Ano ang phenomenon ng superconductivity? Ang superconductivity ay isang phenomenon na may zero electrical resistance at ang paglabas ng mga magnetic flux field na nangyayari sa ilang partikular na materyales, na tinatawag na superconductor, kapag pinalamig sa ibaba ng isang katangiang kritikal na temperatura.
Ang phenomenon ay natuklasan ng Dutch physicist na si Heike Kamerling-Onnes noong Abril 8, 1911 sa Leiden. Tulad ng ferromagnetism at atomic spectral lines, ang superconductivity ay isang quantum mechanical phenomenon. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng Meissner effect - isang kumpletong pagbuga ng mga linya ng magnetic field mula sa loob ng superconductor sa panahon ng paglipat nito sa superconducting state.
Ito ang esensya ng phenomenon ng superconductivity. Ang paglitaw ng Meissner effect ay nagpapahiwatig na ang superconductivity ay hindi mauunawaan bilang isang idealization ng ideal conductivity sa classical physics.
Ano ang phenomenon ng superconductivity
Ang electrical resistance ng isang metal conductor ay unti-unting bumababa habangpagpapababa ng temperatura. Sa mga karaniwang konduktor tulad ng tanso o pilak, ang pagbawas na ito ay nalilimitahan ng mga dumi at iba pang mga depekto. Kahit na malapit sa absolute zero, ang isang tunay na sample ng isang normal na konduktor ay nagpapakita ng ilang pagtutol. Sa isang superconductor, ang paglaban ay bumaba nang husto sa zero kapag ang materyal ay pinalamig sa ibaba ng kritikal na temperatura nito. Ang electric current sa pamamagitan ng isang loop ng superconducting wire ay maaaring mapanatili nang walang katapusan nang walang pinagmumulan ng kuryente. Ito ang sagot sa tanong, ano ang phenomenon ng superconductivity.
Kasaysayan
Noong 1911, habang pinag-aaralan ang mga katangian ng matter sa napakababang temperatura, natuklasan ng Dutch physicist na si Heike Kamerling Onnes at ng kanyang team na ang electrical resistance ng mercury ay bumaba sa zero sa ibaba 4.2 K (-269°C). Ito ang pinakaunang obserbasyon ng phenomenon ng superconductivity. Karamihan sa mga elemento ng kemikal ay nagiging superconducting sa sapat na mababang temperatura.
Sa ibaba ng isang partikular na kritikal na temperatura, ang mga materyales ay pumasa sa isang superconducting state, na nailalarawan sa pamamagitan ng dalawang pangunahing katangian: una, hindi nila nilalabanan ang pagdaan ng electric current. Kapag bumaba ang resistensya sa zero, maaaring umikot ang kasalukuyang sa loob ng materyal nang walang pagkawala ng enerhiya.
Pangalawa, sa kondisyon na ang mga ito ay sapat na mahina, ang mga panlabas na magnetic field ay hindi tumagos sa superconductor, ngunit nananatili sa ibabaw nito. Nakilala ang field expulsion phenomenon na ito bilang Meissner effect matapos itong unang maobserbahan ng isang physicist noong 1933.
Tatlong pangalan, tatlong titik at isang hindi kumpletong teorya
Ang ordinaryong pisika ay hindi nagbibigay ng sapatmga paliwanag ng superconducting state, pati na rin ang elementary quantum theory ng solid state, na isinasaalang-alang ang pag-uugali ng mga electron nang hiwalay sa pag-uugali ng mga ion sa isang kristal na sala-sala.
Noon lamang 1957, tatlong Amerikanong mananaliksik - sina John Bardeen, Leon Cooper at John Schrieffer ang lumikha ng microscopic theory ng superconductivity. Ayon sa kanilang teorya ng BCS, ang mga electron ay nagsasama-sama sa mga pares sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa mga vibrations ng sala-sala (tinatawag na "phonons"), kaya bumubuo ng mga pares ng Cooper na gumagalaw nang walang friction sa loob ng solid. Ang isang solid ay maaaring tingnan bilang isang sala-sala ng mga positibong ion na nakalubog sa isang ulap ng mga electron. Kapag ang isang elektron ay dumaan sa sala-sala na ito, ang mga ion ay gumagalaw nang bahagya, na naaakit ng negatibong singil ng elektron. Ang paggalaw na ito ay bumubuo ng isang electrically positive na rehiyon, na umaakit naman ng isa pang electron.
