.
Digər təfərrüatlar
Superkeçirici I tip ola bilər, bu o deməkdir ki, onun tək kritik sahəsi var, yuxarıda bütün superkeçiricilər itirilir və aşağıda maqnit sahəsi superkeçiricidən tamamilə çıxarılır. Tip II, yəni iki kritik sahə var, aralarında təcrid olunmuş nöqtələr vasitəsilə maqnit sahəsinin qismən nüfuz etməsinə imkan verir. Bu nöqtələrə burulğanlar deyilir. Bundan əlavə, çoxkomponentli superkeçiricilərdə iki davranışın birləşməsi mümkündür. Bu halda, superkeçirici 1, 5 tiplidir.
Xüsusiyyətlər
Superkeçiricilərin fiziki xassələrinin əksəriyyəti materialdan materiala dəyişir, məsələn, istilik tutumu və kritik temperatur, kritik sahə və superkeçiriciliyin parçalandığı kritik cərəyan sıxlığı.
Digər tərəfdən, əsas materialdan asılı olmayan xüsusiyyətlər sinfi var. Məsələn, aşağı tətbiq olunan cərəyanlarda, maqnit sahəsi olmadıqda və ya tətbiq olunan sahə kritik dəyəri keçmədikdə, bütün superkeçiricilərin müqaviməti tamamilə sıfırdır.
Bu universal xassələrin mövcudluğu o deməkdir ki, superkeçiricilik termodinamik fazadır və buna görə də mikroskopik detallardan böyük ölçüdə asılı olmayan müəyyən fərqli xüsusiyyətlərə malikdir.
Superkeçiricidə vəziyyət fərqlidir. Adi bir superkeçiricidə elektron mayesini fərdi elektronlara ayırmaq olmaz. Bunun əvəzinə o, Kuper cütləri kimi tanınan bağlı elektron cütlərindən ibarətdir. Bu qoşalaşma fononların mübadiləsi nəticəsində yaranan elektronlar arasında cəlbedici qüvvədən qaynaqlanır. Kvant mexanikasına görə, Kuper cütünün bu mayesinin enerji spektri enerji boşluğuna malikdir, yəni mayeni həyəcanlandırmaq üçün verilməli olan minimum enerji ΔE miqdarı var.
Ona görə də, əgər ΔE kT ilə verilən ızgaranın istilik enerjisindən böyükdürsə, burada k Boltsman sabiti və T temperaturdur, maye ızgara tərəfindən səpələnməyəcək. Belə kiBeləliklə, Cooper buxar mayesi həddindən artıq mayedir, yəni o, enerji sərf etmədən axa bilər.
Superkeçiricilik xüsusiyyətləri
Superkeçirici materiallarda T temperaturu kritik temperatur Tc-dən aşağı düşdükdə superkeçiricilik xüsusiyyətləri ortaya çıxır. Bu kritik temperaturun dəyəri materialdan materiala dəyişir. Adi superkeçiricilər adətən təxminən 20 K ilə 1 K arasında dəyişən kritik temperaturlara malikdir.
Məsələn, bərk civə 4,2 K kritik temperatura malikdir. 2015-ci ilə kimi, adi superkeçirici üçün tapılan ən yüksək kritik temperatur H2S üçün 203 K-dir, baxmayaraq ki, təxminən 90 gigapaskal yüksək təzyiq tələb olunurdu. Kupratlı superkeçiricilər daha yüksək kritik temperaturlara malik ola bilər: Kəşf edilmiş ilk kuprat superkeçiricilərindən biri olan YBa2Cu3O7 kritik temperaturu 92 K və kritik temperaturları 130 K-dən çox olan civə əsaslı kupratlar tapılıb. Bu yüksək kritik temperaturların izahı hələ də qalır. naməlum.
Fonon mübadiləsinə görə elektron cütləşməsi adi superkeçiricilərdə superkeçiriciliyi izah edir, lakin çox yüksək kritik temperatura malik olan yeni superkeçiricilərdə superkeçiriciliyi izah etmir.
