Wat is het fenomeen van supergeleiding? Supergeleiding is een fenomeen zonder elektrische weerstand en het vrijkomen van magnetische fluxvelden die optreden in bepaalde materialen, supergeleiders genaamd, wanneer ze worden afgekoeld tot onder een karakteristieke kritische temperatuur.
Het fenomeen werd op 8 april 1911 in Leiden ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerling-Onnes. Net als ferromagnetisme en atomaire spectraallijnen is supergeleiding een kwantummechanisch fenomeen. Het wordt gekenmerkt door het Meissner-effect - een volledige uitwerping van magnetische veldlijnen vanuit de supergeleider tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand.
Dit is de essentie van het fenomeen supergeleiding. De opkomst van het Meissner-effect geeft aan dat supergeleiding niet eenvoudig kan worden begrepen als een idealisering van ideale geleidbaarheid in de klassieke natuurkunde.
Wat is het fenomeen van supergeleiding
De elektrische weerstand van een metalen geleider neemt geleidelijk af naarmatehet verlagen van de temperatuur. In gewone geleiders zoals koper of zilver wordt deze reductie beperkt door onzuiverheden en andere defecten. Zelfs in de buurt van het absolute nulpunt vertoont een echt monster van een normale geleider enige weerstand. In een supergeleider da alt de weerstand scherp tot nul wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot onder de kritische temperatuur. Elektrische stroom door een lus van supergeleidende draad kan voor onbepaalde tijd worden gehandhaafd zonder een stroombron. Dit is het antwoord op de vraag, wat is het fenomeen van supergeleiding.
Geschiedenis
In 1911 ontdekten de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerling Onnes en zijn team tijdens het bestuderen van de eigenschappen van materie bij zeer lage temperaturen dat de elektrische weerstand van kwik tot nul da alt onder 4,2 K (-269 °C). Dit was de allereerste waarneming van het fenomeen supergeleiding. De meeste chemische elementen worden supergeleidend bij voldoende lage temperaturen.
Onder een bepaalde kritische temperatuur gaan materialen over in een supergeleidende toestand, gekenmerkt door twee hoofdeigenschappen: ten eerste zijn ze niet bestand tegen de doorgang van elektrische stroom. Wanneer de weerstand tot nul da alt, kan de stroom in het materiaal circuleren zonder energiedissipatie.
Ten tweede, op voorwaarde dat ze voldoende zwak zijn, dringen externe magnetische velden niet door de supergeleider, maar blijven ze op het oppervlak. Dit fenomeen van velduitdrijving werd bekend als het Meissner-effect nadat het voor het eerst werd waargenomen door een natuurkundige in 1933.
Drie namen, drie letters en een onvolledige theorie
Gewone natuurkunde geeft niet voldoendeverklaringen van de supergeleidende toestand, evenals de elementaire kwantumtheorie van de vaste toestand, die het gedrag van elektronen afzonderlijk beschouwt van het gedrag van ionen in een kristalrooster.
Pas in 1957 creëerden drie Amerikaanse onderzoekers - John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer de microscopische theorie van supergeleiding. Volgens hun BCS-theorie bundelen elektronen zich in paren door interactie met roostertrillingen (zogenaamde "fonons"), waardoor Cooper-paren worden gevormd die zonder wrijving in een vaste stof bewegen. Een vaste stof kan worden gezien als een rooster van positieve ionen ondergedompeld in een wolk van elektronen. Wanneer een elektron door dit rooster gaat, bewegen de ionen een beetje, aangetrokken door de negatieve lading van het elektron. Deze beweging genereert een elektrisch positief gebied, dat op zijn beurt een ander elektron aantrekt.
De energie van de elektronische interactie is vrij zwak en dampen kunnen gemakkelijk worden afgebroken door thermische energie - dus supergeleiding treedt meestal op bij zeer lage temperaturen. De BCS-theorie geeft echter geen verklaring voor het bestaan van supergeleiders bij hoge temperatuur bij ongeveer 80 K (-193 ° C) en hoger, waarbij andere elektronenbindende mechanismen moeten worden betrokken. De toepassing van het fenomeen supergeleiding is gebaseerd op het bovenstaande proces.
Temperatuur
In 1986 bleken sommige cupraat-perovskiet-keramische materialen kritische temperaturen boven 90 K (-183 °C) te hebben. Deze hoge junctietemperatuur is theoretischonmogelijk voor een conventionele supergeleider, wat ertoe leidt dat materialen worden aangeduid als supergeleiders voor hoge temperaturen. Beschikbare vloeibare stikstof kookt bij 77 K, en dus supergeleiding bij temperaturen hoger dan deze vergemakkelijkt veel experimenten en toepassingen die minder praktisch zijn bij lagere temperaturen. Dit is het antwoord op de vraag bij welke temperatuur het fenomeen supergeleiding optreedt.