Ang enerhiya ng elektronikong pakikipag-ugnayan ay medyo mahina, at ang mga singaw ay madaling masira ng thermal energy - kaya ang superconductivity ay kadalasang nangyayari sa napakababang temperatura. Gayunpaman, ang teorya ng BCS ay hindi nagbibigay ng paliwanag para sa pagkakaroon ng mga superconductor na may mataas na temperatura sa humigit-kumulang 80 K (-193 °C) at mas mataas, kung saan dapat kasangkot ang iba pang mga mekanismong nagbubuklod ng elektron. Ang aplikasyon ng phenomenon ng superconductivity ay batay sa proseso sa itaas.
Temperature
Noong 1986, ang ilang cuprate-perovskite ceramic na materyales ay natagpuang may kritikal na temperatura sa itaas 90 K (-183 °C). Ang mataas na temperatura ng junction na ito ay theoreticallyimposible para sa isang maginoo na superconductor, na humahantong sa mga materyales na tinutukoy bilang mataas na temperatura superconductor. Ang available na cooling liquid nitrogen ay kumukulo sa 77 K, at sa gayon ang superconductivity sa mga temperaturang mas mataas kaysa sa mga ito ay nagpapadali sa maraming mga eksperimento at aplikasyon na hindi gaanong praktikal sa mas mababang temperatura. Ito ang sagot sa tanong kung anong temperatura nangyayari ang phenomenon ng superconductivity.
Pag-uuri
Maaaring uriin ang mga superconductor ayon sa ilang pamantayan na nakadepende sa ating interes sa kanilang mga pisikal na katangian, sa pagkakaunawa natin tungkol sa mga ito, sa kung gaano kamahal ang pagpapalamig sa kanila, o sa materyal na kung saan sila ginawa.
Sa pamamagitan ng magnetic properties nito
Type I superconductor: yaong mayroon lamang isang kritikal na field, Hc, at biglang lumilipat mula sa isang estado patungo sa isa pa kapag naabot na ito.
Type II superconductor: pagkakaroon ng dalawang kritikal na field, Hc1 at Hc2, na perpektong superconductor sa ilalim ng lower critical field (Hc1) at ganap na umaalis sa superconducting state sa itaas ng upper critical field (Hc2), na nasa magkahalong estado sa pagitan ang mga kritikal na field.
Habang naiintindihan natin sila tungkol sa kanila
Mga ordinaryong superconductor: yaong ganap na maipaliwanag ng teorya ng BCS o mga kaugnay na teorya.
Mga hindi kinaugalian na superconductor: ang mga hindi maipaliwanag gamit ang mga naturang teorya, halimbawa: heavy fermionicsuperconductor.
Ang pamantayang ito ay mahalaga dahil ang teorya ng BCS ay nagpapaliwanag ng mga katangian ng mga kumbensyonal na superkonduktor mula noong 1957, ngunit sa kabilang banda, walang kasiya-siyang teorya upang ipaliwanag ang ganap na hindi kinaugalian na mga superkonduktor. Sa karamihan ng mga kaso, ang Type I superconductor ay karaniwan, ngunit may ilang mga pagbubukod, tulad ng niobium, na parehong karaniwan at Type II.
Sa kanilang kritikal na temperatura
Mababang temperatura superconductor, o LTS: yaong ang kritikal na temperatura ay mas mababa sa 30 K.
Mataas na temperatura superconductors, o HTS: ang mga may kritikal na temperatura ay higit sa 30 K. Ginagamit na ngayon ng ilan ang 77 K bilang paghihiwalay upang bigyang-diin kung maaari nating palamigin ang sample gamit ang liquid nitrogen (na ang boiling point ay 77 K), na ay higit na magagawa kaysa sa likidong helium (isang alternatibo upang maabot ang mga temperaturang kailangan para makabuo ng mga superconductor na mababa ang temperatura).
