Свойства сверхпроводников

В чем состоит явление сверхпроводимости

Свойства сверхпроводников

Так же, как медный провод проводит электричество лучше, чем резиновая трубка, некоторые виды материалов при определенных условиях проявляют явление сверхпроводимости.

Состояние сверхпроводника при этом явлении определяется двумя основными свойствами: материал предлагает нулевое сопротивление электрическому току и в него не могут проникать магнитные поля.

Потенциал и польза от этого свойства столь же обширна, сколь и увлекательна: электрические провода без потерь это чрезвычайно быстрые цифровые технологии или эффективные поезда магнитной левитации.

Суть сверхпроводимости

Сверхпроводимость – это явление, при котором заряд движется через материал без сопротивления.

Теоретически это позволяет передавать электрическую энергию между двумя точками с идеальной эффективностью, ничего не теряя при прохождении тока.

Как работает сверхпроводимость?

Явление сверхпроводимости позволяет электронам преодолевать их обычное отталкивание друг друга и теснее прижимаясь друг к другу, образовывать так называемые куперовские пары (квазачастица из двух электронов). В этом низкоэнергетическом состоянии идентичность каждого отдельного электрона становится менее определенной.

Это позволяет им с легкостью проскальзывать сквозь атомы материала.
 Открыл явление сверхпроводимости в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес когда исследовал зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Это открытие привело к огромному объему исследовательской деятельности.

Сотрудничество между химиками и физиками, а также экспериментаторами и теоретиками дало начало значительному потенциалу применения, начиная от передачи электроэнергии и заканчивая квантовой информацией.
В обычных электрических проводниках ток передается электронами, действующими индивидуально.

Но в сверхпроводниках электроны спариваются для передачи тока практически без потерь.

Считается, что около 40 элементов периодической системы могут обладать сверхпроводящими свойствами при определенных условиях.
Основные параметры сверхпроводящих материалов:

  • температура;
  • плотность тока;
  • магнитная индукция.

Из всех чистых металлов лучшими свойствами обладает ниобий, но не полностью выталкивает магнитное поле, что ограничивает его применение.

Явление высокотемпературной сверхпроводимости

В течение 75 лет после открытия явления сверхпроводимости все известные сверхпроводники работали только при температурах близких к абсолютному нулю, ограничивая способ их использования.

Это изменилось в 1986 году, когда ученые обнаружили, что сверхпроводники на основе меди, или купраты переносят электричество без потерь при относительно высоких температурах, но все еще довольно низких температурах.

На самом деле, некоторые соединения меди являются сверхпроводящими при температурах выше 100 Кельвинов, или минус 173 градуса Цельсия, что позволяет развивать сверхпроводящие технологии, которые можно охлаждать жидким азотом.

Были разработаны инновационные теоретические инструменты для понимания поразительных свойств купратов, которые в течение трех десятилетий оставались «голубоглазым мальчиком» для исследователей в области физики сверхпроводников.
Поскольку такое охлаждение является дорогостоящим, оно ограничивает их применение в мире в целом.

Сверхпроводники комнатной температуры

В последние годы исследователи выдвигают температурные ограничения на то, насколько холодным должен быть сверхпроводящий материал, чтобы функционировать.

В настоящее время рекордсменом является соединение, состоящее из серы и водорода, которое может без потерь проводить электричество при относительно теплой температуре 203 Кельвина (-70 градусов Цельсия).

Единственная загвоздка в том, что для его формирования требуется давление в 1,5 миллиона атмосфер.

По мере того как физики будут больше узнавать о сверхпроводящих материалах, они будут разрабатывать более точные модели этого явления, возможно, приближая нас к сверхпроводникам, которые могут удобно работать в  кармане.

История сверхпроводящих материалов была особенно отмечена открытием других соединений, в частности органических сверхпроводников, которые, несмотря на их низкую критическую температуру, продолжают привлекать большой интерес к своим экзотическим свойствам.

И последнее, но не менее важное: недавние наблюдения сверхпроводимости в материалах на основе железа (пниктиды) возродили надежду на достижение сверхпроводимости при комнатной температуре.

Однако, несмотря на интенсивные исследования во всем мире, некоторые особенности, связанные с этим явлением, остаются закрытыми.