Classificatie
Supergeleiders kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria die afhankelijk zijn van onze interesse in hun fysieke eigenschappen, van het begrip dat we erover hebben, van hoe duur het is om ze te koelen, of van het materiaal waarvan ze zijn gemaakt.
Door zijn magnetische eigenschappen
Type I supergeleiders: die hebben slechts één kritisch veld, Hc, en gaan abrupt over van de ene toestand naar de andere wanneer het wordt bereikt.
Type II supergeleiders: met twee kritische velden, Hc1 en Hc2, die perfecte supergeleiders zijn onder het onderste kritische veld (Hc1) en de supergeleidende toestand volledig verlaten boven het bovenste kritische veld (Hc2), in een gemengde toestand tussen de kritische velden.
Zoals we ze over hen begrijpen
Gewone supergeleiders: degene die volledig kunnen worden verklaard door BCS-theorie of verwante theorieën.
Onconventionele supergeleiders: die welke niet verklaard konden worden met behulp van dergelijke theorieën, bijvoorbeeld: zware fermionischesupergeleiders.
Dit criterium is belangrijk omdat de BCS-theorie sinds 1957 de eigenschappen van conventionele supergeleiders verklaart, maar aan de andere kant is er geen bevredigende theorie om de volledig onconventionele supergeleiders te verklaren. In de meeste gevallen zijn Type I-supergeleiders gebruikelijk, maar er zijn een paar uitzonderingen, zoals niobium, dat zowel gebruikelijk is als Type II.
Door hun kritische temperatuur
Lage temperatuur supergeleiders, of LTS: die waarvan de kritische temperatuur lager is dan 30 K.
Hoge temperatuur supergeleiders, of HTS: die waarvan de kritische temperatuur hoger is dan 30 K. Sommigen gebruiken nu 77 K als scheiding om te benadrukken of we het monster kunnen koelen met vloeibare stikstof (waarvan het kookpunt 77 K is), wat is veel haalbaarder dan vloeibaar helium (een alternatief om de temperaturen te bereiken die nodig zijn om supergeleiders bij lage temperatuur te produceren).
Overige details
Een supergeleider kan van het type I zijn, wat betekent dat hij een enkel kritisch veld heeft, waarboven alle supergeleiding verloren gaat, en waaronder het magnetische veld volledig wordt geëlimineerd uit de supergeleider. Type II, wat betekent dat het twee kritische velden heeft waartussen het gedeeltelijke penetratie van het magnetische veld door geïsoleerde punten mogelijk maakt. Deze punten worden draaikolken genoemd. Bovendien is in multicomponent-supergeleiders een combinatie van twee gedragingen mogelijk. In dit geval is de supergeleider van het type 1, 5.
Eigenschappen
De meeste fysieke eigenschappen van supergeleiders variëren van materiaal tot materiaal, zoals warmtecapaciteit en kritische temperatuur, kritisch veld en kritische stroomdichtheid waarbij supergeleiding kapot gaat.
Aan de andere kant is er een klasse van eigenschappen die onafhankelijk zijn van het basismateriaal. Alle supergeleiders hebben bijvoorbeeld absoluut nul soortelijke weerstand bij lage aangelegde stromen, wanneer er geen magnetisch veld is of wanneer het aangelegde veld een kritische waarde niet overschrijdt.
De aanwezigheid van deze universele eigenschappen impliceert dat supergeleiding een thermodynamische fase is en daarom bepaalde onderscheidende eigenschappen heeft die grotendeels onafhankelijk zijn van microscopische details.
De situatie is anders in de supergeleider. In een conventionele supergeleider kan de elektronenvloeistof niet worden gescheiden in individuele elektronen. In plaats daarvan bestaat het uit gebonden elektronenparen die bekend staan als Cooper-paren. Deze koppeling wordt veroorzaakt door de aantrekkingskracht tussen elektronen als gevolg van de uitwisseling van fononen. Vanwege de kwantummechanica heeft het energiespectrum van deze vloeistof van het Cooper-paar een energiekloof, dat wil zeggen, er is een minimale hoeveelheid energie ΔE die moet worden geleverd om de vloeistof te exciteren.
Daarom, als ΔE groter is dan de thermische energie van het rooster gegeven door kT, waarbij k de Boltzmann-constante is en T de temperatuur, zal de vloeistof niet door het rooster worden verstrooid. DusDe Cooper-dampvloeistof is dus supervloeibaar, wat betekent dat hij kan stromen zonder energie te verspillen.
