Феноменът свръхпроводимост: класификация, свойства и приложения

Какво представлява явлението свръхпроводимост? Свръхпроводимостта е явление с нулево електрическо съпротивление и изхвърляне на магнитни полета, което се наблюдава в някои материали, наречени свръхпроводници, при охлаждане под характерна критична температура.

Феноменът е открит от холандския физик Хайке Камерлинг Онес в Лайден на 8 април 1911 г. Подобно на феромагнетизма и атомните спектрални линии, свръхпроводимостта е квантовомеханично явление. Той се характеризира с ефекта на Майснер - пълно изхвърляне на магнитните полеви линии от вътрешността на свръхпроводника по време на прехода му към свръхпроводящо състояние.

Това е същността на явлението свръхпроводимост. Появата на ефекта на Майснер показва, че свръхпроводимостта не може да се разбира просто като идеализация на идеалната проводимост в класическата физика.

Какво представлява явлението свръхпроводимост?

Електрическото съпротивление на метален проводник намалява постепенно с понижаване на температурата. В нормален проводник, като мед или сребро, това намаление е ограничено от примеси и други дефекти. Дори близо до абсолютната нула, реална проба от нормален проводник показва известно съпротивление. В свръхпроводник съпротивлението рязко спада до нула, когато материалът се охлади под критичната си температура. Електрическият ток през примка от свръхпроводим проводник може да се поддържа безкрайно дълго време без източник на захранване. Това дава отговор на въпроса какво представлява явлението свръхпроводимост.

История

През 1911 г., изучавайки свойствата на материята при много ниски температури, холандският физик Хайке Камерлинг Онес и неговият екип откриват, че електрическото съпротивление на живака пада до нула под 4,2 К (-269 °C). Това е първото наблюдение на явлението свръхпроводимост. Повечето химични елементи стават свръхпроводими при достатъчно ниска температура.

Под определена критична температура материалите преминават в свръхпроводимо състояние, което се характеризира с две основни свойства: първо, те не оказват съпротивление на преминаването на електрически ток. Когато съпротивлението падне до нула, токът може да циркулира вътре в материала, без да разсейва енергия.

Второ, при условие че са достатъчно слаби, външните магнитни полета не проникват в свръхпроводника, а остават на повърхността му. Този феномен на изтласкване на полето става известен като ефекта на Майснер, след като физикът го наблюдава за първи път през 1933 г.

Три имена, три букви и една непълна теория

Обикновената физика не дава адекватно обяснение на свръхпроводящото състояние, нито пък елементарната квантова теория на твърдото тяло, която разглежда поведението на електроните отделно от поведението на йоните в кристалната решетка.

Едва през 1957 г. трима американски изследователи - Джон Бардън, Леон Купър и Джон Шрайфър - създават микроскопичната теория на свръхпроводимостта. Според теорията BCS електроните се групират в двойки чрез взаимодействие с вибрациите на решетката (наречени "фонони"), като по този начин образуват двойки на Купър, които се движат в твърдото тяло без триене. Твърдото тяло може да се разглежда като решетка от положителни йони, потопени в облак от електрони. Когато електрон премине през тази решетка, йоните се преместват леко, привлечени от отрицателния заряд на електрона. Това движение генерира положителна електрическа област, която на свой ред привлича друг електрон.

Енергията на електронното взаимодействие е доста слаба и двойките могат лесно да се разпаднат топлинна енергия - така че свръхпроводимостта обикновено се проявява при много ниски температури. Въпреки това теорията на BCS не обяснява съществуването на високотемпературни свръхпроводници при около 80 К (-193 °С) и повече, за които трябва да се използват други механизми за свързване на електрони. Горепосоченият процес е в основата на прилагането на явлението свръхпроводимост.

Температура

През 1986 г. е открито, че някои керамични материали от купрат-перовскит имат критична температура над 90 К (-183°C). Тази висока температура на преход е теоретично невъзможна за конвенционален свръхпроводник, поради което материалите се наричат високотемпературни свръхпроводници. Наличният охлаждащ течен азот кипи при 77 К и по този начин свръхпроводимостта при по-високи температури от тези улеснява много експерименти и приложения, които са по-малко практични при по-ниски температури. Това дава отговор на въпроса при каква температура възниква явлението свръхпроводимост.

