Čo je fenomén supravodivosti? Supravodivosť je jav s nulovým elektrickým odporom a uvoľňovaním polí magnetického toku, ktoré sa vyskytujú v určitých materiáloch, nazývaných supravodiče, keď sú ochladené pod charakteristickú kritickú teplotu.
Tento jav objavil holandský fyzik Heike Kamerling-Onnes 8. apríla 1911 v Leidene. Rovnako ako feromagnetizmus a atómové spektrálne čiary, supravodivosť je kvantový mechanický jav. Vyznačuje sa Meissnerovým efektom - úplným vyvrhnutím magnetických siločiar zvnútra supravodiča pri jeho prechode do supravodivého stavu.
Toto je podstata fenoménu supravodivosti. Vznik Meissnerovho javu naznačuje, že supravodivosť nemožno chápať jednoducho ako idealizáciu ideálnej vodivosti v klasickej fyzike.
Čo je fenomén supravodivosti
Elektrický odpor kovového vodiča postupne klesázníženie teploty. V bežných vodičoch, ako je meď alebo striebro, je toto zníženie obmedzené nečistotami a inými defektmi. Dokonca aj blízko absolútnej nuly, skutočná vzorka normálneho vodiča vykazuje určitý odpor. V supravodiči odpor prudko klesne na nulu, keď sa materiál ochladí pod svoju kritickú teplotu. Elektrický prúd cez slučku supravodivého drôtu môže byť udržiavaný neobmedzene dlho bez zdroja energie. Toto je odpoveď na otázku, čo je fenomén supravodivosti.
História
V roku 1911 holandský fyzik Heike Kamerling Onnes a jeho tím pri štúdiu vlastností hmoty pri veľmi nízkych teplotách zistili, že elektrický odpor ortuti klesá na nulu pod 4,2 K (-269 °C). Išlo o vôbec prvé pozorovanie fenoménu supravodivosti. Väčšina chemických prvkov sa stáva supravodivou pri dostatočne nízkych teplotách.
Pod určitou kritickou teplotou prechádzajú materiály do supravodivého stavu, ktorý sa vyznačuje dvoma hlavnými vlastnosťami: po prvé, neodolávajú prechodu elektrického prúdu. Keď odpor klesne na nulu, prúd môže cirkulovať v materiáli bez straty energie.
Po druhé, za predpokladu, že sú dostatočne slabé, vonkajšie magnetické polia nepreniknú do supravodiča, ale zostanú na jeho povrchu. Tento jav vypudzovania poľa sa stal známym ako Meissnerov efekt po tom, čo ho prvýkrát pozoroval fyzik v roku 1933.
Tri mená, tri písmená a neúplná teória
Bežná fyzika nedáva adekvátnevysvetlenia supravodivého stavu, ako aj elementárna kvantová teória pevného skupenstva, ktorá uvažuje o správaní elektrónov oddelene od správania iónov v kryštálovej mriežke.
Len v roku 1957 traja americkí výskumníci – John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer vytvorili mikroskopickú teóriu supravodivosti. Podľa ich teórie BCS sa elektróny združujú do párov prostredníctvom interakcie s vibráciami mriežky (takzvané "fonóny"), čím vytvárajú Cooperove páry, ktoré sa pohybujú bez trenia vo vnútri pevnej látky. Pevnú látku možno považovať za mriežku kladných iónov ponorenú do oblaku elektrónov. Keď elektrón prechádza touto mriežkou, ióny sa mierne pohybujú a sú priťahované záporným nábojom elektrónu. Tento pohyb generuje elektricky kladnú oblasť, ktorá zase priťahuje ďalší elektrón.
Energia elektronickej interakcie je dosť slabá a výpary sa dajú ľahko rozložiť tepelnou energiou – takže supravodivosť sa zvyčajne vyskytuje pri veľmi nízkych teplotách. Teória BCS však neposkytuje vysvetlenie pre existenciu vysokoteplotných supravodičov pri teplote okolo 80 K (-193 °C) a vyššej, pre ktoré musia byť zahrnuté iné mechanizmy viazania elektrónov. Aplikácia fenoménu supravodivosti je založená na vyššie uvedenom procese.
Teplota
V roku 1986 sa zistilo, že niektoré kuprát-perovskitové keramické materiály majú kritické teploty nad 90 K (-183 °C). Táto vysoká teplota spojenia je teoretickypre konvenčný supravodič nemožné, čo vedie k tomu, že materiály sa označujú ako vysokoteplotné supravodiče. Dostupný chladiaci kvapalný dusík vrie pri 77 K, a teda supravodivosť pri teplotách vyšších ako tieto uľahčuje mnohé experimenty a aplikácie, ktoré sú pri nižších teplotách menej praktické. Toto je odpoveď na otázku, pri akej teplote nastáva fenomén supravodivosti.