Одним из фундаментальных ключевых вопросов является механизм, с помощью которого происходит явление сверхпроводимости. Этот механизм наука изучает.

Синтез образцов с явлением сверхпроводника

Последние теоретические предсказания показали, что появился новый класс сверхпроводящих материалов гидриды которые могли бы проложить путь к высокотемпературной сверхпроводимости. Исследователи создали один из этих материалов, называемый гидридом лантана, проверили его сверхпроводимость и определили его структуру и состав.

Ученые бомбардировали образец нового сверхпроводящего материала рентгеновскими лучами для изучения его свойств.

Единственная загвоздка заключалась в том, что материал нужно было поместить под чрезвычайно высокое давление от 150 до 170 гигапаскалей, что более чем в полтора миллиона раз превышает стандартное воздушное давление на уровне моря.

Только в этих условиях высокого давления крошечный образец гидрид лантана всего несколько микрон проявляет сверхпроводимость при новой рекордной температуре.

Фактически, материал показал три из четырех характеристик, необходимых для доказательства сверхпроводимости: упало его электрическое сопротивление, уменьшилась его критическая температура под внешним магнитным полем, поле показало изменение температуры при замене элементов изотопами.

Четвертая характеристика, называемая эффектом Мейснера, при которой материал вытесняет любые магнитное поле. В эксперименте исследователи сжали крошечный образец материала между двумя маленькими алмазами, чтобы оказать необходимое давление, затем использовали рентгеновские лучи для исследования его структуры и состава.Температура используемая для проведения эксперимента, находилась в пределах нормы, что делает конечной целью нормальные условия—или хотя бы 0 градусов по Цельсию—кажется, в пределах досягаемости.

Ученые уже продолжают сотрудничать, чтобы найти новые материалы, которые могут создавать сверхпроводимость при более разумных условиях.

Углерод – элемент номер шесть. Прямо в середине первой строки периодической таблицы химических элементов.  Ну и что?  Углерод основа жизни – это самый важный элемент живых организмов.

Без этого элемента жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. Как вы увидите, шестой элемент периодической таблицы является центральным в соединениях, необходимых для жизни.

Значение углерода Соединение, содержащееся главным образом в живых …

Читать далее »

Шумиху вокруг “умных” технологий и домашней автоматизации нельзя отрицать.

Но в чем же большая выгода? Как работают интеллектуальные дома, и как именно сегодняшние так называемые умные термостаты и другие устройства действительно выигрывают против своих предшественников? Неужели интеллектуальные термостаты действительно работают так сильно по-другому чем другие виды терморегуляторов? Определение “умного” термостата Поскольку отопление и охлаждение составляют примерно половину типичного счета за …

Читать далее »

Осмысление жизни  проистекает из глубокого стремления познать и разгадать свое существование.

Это требует страстного и сосредоточенного ума, который готов отложить повседневную жизнь в сторону поиска глубоких ответов.

Как узнать больше о смысле жизни Как только вы утвердились в желании узнать больше о смысле жизни, следующий шаг-это уделять больше внимания тому, как информация в мире течет к вам. Вы можете посмотреть …

Читать далее »

Топливный элемент-это электрохимическое устройство, подобное первичной или вторичной батарее, которое преобразует химическую энергию из топлива непосредственно в электрическую; но в отличие от батарей, процесс преобразования энергии в топливном элементе непрерывен при непрерывной внешней подаче топлива. Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда используются углеводороды, такие как природный газ и спирты, такие как метанол. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что …

Читать далее »

Формы жизни и их зарождение так или иначе произошли в космосе. Это можно интерпретировать тем, что именно в космосе «живет» наша планета.

 Рассматриваемые учеными характеры существования Ученые утверждают, что все происходящее в живом существе можно определить как упорядоченную систему, которая может поддерживать себя на фоне тенденции к жизни и может воспроизводить себя. Существующие формы жизни должны преобразовать пищу, солнечный свет или электричество …

Читать далее »

Изобретение плуга как древнего инструмента произвело революцию в сельском хозяйстве. К 3500 году до нашей эры египтяне обрабатывали землю с помощью деревянного клиновидного орудия с железным наконечником, которое тянули волы.