Класификация

Свръхпроводниците могат да бъдат класифицирани по няколко критерия, които зависят от интереса ни към техните физични свойства, от разбирането, което имаме за тях, от това колко скъпо е охлаждането им или от материала, от който са направени.

В зависимост от магнитните им свойства

Тип I свръхпроводници: тези, които имат само едно критично поле, Hc, и рязко преминават от едно състояние в друго, когато бъде достигнато.

Свръхпроводници от тип II: с две критични полета, Hc1 и Hc2, които са съвършени свръхпроводници под долното критично поле (Hc1) и напълно изключени от свръхпроводимостта над горното критично поле (Hc2), като се намират в смесено състояние между критичните полета.

Чрез разбирането, което имаме за тях

Конвенционални свръхпроводници: тези, които могат да бъдат напълно обяснени с теорията на BCS или сродни теории.

Неконвенционални свръхпроводници: такива, които не могат да бъдат обяснени с тези теории, например: тежки фермионни свръхпроводници.

Този критерий е важен, тъй като теорията на BCS обяснява свойствата на конвенционалните свръхпроводници от 1957 г. насам, но, от друга страна, няма задоволителна теория, която да обясни напълно неконвенционалните свръхпроводници. В повечето случаи се срещат свръхпроводници от тип I, но има и няколко изключения, като ниобий, който е както обикновен, така и от тип II.

По тяхната критична температура

Нискотемпературни свръхпроводници или LTS: тези, чиято критична температура е под 30 K.

Високотемпературни свръхпроводници (HTSP): тези, чиято критична температура е над 30 K. Някои от тях сега използват 77 K като разделение, за да подчертаят дали можем да охладим пробата с течен азот (чиято температура на кипене е 77 K), което е много по-възможно от течния хелий (алтернатива за достигане на температури, необходими за нискотемпературни свръхпроводници).

Други нюанси

Един свръхпроводник може да бъде класифициран като тип I, което означава, че има едно критично поле, над което се губи цялата свръхпроводимост, и под което магнитното поле е напълно елиминирано от свръхпроводника. Тип II, което означава, че има две критични полета, между които позволява частично проникване на магнитното поле през изолирани точки. Тези точки се наричат вихри. Освен това в многокомпонентните свръхпроводници е възможна комбинация от две поведения. В този случай свръхпроводникът е от тип 1.5.

Имоти

Повечето физически свойства на свръхпроводниците варират в зависимост от материала, като топлинен капацитет и критична температура, критично поле и критична плътност на тока, при което свръхпроводимостта се разпада.

От друга страна, има клас свойства, които не зависят от основния материал. Например всички свръхпроводници имат абсолютно нулево съпротивление при малки приложни токове, когато няма магнитно поле или когато приложеното поле не надвишава критична стойност.

Наличието на тези универсални свойства предполага, че свръхпроводимостта е термодинамична фаза и следователно има определени отличителни свойства, които до голяма степен не зависят от микроскопичните детайли.

Ситуацията е различна в свръхпроводник. В конвенционален свръхпроводник електронната течност не може да бъде разделена на отделни електрони. Вместо това тя се състои от свързани двойки електрони, известни като двойки на Купър. Това сдвояване се дължи на силата на привличане между електроните в резултат на фононен обмен. Поради квантовата механика енергийният спектър на тази течност на Куперовата двойка има енергийна разлика, т.е. има минимално количество енергия ΔE, което трябва да се подаде, за да се възбуди течността.

Следователно, ако ΔE е по-голямо от топлинната енергия на решетката, дадена с kT, където k е константата на Болцман, а T е температурата, течността няма да се разпръсне в решетката. По този начин течността с парите на Купър е свръхтечна, което означава, че може да тече, без да разсейва енергия.

