Mi a szupravezetés jelensége? A szupravezetés olyan jelenség, amelynek elektromos ellenállása nulla, és mágneses fluxusmezők szabadulnak fel, amelyek bizonyos anyagokban, úgynevezett szupravezetőkben fordulnak elő, amikor egy jellemző kritikus hőmérséklet alá hűtik.
A jelenséget Heike Kamerling-Onnes holland fizikus fedezte fel 1911. április 8-án Leidenben. A ferromágnesességhez és az atomi spektrumvonalakhoz hasonlóan a szupravezetés is kvantummechanikai jelenség. A Meissner-effektus jellemzi – a mágneses erővonalak teljes kilökődése a szupravezető belsejéből a szupravezető állapotba való átmenet során.
Ez a szupravezetés jelenségének lényege. A Meissner-effektus megjelenése azt jelzi, hogy a szupravezetés nem értelmezhető egyszerűen az ideális vezetőképesség idealizálásaként a klasszikus fizikában.
Mi a szupravezetés jelensége
A fémvezető elektromos ellenállása fokozatosan csökkena hőmérséklet csökkentése. Az olyan gyakori vezetékeknél, mint a réz vagy az ezüst, ezt a csökkenést a szennyeződések és egyéb hibák korlátozzák. Egy normál vezető valós mintája még az abszolút nulla közelében is mutat némi ellenállást. Szupravezetőben az ellenállás meredeken nullára csökken, ha az anyagot kritikus hőmérséklete alá hűtik. Az elektromos áram egy szupravezető huzal hurkon keresztül korlátlan ideig fenntartható áramforrás nélkül. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy mi a szupravezetés jelensége.
Előzmények
1911-ben, miközben az anyag tulajdonságait nagyon alacsony hőmérsékleten tanulmányozták, Heike Kamerling Onnes holland fizikus és csapata felfedezte, hogy a higany elektromos ellenállása 4,2 K (-269 °C) alá nullára csökken. Ez volt a szupravezetés jelenségének legelső megfigyelése. A legtöbb kémiai elem elég alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válik.
Bizonyos kritikus hőmérséklet alatt az anyagok szupravezető állapotba kerülnek, amelyet két fő tulajdonság jellemez: először is, nem állnak ellen az elektromos áram áthaladásának. Amikor az ellenállás nullára csökken, az áram keringhet az anyagban energiaveszteség nélkül.
Másodszor, feltéve, hogy kellően gyengék, a külső mágneses mezők nem hatolnak át a szupravezetőn, hanem a felületén maradnak. Ez a terepi kilökődési jelenség Meissner-effektusként vált ismertté, miután először 1933-ban figyelte meg egy fizikus.
Három név, három betű és egy hiányos elmélet
A közönséges fizika nem ad megfelelőta szupravezető állapot magyarázatai, valamint a szilárd állapot elemi kvantumelmélete, amely az elektronok és az ionok viselkedését a kristályrácsban elkülönítve veszi figyelembe.
Csak 1957-ben három amerikai kutató – John Bardeen, Leon Cooper és John Schrieffer – alkotta meg a szupravezetés mikroszkopikus elméletét. BCS-elméletük szerint az elektronok a rácsrezgésekkel való kölcsönhatás révén párokká csomózódnak (úgynevezett "fononok"), így Cooper-párokat alkotnak, amelyek súrlódás nélkül mozognak a szilárd test belsejében. A szilárd testet pozitív ionok rácsának tekinthetjük, amelyek elektronfelhőbe merülnek. Amikor egy elektron áthalad ezen a rácson, az ionok enyhén elmozdulnak, és az elektron negatív töltése vonzza őket. Ez a mozgás elektromosan pozitív tartományt hoz létre, amely viszont vonz egy másik elektront.
Az elektronikus kölcsönhatás energiája meglehetősen gyenge, és a gőzöket a hőenergia könnyen feltörheti – így a szupravezetés általában nagyon alacsony hőmérsékleten lép fel. A BCS-elmélet azonban nem ad magyarázatot a 80 K (-193 °C) körüli és magasabb hőmérsékletű magas hőmérsékletű szupravezetők létezésére, amelyekhez más elektronmegkötő mechanizmusokat is be kell vonni. A szupravezetés jelenségének alkalmazása a fenti folyamaton alapul.
Hőmérséklet
1986-ban néhány kuprát-perovszkit kerámiaanyag kritikus hőmérséklete 90 K (-183 °C) felett volt. Ez a magas csomóponti hőmérséklet elméletilegEgy hagyományos szupravezető számára lehetetlen, ami ahhoz vezet, hogy az anyagokat magas hőmérsékletű szupravezetőnek nevezik. A rendelkezésre álló hűtőfolyékony nitrogén 77 K-en forr, és így a szupravezetés ennél magasabb hőmérsékleten sok olyan kísérletet és alkalmazást tesz lehetővé, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten kevésbé praktikusak. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy milyen hőmérsékleten következik be a szupravezetés jelensége.