Благодаря изобретению плуга ранние земледельцы могли обрабатывать быстрее чем раньше, что позволяло им производить больше урожая в более короткие сроки. Изобретение плуга помогло бороться с сорняками и закапывать остатки урожая. …

Читать далее »

Термин “ноотропы” в первую очередь относится к химическим веществам, которые отвечают очень специфическим критериям.

Ноотропные препараты природного или синтетического происхождения могут оказать положительное влияние на умственные способности.

В общем, ноотропы для мозга делятся на три основные категории: пищевые добавки, синтетические соединения и отпускаемые по рецепту лекарства. В то время как эксперты в области здравоохранения в целом согласны с тем, что …

Читать далее »

Верить в бога и его сверхъестественные силы или нет? Но, тем не менее есть различные мнения по этому вопросу. Лаконичные мысли про веру в Бога Религия без науки смешна. Гораздо эффективнее верить не в Бога, а в научный прогресс. По-настоящему о Боге мы ничего не знаем. Мы его никогда не видели и не прикасались к нему, но мы всегда вспоминаем …

Читать далее »

Применение новых оптоволоконных технологий  позволило улучшить способ коммуникации за счет резкого получения высокой пропускной способности.

Это быстро увеличило потребительский и коммерческий спрос на дополнительные телекоммуникационные мощности и интернет-услуги с волоконно-оптической технологией, способной обеспечить необходимую информационную емкость.

Развитие возможностей передающих сред позволило передавать больше данных на большие расстояния. Многочисленные исследования по-прежнему предлагаются и проводятся для дальнейшего совершенствования существующей в настоящее время …

Читать далее »

Деревья всегда обвораживали людей. Эта жизненная форма деревянистых растений  прекрасна на нашей планете. Сообщения про деревья упоминаются почти во  всех религиях и побуждают живописцев на протяжении 1000-летий.

В детстве я читал научную фантастическую историю, которая принудила меня заново посмотреть на деревья. В этой истории прилетели гости из развитой цивилизации на Землю, и их галактический корабль приземляется среди леса.

Инопланетяне длительно …

Читать далее »

Передача электроэнергии без проводов в глобальном масштабе была предложена более 100 лет назад, когда Никола Тесла впервые начал свои эксперименты, кульминацией которых стало строительство башни на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, в начале 1900-х гг. Целью Теслы было разработать технологию передачи электроэнергии в любую точку мира без проводов. Он подал несколько патентов, описывающих беспроводные передатчики и приемники энергии. Однако его знание электрических …

Читать далее »

Как долго живут комары? Это зависит от пола. Вообще говоря, самки комаров имеют более длительный срок жизни, чем самцы. Самки могут оставаться в живых до 56 дней, в то время как самцы живут только 10 дней. Кроме того самцы не так активны в летнюю погоду. Самое отвратительное от жизни этих насекомых заключается в укусах и зуде после укуса на коже. …

Читать далее »

Источник: https://v-nayke.ru/?p=16263

Свойства сверхпроводников

Свойства сверхпроводников

В 1911 году нидерландский физик Х. Камерлинг-Оннес получил, что при $T=4,3 K$ у ртути отсутствует сопротивление электрическому току. Причем падение сопротивления идет скачком в интервале несколько сотых градуса.

Позднее обнаружилось, что резкое уменьшение сопротивления можно наблюдать и у других чистых веществ и некоторых сплавов.

Это явление назвали сверхпроводимостью Температура перехода в состояние сверхпроводимости у разных веществ разные, но всегда очень низкие.

Если возбудить электрический ток в кольце из сверхпроводника при помощи такого явления, как электромагнитная индукция, то сила тока может не изменяться до нескольких лет.

Пример:

  1. Возьмем кольцо из проволоки.
  2. Поместим его в магнитное поле.
  3. Выключим магнитное поле (быстро удалим магнит). В кольце появится ток индукции.

Данный ток будет идти очень короткое время, поскольку ЭДС индукции действует только в момент отключения магнитного поля. После прекращения работы ЭДС перестает идти ток в проводнике.