Iba pang detalye
Ang isang superconductor ay maaaring maging type I, na nangangahulugang mayroon itong isang kritikal na field, kung saan ang lahat ng superconductivity ay nawawala, at sa ibaba kung saan ang magnetic field ay ganap na inaalis mula sa superconductor. Type II, ibig sabihin, mayroon itong dalawang kritikal na field kung saan pinapayagan nito ang bahagyang pagtagos ng magnetic field sa pamamagitan ng mga nakahiwalay na punto. Ang mga puntong ito ay tinatawag na vortices. Bilang karagdagan, sa multicomponent superconductor, ang isang kumbinasyon ng dalawang pag-uugali ay posible. Sa kasong ito, ang superconductor ay nasa uri 1, 5.
Properties
Karamihan sa mga pisikal na katangian ng mga superconductor ay nag-iiba mula sa materyal hanggang sa materyal, tulad ng kapasidad ng init at kritikal na temperatura, kritikal na field at kritikal na kasalukuyang density kung saan ang superconductivity ay nasira.
Sa kabilang banda, mayroong isang klase ng mga katangian na independiyente sa batayang materyal. Halimbawa, ang lahat ng superconductor ay may ganap na zero resistivity sa mababang inilapat na mga alon, kapag walang magnetic field, o kapag ang inilapat na field ay hindi lalampas sa isang kritikal na halaga.
Ang pagkakaroon ng mga unibersal na katangiang ito ay nagpapahiwatig na ang superconductivity ay isang thermodynamic phase at samakatuwid ay may ilang partikular na katangian na higit sa lahat ay independiyente sa mga detalyeng mikroskopiko.
Iba ang sitwasyon sa superconductor. Sa isang conventional superconductor, ang electron liquid ay hindi maaaring ihiwalay sa mga indibidwal na electron. Sa halip, ito ay binubuo ng mga nakatali na pares ng mga electron na kilala bilang mga pares ng Cooper. Ang pagpapares na ito ay sanhi ng kaakit-akit na puwersa sa pagitan ng mga electron na nagreresulta mula sa pagpapalitan ng mga phonon. Dahil sa quantum mechanics, may energy gap ang energy spectrum ng liquid na ito ng Cooper pair, ibig sabihin, mayroong minimum na energy ΔE na dapat ibigay para ma-excite ang liquid.
Samakatuwid, kung ang ΔE ay mas malaki kaysa sa thermal energy ng grating na ibinigay ng kT, kung saan ang k ay ang Boltzmann constant at T ang temperatura, ang likido ay hindi makakalat sa pamamagitan ng grating. KayaKaya, ang Cooper vapor liquid ay superfluid, na nangangahulugang maaari itong dumaloy nang hindi nawawala ang enerhiya.
Mga katangian ng superconductivity
Sa mga superconducting na materyales, lumilitaw ang mga katangian ng superconductivity kapag bumaba ang temperaturang T sa ibaba ng kritikal na temperaturang Tc. Ang halaga ng kritikal na temperatura na ito ay nag-iiba mula sa materyal hanggang sa materyal. Karaniwang may kritikal na temperatura ang mga conventional superconductor mula sa humigit-kumulang 20 K hanggang mas mababa sa 1 K.
Halimbawa, ang solid mercury ay may kritikal na temperatura na 4.2 K. Noong 2015, ang pinakamataas na kritikal na temperatura na natagpuan para sa isang conventional superconductor ay 203 K para sa H2S, bagama't ang isang mataas na presyon na humigit-kumulang 90 gigapascals ay kinakailangan. Ang mga cuprate superconductor ay maaaring magkaroon ng mas mataas na kritikal na temperatura: YBa2Cu3O7, isa sa mga unang cuprate superconductor na natuklasan, ay may kritikal na temperatura na 92 K, at ang mercury-based na cuprates na may kritikal na temperatura na higit sa 130 K ay natagpuan. Ang paliwanag para sa mga matataas na kritikal na temperatura ay nananatiling hindi alam.
Ang pagpapares ng electron dahil sa mga phonon exchange ay nagpapaliwanag ng superconductivity sa conventional superconductor, ngunit hindi nagpapaliwanag ng superconductivity sa mga bagong superconductor na may napakataas na kritikal na temperatura.
