Явление сверхпроводимости: классификация, свойства и применение

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.

История

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.

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.