Проведем ту же последовательность действий со сверхпроводником, сопротивление которого равно нулю. В материале сверхпроводника отсутствуют силы, препятствующие движению электронов. Следовательно, для поддержания тока в проводнике нет необходимости во внешнем электрическом поле, значит, источник ЭДС не нужен.

Ток в сверхпроводнике может существовать долгое время и после прекращения действия электродвижущей силы. В подобном эксперименте Камерлинг – Оннес наблюдал наличие тока в сверхпроводнике в течение почти четырех суток, после выключения магнитного поля.

В этом опыте кольцо из свинца поддерживалось при очень низкой температуре около 7К.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Критическая температура

Верхним пределом удельного сопротивления сверхпроводников считают менее $\rho

Определение 1

Явление скачкообразного уменьшения сопротивления веществ при низких температурах назвали сверхпроводимостью.

Температура, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).

Сопротивление веществ до их перехода в сверхпроводящее состояние может быть разным. Многие из них при комнатных температурах могут обладать высоким сопротивлением. Как уже отмечалось, переход в сверхпроводящее состояние происходит очень резко. У чистых монокристаллов интервал температур перехода составляет менее тысячной градуса.

Сверхпроводимость среди «чистых» материалов выявлена у:

  • алюминия,
  • кадмия,
  • цинка,
  • индия,
  • галлия.

Свойство сверхпроводимости связано со структурой кристаллической решетки. Так, белое олово проявляет свойства сверхпроводника, а серое не проявляет, ртуть имеет сверхпроводящие свойства только в $\alpha$ — фазе.

Критическое поле

В 1914 г. Камерлинг – Оннес выявил, что состояние сверхпроводимости можно разрушить при помощи магнитного поля, если величина магнитной индукции его выше некоторого критического значения. Это значение зависит от материала сверхпроводника и его температуры.

Критическое поле может создать сам сверхпроводящий ток. Следовательно, есть критическая величина силы тока, при которой состояние сверхпроводимости подвергается деструкции.

Эффект Мейсснера

В 1933 году ученые Мейсснер и Оксенфельд выявили, что внутри сверхпроводников полностью отсутствуют магнитные поля. Если сверхпроводник охлаждать во внешнем постоянном магнитном поле, то в момент перехода в состояние сверхпроводника магнитное поле полностью вытесняется из объема материала.

В этом состоит принципиальное отличие сверхпроводника от идеального проводника. У проводника при уменьшении удельного сопротивления индукция магнитного поля в его объеме должна сохраняться без изменений.

Определение 2

Явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника называют эффектом Мейсснера.

К важнейшим свойствам сверхпроводников относят:

  1. Отсутствие сопротивления.
  2. Эффект Мейсснера.

Поверхностный ток

Так как в объеме сверхпроводника отсутствует магнитное поле, то в нем имеются только токи, текущие по поверхности. Эти токи физически реальны. Они локализованы в тонком слое около поверхности тела.

Магнитные поля поверхностных токов нивелируют внешнее магнитное поле внутри сверхпроводника. Получается, что сверхпроводник ведет себя формально как диамагнетик. Но таковым не является, поскольку его намагниченность равна нулю внутри него.

Сверхпроводники первого и второго рода

Чистые вещества (так называемы элементарные проводники), обладающие свойством сверхпроводимости очень немногочисленны. Более часто сверхпроводимость наблюдается у сплавов.

У элементарных сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейсснера, тогда как у сплавов имеется только частичный эффект, то есть магнитное поле выталкивается из объема вещества не полностью.

Определение 3

Вещества, у которых возникает полный эффект Мейсснера, называют сверхпроводниками первого рода.

Вещества, у которых эффект Мейсснера проявляется частично, носят название сверхпроводников второго рода.

Сверхпроводники второго рода в своем объеме имеют круговые токи, которые порождают магнитное поле, распределенное в веществе в виде отдельных «нитей». Сопротивление же этих сверхпроводников, так же равно нулю, как и у первых.

Природа сверхпроводимости

Сверхпроводимость можно сравнить со сверхтекучестью жидкости, которая создана из электронов. Явление сверхтекучести появляется в результате отсутствия обмена энергиями сверхтекучей составляющей жидкости и других ее частей, при этом исчезает трение.