Magnetic field
Katulad nito, sa isang nakapirming temperatura sa ibaba ng kritikal na temperatura, ang mga superconducting na materyales ay humihinto sa superconducting kapag ang isang panlabas na magnetic field ay inilapat na mas malaki kaysa sakritikal na magnetic field. Ito ay dahil ang libreng enerhiya ng Gibbs ng superconducting phase ay tumataas nang quadratically kasama ng magnetic field, habang ang libreng enerhiya ng normal na phase ay humigit-kumulang independiyente sa magnetic field.
Kung ang materyal ay superconducting nang walang field, kung gayon ang libreng enerhiya ng superconducting phase ay mas mababa kaysa sa normal na bahagi, at samakatuwid, para sa ilang may hangganang halaga ng magnetic field (proporsyonal sa parisukat ugat ng pagkakaiba sa mga libreng enerhiya sa zero), ang dalawang libreng enerhiya ay magiging pantay, at magkakaroon ng phase transition sa normal na bahagi. Sa pangkalahatan, ang isang mas mataas na temperatura at isang mas malakas na magnetic field ay nagreresulta sa isang mas maliit na proporsyon ng mga superconducting electron at samakatuwid ay isang mas malaking lalim ng pagtagos sa London ng mga panlabas na magnetic field at mga alon. Nagiging infinite ang lalim ng penetration sa phase transition.
Pisikal
Ang simula ng superconductivity ay sinamahan ng mga biglaang pagbabago sa iba't ibang pisikal na katangian, na siyang tanda ng isang phase transition. Halimbawa, ang kapasidad ng init ng elektron ay proporsyonal sa temperatura sa normal (hindi superconducting) na rehimen. Sa superconducting transition, nakakaranas ito ng pagtalon at pagkatapos nito ay tumigil na itong maging linear. Sa mababang temperatura, nagbabago ito sa halip na e−α/T para sa ilang pare-parehong α. Ang exponential behavior na ito ay isa sa mga ebidensya ng pagkakaroon ng energy gap.
Phase transition
Ang paliwanag ng phenomenon ng superconductivity ay medyomalinaw naman. Ang pagkakasunud-sunod ng superconducting phase transition ay tinalakay nang mahabang panahon. Ipinapakita ng mga eksperimento na walang second-order transition, iyon ay, latent heat. Gayunpaman, sa pagkakaroon ng panlabas na magnetic field, mayroong nakatagong init dahil ang superconducting phase ay may mas mababang entropy, mas mababa kaysa sa kritikal na temperatura, kaysa sa normal na bahagi.
Ipinakita sa eksperimento ang mga sumusunod: kapag tumaas ang magnetic field at lumampas sa critical field, humahantong sa pagbaba sa temperatura ng superconducting material ang resultang phase transition. Ang kababalaghan ng superconductivity ay maikling inilarawan sa itaas, ngayon ay oras na upang sabihin sa iyo ang tungkol sa mga nuances ng mahalagang epekto na ito.
Ang mga kalkulasyon na ginawa noong 1970s ay nagpakita na sa katunayan ay maaaring ito ay mas mahina kaysa sa unang pagkakasunud-sunod dahil sa impluwensya ng malayuang pagbabagu-bago sa electromagnetic field. Noong 1980s, ito ay theoretically ipinakita gamit ang disorder field theory, kung saan ang mga superconductor vortex lines ay gumaganap ng isang pangunahing papel, na ang paglipat ay pangalawang order sa type II mode at unang order (i.e., latent heat) sa type I mode, at na ang dalawang rehiyon ay pinaghihiwalay ng isang trikritikal na punto.
Ang mga resulta ay mahigpit na kinumpirma ng mga simulation ng computer sa Monte Carlo. Ito ay may mahalagang papel sa pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay ng superconductivity. Ang gawain ay nagpapatuloy sa kasalukuyang panahon. Ang kakanyahan ng hindi pangkaraniwang bagay ng superconductivity ay hindi lubos na nauunawaan at ipinaliwanag mula sa punto ng view ng modernong agham.