Osztályozás
A szupravezetőket több szempont szerint is besorolhatjuk, amelyek a fizikai tulajdonságaik iránti érdeklődésünktől, a velük kapcsolatos ismereteinktől, a hűtésük költségétől vagy az anyaguktól függenek.
Mágneses tulajdonságai alapján
I. típusú szupravezetők: azok, amelyeknek csak egy kritikus mezője van, a Hc, és hirtelen átmennek egyik állapotból a másikba, amikor elérik.
II-es típusú szupravezetők: két kritikus mezővel, Hc1 és Hc2, tökéletes szupravezetők az alsó kritikus mező alatt (Hc1), és teljesen elhagyják a szupravezető állapotot a felső kritikus mező (Hc2) felett, kevert állapotban vannak a kritikus mezők.
Ahogy értjük őket róluk
Közönséges szupravezetők: azok, amelyek teljes mértékben megmagyarázhatók a BCS elmélettel vagy a kapcsolódó elméletekkel.
Nem szokványos szupravezetők: olyanok, amelyeket ilyen elméletekkel nem lehet megmagyarázni, például: nehéz fermionosszupravezetők.
Ez a kritérium azért fontos, mert a BCS-elmélet 1957 óta magyarázza a hagyományos szupravezetők tulajdonságait, másrészt azonban nem létezik kielégítő elmélet a teljesen nem szokványos szupravezetők magyarázatára. A legtöbb esetben az I. típusú szupravezetők gyakoriak, de van néhány kivétel, például a nióbium, amely egyaránt gyakori és a II. típusú.
A kritikus hőmérsékletük szerint
Alacsony hőmérsékletű szupravezetők vagy LTS: azok, amelyek kritikus hőmérséklete 30 K alatt van.
Magas hőmérsékletű szupravezetők vagy HTS: azok, amelyek kritikus hőmérséklete 30 K felett van. Vannak, akik most 77 K-t használnak elválasztásként, hogy hangsúlyozzák, le tudjuk-e hűteni a mintát folyékony nitrogénnel (amelynek forráspontja 77 K), amely sokkal megvalósíthatóbb, mint a folyékony hélium (alternatíva az alacsony hőmérsékletű szupravezetők előállításához szükséges hőmérséklet elérésére).
Egyéb részletek
Egy szupravezető lehet I. típusú, ami azt jelenti, hogy egyetlen kritikus mezője van, amely felett minden szupravezető elveszik, és amely alatt a szupravezetőből a mágneses tér teljesen megszűnik. II típusú, vagyis két kritikus mezője van, amelyek között lehetővé teszi a mágneses tér részleges behatolását elszigetelt pontokon keresztül. Ezeket a pontokat örvényeknek nevezzük. Ezenkívül a többkomponensű szupravezetőkben két viselkedés kombinációja lehetséges. Ebben az esetben a szupravezető 1. típusú, 5.
Tulajdonságok
A szupravezetők fizikai tulajdonságainak többsége anyagonként változik, például hőkapacitás és kritikus hőmérséklet, kritikus mező és kritikus áramsűrűség, amelynél a szupravezetés lebomlik.
Másrészt a tulajdonságoknak van egy osztálya, amely független az alapanyagtól. Például minden szupravezetőnek abszolút nulla az ellenállása alacsony alkalmazott áram mellett, amikor nincs mágneses tér, vagy ha az alkalmazott tér nem haladja meg a kritikus értéket.
Ezen univerzális tulajdonságok jelenléte azt sugallja, hogy a szupravezetés egy termodinamikai fázis, és ezért rendelkezik bizonyos jellegzetes tulajdonságokkal, amelyek nagymértékben függetlenek a mikroszkopikus részletektől.
Más a helyzet a szupravezetőben. Hagyományos szupravezetőben az elektronfolyadék nem választható szét egyedi elektronokra. Ehelyett Cooper-párokként ismert kötött elektronpárokból áll. Ezt a párosítást a fononok cseréjéből származó elektronok közötti vonzóerő okozza. A kvantummechanika miatt a Cooper-pár e folyadékának energiaspektrumában energiarés van, vagyis van egy minimális ΔE energiamennyiség, amelyet a folyadék gerjesztéséhez be kell szolgáltatni.
Ezért, ha ΔE nagyobb, mint a rács kT által megadott hőenergiája, ahol k a Boltzmann-állandó és T a hőmérséklet, akkor a folyadék nem szóródik szét a rácson. ÍgyÍgy a Cooper gőzfolyadék szuperfolyékony, ami azt jelenti, hogy tud áramolni anélkül, hogy energiát disszipálna.