Важным моментом при этом является то, что молекулы этой жидкости как бы конденсируются на самом низком энергетическом уровне, который отделен от других уровней довольно широкой энергетической щелью. Эту щель силы взаимодействия не могут преодолеть.

Это является причиной отсутствия взаимодействия.

Для того чтобы многие частицы могли локализоваться на низшем энергоуровне, нужно их подчинение статистике Бозе- Эйнштейна (это значит они должны иметь целочисленный спин).

Электроны подчинены статистике Ферми – Дирака, значит, не могут собираться не низшем энергоуровне и создавать сверхтекучую жидкость.

Силы отталкивания, возникающие между электронами, в основном компенсируются силами притяжения к ионам кристаллической решетки.

Но из-за тепловых колебаний атомов в узлах решетки между электронами может появляться притяжение, и они способны создавать пары (куперовские пары).

Куперовские пары ведут себя как частицы с целочисленным спином, это значит, что они подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Куперовские пары способны к концентрации, и они создают течение сверхтекучей жидкости, то есть электрический ток в состоянии сверхпроводимости.

Выше самого низкого энергоуровня расположена энергетическая щель, которую пары не могут преодолеть за счет энергии взаимодействия с остальными зарядами, следовательно, она не изменяет свое энергетическое состояние. Как следствие – сопротивление вещества равно нулю.

Процесс возникновения куперовских пар и создания сверхтекучей жидкости объясняет квантовая теория.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/sverhprovodniki/svoystva_sverhprovodnikov/

Явление сверхпроводимости: классификация, свойства и применение

Свойства сверхпроводников

В чем заключается явление сверхпроводимости? Сверхпроводимость представляет собой явление с нулевым электрическим сопротивлением и выбросом полей магнитного потока, возникающих в определенных материалах, называемых сверхпроводниками, при охлаждении ниже характерной критической температуры.

Явление было обнаружено голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом 8 апреля 1911 года в Лейдене. Как и ферромагнетизм и атомные спектральные линии, сверхпроводимость является квантово-механическим явлением. Для него характерен эффект Мейснера — полный выброс линий магнитного поля изнутри сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.

Такова суть явления сверхпроводимости. Возникновение эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике.

В чем состоит явление сверхпроводимости

Электрическое сопротивление металлического проводника постепенно уменьшается при понижении температуры. В обычных проводниках, таких как медь или серебро, это уменьшение ограничено примесями и другими дефектами.

Даже вблизи абсолютного нуля реальный образец нормального проводника показывает некоторое сопротивление. В сверхпроводнике сопротивление резко падает до нуля, когда материал охлаждается ниже его критической температуры.

Электрический ток через петлю сверхпроводящего провода может сохраняться бесконечно без источника питания. Это ответ на вопрос, в чем состоит явление сверхпроводимости.

В 1911 году, изучая свойства вещества при очень низкой температуре, голландский физик Хайке Камерлинг Оннес и его команда обнаружили, что электрическое сопротивление ртути падает до нуля ниже 4,2 К (-269°C). Это было самое первое наблюдение явления сверхпроводимости. Большинство химических элементов становятся сверхпроводящими при достаточно низкой температуре.

Ниже определенной критической температуры материалы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся двумя основными свойствами: во-первых, они не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Когда сопротивление падает до нуля, ток может циркулировать внутри материала без рассеивания энергии.

Во-вторых, при условии, что они достаточно слабые, внешние магнитные поля не проникают в сверхпроводник, а остаются на его поверхности. Это явление изгнания поля стало известно как эффект Мейснера после того, как физик впервые наблюдал его в 1933 году.

Три имени, три буквы и неполная теория

Обычная физика не дает адекватного объяснения сверхпроводящего состояния, равно как и элементарная квантовая теория твердого состояния, которая рассматривает поведение электронов отдельно от поведения ионов в кристаллической решетке.

https://www.youtube.com/watch?v=kDxD2d8dkpk

Только в 1957 году три американских исследователя — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали микроскопическую теорию сверхпроводимости.

Согласно их теории BCS, электроны группируются в пары посредством взаимодействия с колебаниями решетки (так называемыми «фононами»), образуя таким образом куперовские пары, которые движутся внутри твердого тела без трения. Твердое тело можно рассматривать как решетку положительных ионов, погруженных в облако электронов.