Klasifikácia
Supravodiče možno klasifikovať podľa niekoľkých kritérií, ktoré závisia od nášho záujmu o ich fyzikálne vlastnosti, od toho, ako im rozumieme, od toho, aké drahé je ich chladenie, alebo od materiálu, z ktorého sú vyrobené.
Vďaka svojim magnetickým vlastnostiam
Supravodiče typu I: tie, ktoré majú iba jedno kritické pole, Hc, a po dosiahnutí náhle prechádzajú z jedného stavu do druhého.
Supravodiče typu II: majú dve kritické polia, Hc1 a Hc2, sú dokonalými supravodičmi pod dolným kritickým poľom (Hc1) a úplne opúšťajú supravodivý stav nad horným kritickým poľom (Hc2), pričom sú v zmiešanom stave medzi kritické polia.
Ako im o nich rozumieme
Obyčajné supravodiče: tie, ktoré možno plne vysvetliť teóriou BCS alebo príbuznými teóriami.
Nekonvenčné supravodiče: tie, ktoré sa nedajú vysvetliť pomocou takýchto teórií, napríklad: ťažké fermiónovésupravodiče.
Toto kritérium je dôležité, pretože teória BCS vysvetľuje vlastnosti konvenčných supravodičov už od roku 1957, ale na druhej strane neexistuje žiadna uspokojivá teória, ktorá by vysvetlila úplne nekonvenčné supravodiče. Vo väčšine prípadov sú supravodiče typu I bežné, ale existuje niekoľko výnimiek, ako napríklad niób, ktorý je bežný aj typ II.
Podľa ich kritickej teploty
Nízkoteplotné supravodiče alebo LTS: tie, ktorých kritická teplota je nižšia ako 30 K.
Vysokoteplotné supravodiče alebo HTS: tie, ktorých kritická teplota je vyššia ako 30 K. Niektorí teraz používajú 77 K ako separáciu, aby zdôraznili, či môžeme vzorku ochladiť tekutým dusíkom (ktorého bod varu je 77 K), ktorý je oveľa uskutočniteľnejšie ako tekuté hélium (alternatíva na dosiahnutie teplôt potrebných na výrobu nízkoteplotných supravodičov).
Ďalšie podrobnosti
Supravodič môže byť typu I, čo znamená, že má jediné kritické pole, nad ktorým sa stráca všetka supravodivosť a pod ktorým je magnetické pole úplne eliminované zo supravodiča. Typ II, čo znamená, že má dve kritické polia, medzi ktorými umožňuje čiastočný prienik magnetického poľa cez izolované body. Tieto body sa nazývajú víry. Okrem toho vo viaczložkových supravodičoch je možná kombinácia dvoch spôsobov správania. V tomto prípade ide o supravodič typu 1, 5.
Vlastnosti
Väčšina fyzikálnych vlastností supravodičov sa líši od materiálu k materiálu, ako je tepelná kapacita a kritická teplota, kritické pole a kritická prúdová hustota, pri ktorej sa supravodivosť rozpadá.
Na druhej strane existuje trieda vlastností, ktoré sú nezávislé od základného materiálu. Napríklad všetky supravodiče majú absolútne nulový odpor pri nízkych aplikovaných prúdoch, keď neexistuje magnetické pole alebo keď aplikované pole nepresahuje kritickú hodnotu.
Prítomnosť týchto univerzálnych vlastností naznačuje, že supravodivosť je termodynamická fáza, a preto má určité charakteristické vlastnosti, ktoré sú do značnej miery nezávislé od mikroskopických detailov.
V supravodiči je situácia iná. V bežnom supravodiči nemožno elektrónovú kvapalinu rozdeliť na jednotlivé elektróny. Namiesto toho pozostáva z viazaných párov elektrónov známych ako Cooperove páry. Toto párovanie je spôsobené príťažlivou silou medzi elektrónmi, ktorá je výsledkom výmeny fonónov. V dôsledku kvantovej mechaniky má energetické spektrum tejto kvapaliny Cooperovho páru energetickú medzeru, to znamená, že existuje minimálne množstvo energie ΔE, ktoré sa musí dodať na excitáciu kvapaliny.
Ak je teda ΔE väčšia ako tepelná energia mriežky daná pomocou kT, kde k je Boltzmannova konštanta a T je teplota, kvapalina sa mriežkou nerozptýli. TakžeCooperova para kvapalina je teda supratekutá, čo znamená, že môže prúdiť bez straty energie.