Szupravezetési jellemzők
A szupravezető anyagokban a szupravezetési jellemzők akkor jelennek meg, amikor a T hőmérséklet a Tc kritikus hőmérséklet alá esik. Ennek a kritikus hőmérsékletnek az értéke anyagonként változik. A hagyományos szupravezetők kritikus hőmérséklete általában körülbelül 20 K és kevesebb, mint 1 K között van.
Például a szilárd higany kritikus hőmérséklete 4,2 K. 2015-től a hagyományos szupravezető legmagasabb kritikus hőmérséklete 203 K H2S esetében, bár nagy, körülbelül 90 gigapascal nyomásra volt szükség. A kuprát szupravezetők sokkal magasabb kritikus hőmérsékletűek lehetnek: az egyik első felfedezett kuprát szupravezető, az YBa2Cu3O7 kritikus hőmérséklete 92 K, és a higanyalapú kuprátok kritikus hőmérséklete meghaladja a 130 K-t. A magas kritikus hőmérsékletek magyarázata továbbra is fennáll. ismeretlen.
A fononcserék miatti elektronpárosítás megmagyarázza a hagyományos szupravezetők szupravezetését, de nem magyarázza meg a nagyon magas kritikus hőmérsékletű újabb szupravezetők szupravezetését.
Mágneses mezők
Hasonlóan, a kritikus hőmérséklet alatti rögzített hőmérsékleten a szupravezető anyagok abbahagyják a szupravezetést, ha külső mágneses mezőt alkalmaznak, amely nagyobb, mintkritikus mágneses tér. Ennek az az oka, hogy a szupravezető fázis Gibbs-szabadenergiája a mágneses térrel négyzetesen növekszik, míg a normál fázis szabadenergiája megközelítőleg független a mágneses tértől.
Ha az anyag mező hiányában szupravezető, akkor a szupravezető fázis szabadenergiája kisebb, mint a normál fázisé, ezért a mágneses tér valamely véges értékénél (a négyzettel arányos) a nullánál lévő szabad energiák különbségének gyökere), a két szabad energia egyenlő lesz, és fázisátmenet történik a normál fázisba. Általánosságban elmondható, hogy a magasabb hőmérséklet és az erősebb mágneses tér a szupravezető elektronok kisebb arányát eredményezi, és ezért a külső mágneses mezők és áramok nagyobb mélysége van Londonba. A behatolási mélység a fázisátalakuláskor végtelenné válik.
Fizikai
A szupravezetés kialakulását különféle fizikai tulajdonságok hirtelen megváltozása kíséri, ami a fázisátalakulás jellemzője. Például az elektronok hőkapacitása arányos a normál (nem szupravezető) rendszer hőmérsékletével. A szupravezető átmenetnél ugrást tapasztal, majd megszűnik lineáris lenni. Alacsony hőmérsékleten e−α/T helyett valamilyen állandó α esetén változik. Ez az exponenciális viselkedés az egyik bizonyíték az energiarés létezésére.
Fázisátmenet
A szupravezetés jelenségének magyarázata eléggémagától értetődően. A szupravezető fázisátalakulás sorrendjét már régóta tárgyalják. A kísérletek azt mutatják, hogy nincs másodrendű átmenet, vagyis látens hő. Külső mágneses tér jelenlétében azonban látens hő van, mivel a szupravezető fázis entrópiája alacsonyabb, a kritikus hőmérsékletnél alacsonyabb, mint a normál fázisé.
Kísérletileg igazolták a következőket: amikor a mágneses tér növekszik és túllép a kritikus mezőn, az így létrejövő fázisátalakulás a szupravezető anyag hőmérsékletének csökkenéséhez vezet. A szupravezetés jelenségét fentebb már röviden leírtuk, most itt az ideje, hogy elmondjunk valamit ennek a fontos hatásnak az árnyalatairól.
Az 1970-es években végzett számítások azt mutatták, hogy az elektromágneses tér nagy hatótávolságú fluktuációi miatt valójában gyengébb is lehet, mint az első sorrend. Az 1980-as években elméletileg kimutatták a rendezetlenségtér-elmélet segítségével, amelyben a szupravezető örvényvonalak játszanak nagy szerepet, hogy az átmenet a II. típusú módban másodrendű, az I. típusú módban pedig elsőrendű (azaz látens hő), ill. hogy a két régiót egy trikritikus pont választja el.
Az eredményeket a Monte Carlóban végzett számítógépes szimulációk erősen megerősítették. Ez fontos szerepet játszott a szupravezetés jelenségének vizsgálatában. A munka jelenleg is folyik. A szupravezetés jelenségének lényege a modern tudomány szemszögéből nem teljesen érthető és megmagyarázott.