Когда электрон проходит через эту решетку, ионы слегка двигаются, притягиваясь отрицательным зарядом электрона. Это движение генерирует электрически положительную область, которая, в свою очередь, привлекает другой электрон.

Энергия электронного взаимодействия довольно слабая, и пары могут быть легко разбиты тепловой энергией — поэтому сверхпроводимость обычно возникает при очень низкой температуре.

Тем не менее, теория BCS не дает объяснения существованию высокотемпературных сверхпроводников при температуре около 80 K (-193 ° C) и выше, для которых необходимо задействовать другие механизмы связи электронов.

На вышеописанном процессе и основывается применение явления сверхпроводимости.

Температура

В 1986 году было обнаружено, что некоторые купрат-перовскитовые керамические материалы имеют критическую температуру выше 90 K (-183 ° C).

Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычного сверхпроводника, что приводит к тому, что материалы называют высокотемпературными сверхпроводниками.

Доступный охлаждающий жидкий азот кипит при 77 К, и, таким образом, сверхпроводимость при более высоких температурах, чем эти, облегчает многие эксперименты и применения, которые менее практичны при более низких температурах. Это ответ на вопрос, при какой температуре возникает явление сверхпроводимости.

Классификация

Сверхпроводники могут быть классифицированы в соответствии с несколькими критериями, которые зависят от нашего интереса к их физическим свойствам, от понимания, которое мы имеем о них, от того, насколько дорогостоящим является их охлаждение или от материала, из которого они сделаны.

По своим магнитным свойствам

Сверхпроводники типа I: те, которые имеют только одно критическое поле, Hc, и резко переходят из одного состояния в другое, когда оно достигнуто.

Сверхпроводники типа II: имеющие два критических поля, Hc1 и Hc2, являющиеся совершенными сверхпроводниками под нижним критическим полем (Hc1) и полностью выходящие из сверхпроводящего состояния над верхним критическим полем (Hc2), находящиеся в смешанном состоянии между критическими полями.

По тому пониманию, которое у нас есть о них

Обычные сверхпроводники: те, которые могут быть полностью объяснены теорией BCS или смежными теориями.

Нетрадиционные сверхпроводники: те, которые не удалось объяснить с помощью таких теорий, например: тяжелые фермионные сверхпроводники.

Этот критерий важен, так как теория BCS объясняет свойства обычных сверхпроводников с 1957 года, но, с другой стороны, не было удовлетворительной теории для объяснения совершенно нетрадиционных сверхпроводников. В большинстве случаев сверхпроводники типа I являются обычными, но есть несколько исключений, таких как ниобий, который является как обычным, так и относящимся к типу II.

По их критической температуре

Низкотемпературные сверхпроводники, или LTS: те, чья критическая температура ниже 30 К.

Высокотемпературные сверхпроводники, или ВТСП: те, чья критическая температура выше 30 К.

Некоторые теперь используют 77 К в качестве разделения, чтобы подчеркнуть, можем ли мы охладить образец жидким азотом (температура кипения которого составляет 77 К), что гораздо более осуществимо, чем жидкий гелий (альтернатива для достижения температур, необходимых для получения низких температур сверхпроводники).

Другие нюансы

Сверхпроводник может относиться к типу I, что означает, что он имеет единственное критическое поле, выше которого вся сверхпроводимость теряется, и ниже которого магнитное поле полностью исключается из сверхпроводника.

Тип II, означающий, что он имеет два критических поля, между которыми он позволяет частичное проникновение магнитного поля через изолированные точки. Эти точки называются вихрями. Кроме того, в многокомпонентных сверхпроводниках возможно сочетание двух вариантов поведения.

В этом случае сверхпроводник имеет тип 1,5.

Свойства

Большинство физических свойств сверхпроводников варьируются от материала к материалу, таких как теплоемкость и критическая температура, критическое поле и плотность критического тока, при которых разрушается сверхпроводимость.

С другой стороны, существует класс свойств, которые не зависят от основного материала. Например, все сверхпроводники имеют абсолютно нулевое удельное сопротивление при малых приложенных токах, когда отсутствует магнитное поле или в том случае, если приложенное поле не превышает критического значения.