Характеристики на свръхпроводимостта

В свръхпроводящите материали характеристиките на свръхпроводимост се появяват, когато температурата T падне под критичната температура Tc. Стойността на тази критична температура е различна за различните материали. Обикновените свръхпроводници обикновено имат критични температури в диапазона от около 20 K до по-малко от 1 K.

Например критичната температура на твърдия живак е 4,2 K. Към 2015 г. Най-високата критична температура, установена за конвенционален свръхпроводник, е 203 К за H2S, въпреки че е необходимо високо налягане от около 90 гигапаскала. Купратните свръхпроводници могат да имат много по-високи критични температури: YBa2Cu3O7, един от първите открити купратни свръхпроводници, има критична температура 92 К, а са открити купрати на основата на живак с критични температури над 130 К. Обяснението на тези високи критични температури остава неизвестно.

Електронното сдвояване, дължащо се на фононен обмен, обяснява свръхпроводимостта в обикновените свръхпроводници, но не обяснява свръхпроводимостта в по-новите свръхпроводници, които имат много висока критична температура.

Магнитни полета

По подобен начин, при фиксирана температура под критичната температура, свръхпроводящите материали спират да се свръхпроводят, когато се приложи външно магнитно поле, по-голямо от критичното магнитно поле. Това е така, защото свободната енергия на Гибс на свръхпроводящата фаза нараства квадратично с магнитното поле, докато свободната енергия на нормалната фаза е приблизително независима от магнитното поле.

Ако материалът е свръхпроводящ при липса на поле, свободната енергия на свръхпроводящата фаза е по-малка от тази на нормалната фаза и така за някакво крайно магнитно поле (което е пропорционално на квадратния корен от разликата в свободните енергии при нула) двете свободни енергии ще бъдат равни и ще настъпи фазов преход към нормалната фаза. В по-общ смисъл по-високата температура и по-силното магнитно поле водят до по-малка част от свръхпроводящите електрони и следователно до по-голяма дълбочина на проникване на външни магнитни полета и токове в Лондон. Дълбочината на проникване става безкрайна при фазовия преход.

Физическият аспект

Началото на свръхпроводимостта е съпроводено с рязка промяна на различни физични свойства, което е отличителна черта на фазовия преход. Например топлинният капацитет на електроните е пропорционален на температурата в нормален (несвръхпроводим) режим. При прехода към свръхпроводимост той претърпява скок и вече не е линеен. При ниски температури тя се променя вместо e-α/T за някаква константа α. Това експоненциално поведение е едно от доказателствата за енергийната разлика.

Фазов преход

Обяснението на явлението свръхпроводимост е съвсем очевидно. Редът на свръхпроводящия фазов преход се обсъжда отдавна. Експериментите показват, че няма преход от втори ред, т.е. няма латентна топлина. Въпреки това, в присъствието на външно магнитно поле има латентна топлина, тъй като свръхпроводящата фаза има по-ниска ентропия, под критичната температура, от нормалната фаза.

Експериментално е доказано следното: когато магнитното поле се увеличи и надхвърли критичното поле, възникналият фазов преход води до намаляване на температурата на свръхпроводящия материал. Феноменът свръхпроводимост беше описан накратко по-горе, а сега е време да кажем нещо за нюансите на на този важен ефект .

Изчисленията, проведени през 70-те години на миналия век, показаха, че в действителност тя може да бъде по-слаба от първа степен поради влиянието на флуктуациите в електромагнитното поле на големи разстояния. През 80-те години на миналия век с помощта на теорията на полето на безпорядъка беше теоретично показано, че вихровите линии на свръхпроводника играят основната роля, че преходът е от втори порядък в режим тип II и от първи порядък (t. е. латентна топлина) в режим от тип I и че двете области са разделени от трикритична точка.

Резултатите са строго потвърдени чрез компютърни симулации Монте Карло. Това е изиграло важна роля в изследването на свръхпроводимостта. Работата все още продължава. Същността на явлението свръхпроводимост не е напълно разбрана и обяснена от гледна точка на съвременната наука.