Supravodivé charakteristiky
V supravodivých materiáloch sa charakteristiky supravodivosti objavia, keď teplota T klesne pod kritickú teplotu Tc. Hodnota tejto kritickej teploty sa líši materiál od materiálu. Bežné supravodiče majú zvyčajne kritické teploty v rozsahu od približne 20 K do menej ako 1 K.
Napríklad pevná ortuť má kritickú teplotu 4,2 K. Od roku 2015 je najvyššia kritická teplota zistená pre konvenčný supravodič 203 K pre H2S, hoci bol potrebný vysoký tlak asi 90 gigapascalov. Kuprátové supravodiče môžu mať oveľa vyššie kritické teploty: YBa2Cu3O7, jeden z prvých objavených kuprátových supravodičov, má kritickú teplotu 92 K a boli nájdené kupráty na báze ortuti s kritickými teplotami presahujúcimi 130 K. Vysvetlenie týchto vysokých kritických teplôt zostáva neznáme.
Párovanie elektrónov v dôsledku fonónových výmen vysvetľuje supravodivosť v konvenčných supravodičoch, ale nevysvetľuje supravodivosť v novších supravodičoch, ktoré majú veľmi vysokú kritickú teplotu.
Magnetické polia
Podobne, pri pevnej teplote pod kritickou teplotou, supravodivé materiály prestanú byť supravodivé, keď sa aplikuje vonkajšie magnetické pole väčšie akokritické magnetické pole. Je to preto, že Gibbsova voľná energia supravodivej fázy rastie kvadraticky s magnetickým poľom, zatiaľ čo voľná energia normálnej fázy je približne nezávislá od magnetického poľa.
Ak je materiál supravodivý v neprítomnosti poľa, potom je voľná energia supravodivej fázy menšia ako energia normálnej fázy, a preto pre určitú konečnú hodnotu magnetického poľa (úmernú štvorcu koreň rozdielu voľných energií pri nule), dve voľné energie budú rovnaké a dôjde k fázovému prechodu do normálnej fázy. Všeobecnejšie povedané, vyššia teplota a silnejšie magnetické pole má za následok menší podiel supravodivých elektrónov, a teda väčšiu hĺbku prieniku vonkajších magnetických polí a prúdov do Londýna. Hĺbka prieniku sa pri fázovom prechode stáva nekonečnou.
Fyzické
Nástup supravodivosti sprevádzajú prudké zmeny rôznych fyzikálnych vlastností, čo je charakteristickým znakom fázového prechodu. Napríklad tepelná kapacita elektrónov je úmerná teplote v normálnom (nie supravodivom) režime. Pri supravodivom prechode zažije skok a po ňom prestáva byť lineárny. Pri nízkych teplotách sa mení namiesto e−α/T na nejakú konštantu α. Toto exponenciálne správanie je jedným z dôkazov existencie energetickej medzery.
Fázový prechod
Vysvetlenie fenoménu supravodivosti je celkom jasnésamozrejme. O poradí supravodivého fázového prechodu sa diskutuje už dlho. Experimenty ukazujú, že neexistuje prechod druhého rádu, teda latentné teplo. V prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa však existuje latentné teplo, pretože supravodivá fáza má nižšiu entropiu, nižšiu ako je kritická teplota, ako normálna fáza.
Experimentálne demonštrované nasledovné: keď sa magnetické pole zvýši a prekročí kritické pole, výsledný fázový prechod vedie k zníženiu teploty supravodivého materiálu. Fenomén supravodivosti bol stručne popísaný vyššie, teraz je čas povedať vám niečo o nuansách tohto dôležitého efektu.
Výpočty uskutočnené v 70. rokoch ukázali, že v skutočnosti môže byť slabší ako prvý rád v dôsledku vplyvu fluktuácií elektromagnetického poľa na veľké vzdialenosti. V osemdesiatych rokoch sa teoreticky pomocou teórie poľa poruchy, v ktorej hrajú hlavnú úlohu supravodičové vírové čiary, ukázalo, že prechod je druhého rádu v režime typu II a prvého rádu (t.j. latentné teplo) v režime typu I a že tieto dve oblasti sú oddelené trikritickým bodom.
Výsledky boli silne potvrdené počítačovými simuláciami v Monte Carle. To zohralo dôležitú úlohu pri štúdiu fenoménu supravodivosti. Práce pokračujú aj v súčasnosti. Podstata fenoménu supravodivosti nie je úplne pochopená a vysvetlená z pohľadu modernej vedy.