Наличие этих универсальных свойств подразумевает то, что сверхпроводимость является термодинамической фазой и, следовательно, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей.

Ситуация отличается в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как куперовские пары.

Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами в результате обмена фононами.

Из-за квантовой механики энергетический спектр этой жидкости куперовской пары обладает энергетической щелью, то есть существует минимальное количество энергии ΔE, которое должно быть подано для возбуждения жидкости.

Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, заданной kT, где k — постоянная Больцмана, а T — температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость пары Купера является сверхтекучей, что означает, что она может течь без рассеивания энергии.

Характеристики сверхпроводимости

В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости появляются, когда температура T понижается ниже критической температуры Tc. Значение этой критической температуры варьируется от материала к материалу. Обычные сверхпроводники обычно имеют критические температуры в диапазоне от около 20 К до менее чем 1 К.

Например, у твердой ртути критическая температура составляет 4,2 К. По состоянию на 2015 г. самая высокая критическая температура, найденная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H2S, хотя требовалось высокое давление около 90 гигапаскалей.

Купратные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры: YBa2Cu3O7, один из первых обнаруженных купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру 92 К, и были найдены купраты на основе ртути с критическими температурами, превышающими 130 К.

Объяснение этих высокие критические температуры остаются неизвестными.

Спаривание электронов из-за фононных обменов объясняет сверхпроводимость в обычных сверхпроводниках, но не объясняет сверхпроводимость в более новых сверхпроводниках, которые имеют очень высокую критическую температуру.

Магнитные поля

Точно так же при фиксированной температуре ниже критической температуры сверхпроводящие материалы перестают сверхпроводить, когда прикладывается внешнее магнитное поле, которое больше критического магнитного поля. Это происходит потому, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с магнитным полем, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля.

Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы меньше, чем у нормальной фазы, и поэтому для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разницы свободных энергий в нуле) две свободные энергии будут равны, и произойдет фазовый переход к нормальной фазе. В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к уменьшению доли сверхпроводящих электронов и, следовательно, к большей глубине проникновения в Лондон внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной при фазовом переходе.

Физический аспект

Начало сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств, что является отличительной чертой фазового перехода. Например, электронная теплоемкость пропорциональна температуре в нормальном (не сверхпроводящем) режиме.

На сверхпроводящем переходе он испытывает скачкообразный прыжок и после этого перестает быть линейным. При низких температурах она изменяется вместо e−α/T для некоторой постоянной α.

Это экспоненциальное поведение является одним из доказательств существования энергетической щели.

Фазовый переход

Объяснение явления сверхпроводимости довольно очевидно. Порядок сверхпроводящего фазового перехода долго обсуждался. Эксперименты показывают, что перехода второго порядка, то есть скрытого тепла, нет. Однако, в присутствии внешнего магнитного поля имеется скрытое тепло, потому что сверхпроводящая фаза имеет более низкую энтропию, ниже критической температуры, чем нормальная фаза.

Экспериментально продемонстрировано следующее: когда магнитное поле увеличивается и выходит за пределы критического поля, результирующий фазовый переход приводит к снижению температуры сверхпроводящего материала. Явление сверхпроводимости кратко было описано выше, теперь время рассказать кое-что о нюансах этого важного эффекта.

Расчеты, проведенные в 1970-х годах, показали, что на самом деле он может быть слабее первого порядка из-за влияния дальних флуктуаций в электромагнитном поле.

В 1980-х годах теоретически было показано с помощью теории поля беспорядка, в которой вихревые линии сверхпроводника играют главную роль, что переход имеет второй порядок в режиме типа II и первый порядок (т. е.

скрытое тепло) в режиме типа I, и что две области разделены трикритической точкой.

Результаты были решительно подтверждены компьютерным моделированием в Монте-Карло. Это сыграло большую роль в изучении явления сверхпроводимости. Работа продолжается и в настоящее время. Сущность явления сверхпроводимости не до конца изучена и объяснена с точки зрения современной науки.

Источник: https://FB.ru/article/457661/yavlenie-sverhprovodimosti-klassifikatsiya-svoystva-i-primenenie

Booksm
Добавить комментарий