Maqnit sahələri
Eyni şəkildə, kritik temperaturdan aşağı sabit temperaturda, həddindən artıq xarici maqnit sahəsi tətbiq edildikdə, superkeçirici materiallar superkeçiriciliyini dayandırır.kritik maqnit sahəsi. Çünki superkeçirici fazanın Gibbs sərbəst enerjisi maqnit sahəsi ilə kvadrat şəkildə artır, normal fazanın sərbəst enerjisi isə maqnit sahəsindən təxminən müstəqildir.
Əgər material sahə olmadığı halda superkeçiricidirsə, o zaman superkeçirici fazanın sərbəst enerjisi normal fazanın enerjisindən azdır və buna görə də maqnit sahəsinin bəzi sonlu dəyəri üçün (kvadratla mütənasib) Sıfırda sərbəst enerjilər fərqinin kökü), iki sərbəst enerji bərabər olacaq və normal fazaya faza keçidi olacaq. Ümumiyyətlə, daha yüksək temperatur və daha güclü maqnit sahəsi superkeçirici elektronların daha kiçik bir hissəsi ilə nəticələnir və buna görə də xarici maqnit sahələrinin və cərəyanların Londona daha çox nüfuz etmə dərinliyinə səbəb olur. Faza keçidində nüfuz dərinliyi sonsuz olur.
Fiziki
Fövqəlkeçiriciliyin başlanğıcı müxtəlif fiziki xassələrdə kəskin dəyişikliklərlə müşayiət olunur ki, bu da faza keçidinin əlamətidir. Məsələn, elektronun istilik tutumu normal (süperkeçirici deyil) rejimdə temperaturla mütənasibdir. Superkeçirici keçiddə sıçrayış yaşayır və bundan sonra xətti olmağı dayandırır. Aşağı temperaturda bəzi sabit α üçün e−α/T əvəzinə dəyişir. Bu eksponensial davranış enerji boşluğunun mövcudluğunun sübutlarından biridir.
Faza keçidi
Fövqəlkeçiricilik fenomeninin izahı kifayət qədərdiraçıq-aydın. Superkeçirici faza keçidinin qaydası uzun müddətdir müzakirə olunur. Təcrübələr göstərir ki, ikinci dərəcəli keçid, yəni gizli istilik yoxdur. Bununla belə, xarici maqnit sahəsinin mövcudluğunda gizli istilik var, çünki superkeçirici faza normal fazadan kritik temperaturdan daha aşağı entropiyaya malikdir.
Eksperimental olaraq aşağıdakılar nümayiş etdirilmişdir: maqnit sahəsi artdıqda və kritik sahədən kənara çıxdıqda, nəticədə yaranan faza keçidi superkeçirici materialın temperaturunun azalmasına səbəb olur. Superkeçiricilik fenomeni yuxarıda qısaca təsvir edilmişdir, indi bu mühüm effektin nüansları haqqında sizə bir şey söyləməyin vaxtıdır.
1970-ci illərdə aparılan hesablamalar göstərdi ki, o, elektromaqnit sahəsində uzunmüddətli dalğalanmaların təsiri ilə əslində birinci nizamdan daha zəif ola bilər. 1980-ci illərdə, superkeçirici burulğan xətlərinin böyük rol oynadığı pozğunluq sahəsi nəzəriyyəsindən istifadə edərək nəzəri olaraq göstərildi ki, keçid II tip rejimdə ikinci dərəcəli və I tip rejimdə birinci dərəcəli (yəni gizli istilik) və iki bölgənin üç kritik nöqtə ilə ayrılması.
Nəticələr Monte Karloda kompüter simulyasiyaları ilə güclü şəkildə təsdiqləndi. Bu, superkeçiricilik fenomeninin öyrənilməsində mühüm rol oynamışdır. Hazırda işlər davam etdirilir. Fövqəladə keçiricilik fenomeninin mahiyyəti müasir elm baxımından tam başa düşülməmiş və izah edilməmişdir.