Supergeleiding kenmerken
In supergeleidende materialen verschijnen supergeleidingskenmerken wanneer de temperatuur T onder de kritische temperatuur Tc da alt. De waarde van deze kritische temperatuur varieert van materiaal tot materiaal. Conventionele supergeleiders hebben doorgaans kritische temperaturen variërend van ongeveer 20 K tot minder dan 1 K.
Vast kwik heeft bijvoorbeeld een kritische temperatuur van 4,2 K. Vanaf 2015 is de hoogste kritische temperatuur die is gevonden voor een conventionele supergeleider 203 K voor H2S, hoewel een hoge druk van ongeveer 90 gigapascal nodig was. Cuprate-supergeleiders kunnen veel hogere kritische temperaturen hebben: YBa2Cu3O7, een van de eerste ontdekte cuprate-supergeleiders, heeft een kritische temperatuur van 92 K, en er zijn op kwik gebaseerde cupraten gevonden met kritische temperaturen van meer dan 130 K. De verklaring voor deze hoge kritische temperaturen blijft onbekend.
Elektronenparen als gevolg van fononenuitwisselingen verklaart supergeleiding in conventionele supergeleiders, maar verklaart niet de supergeleiding in nieuwere supergeleiders die een zeer hoge kritische temperatuur hebben.
Magnetische velden
Evenzo stoppen supergeleidende materialen bij een vaste temperatuur onder de kritische temperatuur met supergeleidend wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd dat groter is dankritisch magnetisch veld. Dit komt omdat de Gibbs-vrije energie van de supergeleidende fase kwadratisch toeneemt met het magnetische veld, terwijl de vrije energie van de normale fase ongeveer onafhankelijk is van het magnetische veld.
Als het materiaal supergeleidend is in afwezigheid van een veld, dan is de vrije energie van de supergeleidende fase minder dan die van de normale fase, en daarom voor een eindige waarde van het magnetische veld (evenredig met het kwadraat wortel van het verschil in vrije energieën bij nul), zullen de twee vrije energieën gelijk zijn en zal er een faseovergang zijn naar de normale fase. Meer in het algemeen resulteren een hogere temperatuur en een sterker magnetisch veld in een kleiner aandeel supergeleidende elektronen en dus een grotere penetratiediepte in Londen van externe magnetische velden en stromen. De penetratiediepte wordt oneindig bij de faseovergang.
Fysiek
Het begin van supergeleiding gaat gepaard met abrupte veranderingen in verschillende fysieke eigenschappen, wat het kenmerk is van een faseovergang. Zo is de elektronenwarmtecapaciteit evenredig met de temperatuur in het normale (niet supergeleidende) regime. Bij de supergeleidende overgang ervaart het een sprong en daarna houdt het op lineair te zijn. Bij lage temperaturen verandert het in plaats van e−α/T voor een constante α. Dit exponentiële gedrag is een van de bewijzen voor het bestaan van een energiekloof.
Faseovergang
De verklaring van het fenomeen supergeleiding is nogalblijkbaar. De volgorde van de supergeleidende faseovergang is lang besproken. Experimenten tonen aan dat er geen tweede-orde-overgang is, dat wil zeggen latente warmte. In de aanwezigheid van een extern magnetisch veld is er echter latente warmte omdat de supergeleidende fase een lagere entropie heeft, lager dan de kritische temperatuur, dan de normale fase.
Experimenteel het volgende aangetoond: wanneer het magnetische veld toeneemt en voorbij het kritische veld gaat, leidt de resulterende faseovergang tot een verlaging van de temperatuur van het supergeleidende materiaal. Het fenomeen supergeleiding is hierboven kort beschreven, nu is het tijd om u iets te vertellen over de nuances van dit belangrijke effect.
Berekeningen gemaakt in de jaren 1970 toonden aan dat het in feite zwakker zou kunnen zijn dan de eerste orde vanwege de invloed van lange-afstandsfluctuaties in het elektromagnetische veld. In de jaren tachtig werd theoretisch aangetoond met behulp van wanordeveldentheorie, waarin supergeleider-vortexlijnen een grote rol spelen, dat de overgang tweede orde is in de type II-modus en eerste orde (d.w.z. latente warmte) in de type I-modus, en dat de twee regio's worden gescheiden door een trikritisch punt.
De resultaten werden sterk bevestigd door computersimulaties in Monte Carlo. Dit speelde een belangrijke rol bij de studie van het fenomeen supergeleiding. Het werk gaat op dit moment door. De essentie van het fenomeen supergeleiding wordt niet volledig begrepen en verklaard vanuit het oogpunt van de moderne wetenschap.
