Süperiletkenlik teorilerine ve yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik sorunlarına kısa bir genel bakış analiz edilmektedir. Süperiletkenlik - Fizik bilgisi ve daha fazlası - LJ Süperiletkenlik olgusunun tezahürü nedir

Süperiletkenlik mucizesi(yazar Valery Staroshchuk)

Küçük bir teori

Elektrikle yapılan ilk deneyler, gümüş, bakır ve alüminyumun elektrik akımını iyi ilettiğini, porselen, cam, kauçuk ve ipeğin ise pratikte elektrik akımını iletmediğini gösterdi. Buna göre insanlar ilk malzemelerden ve ikincisinden teller için yalıtım ve elektrik çarpmasına karşı koruma iletkenleri yapmaya başladılar. Fotoğrafta modern iki çekirdekli ağ kablosunu görüyorsunuz. Her bir çekirdek, plastik yalıtımla çevrelenmiş yedi bakır telden oluşur. Telin 220V'luk tehlikeli bir voltajda çalıştığı göz önüne alındığında, iki yalıtımlı tel başka bir ortak plastik yalıtım katmanıyla kaplanmıştır.

Bir iletkenden elektrik akımı geçtiğinde ısınır. Bu özellik ütü, su ısıtıcısı, elektrikli pil gibi ısıtma cihazlarında ve ayrıca akkor lambalarda kullanılır. Fotoğrafta, akımın etkisi altında çok ısınan ve ışık yaymaya başlayan bir tungsten filamanı görüyorsunuz.

Artık enerji tasarruflu floresan lambalar giderek daha fazla kullanılıyor, ancak aynı zamanda elektron yaymak için küçük bir filamana da sahipler.

Akım bir iletkenden akarsa, yalnızca ısınmakla kalmaz, aynı zamanda kendi etrafında bir manyetik alan da oluşturur. Bu özellik ilk kez 1820'de Danimarkalı bilim adamı Hans Christian Oersted tarafından fark edildi ve tanımlandı. Fotoğrafta, manyetik alanın etkisi altında, demir talaşlarının akım taşıyan bir bakır iletkenin etrafında nasıl sıralandığını görüyorsunuz.

Akımın manyetik alanı bir elektrik motorunun, jeneratörün ve elektromıknatısın çalışmasında kullanılır.

Yani bir iletkenden akım geçerse, akım kaynağının enerjisi termal ve elektromanyetik alan enerjisine dönüştürülür. Bazen gerekli ve faydalıdır, bazen de sadece zararlıdır. Örneğin neden ısıtmaya ve ütüyü prize bağladığımız telin manyetik alanına ihtiyacımız var? Santralden gelen elektrik akımının evlerimize gittiği teller de ısınır. Bu enerji kayıplarını azaltmak için iletkenin direncini mümkün olduğu kadar küçük tutmaya çalışırlar.

Bir numunenin elektrik direnci büyük ölçüde yapıldığı malzemeye, sıcaklığa ve geometrik boyutlara bağlı olduğundan ölçmeye karar verdik. direnç yani, bu malzemenin 1 m uzunluğunda, 20 0 C'de 1 mm2 kesit alanına sahip bir numunesinin direnci. Örneğin, bakırın direnci r = 0,0125 Ohm mm2 /m'dir. Bu, 1 m uzunluğunda ve 1 mm2 kesit alanına sahip bir bakır (Cu) iletken alırsanız, elektrik akımına karşı direncinin 0,0125 Ohm olacağı anlamına gelir. Direnç, belirli bir voltaj için iletkenden ne kadar akımın geçeceğini bulmayı mümkün kılar. Örneğin örneğimizin uçlarındaki voltaj 0,1V ise üzerinden I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A değerinde bir akım geçecektir. Netlik sağlamak için, elektronları koşan mavi adamlar şeklinde hayal edelim.

Daha sonra, 8A'lik bir akımla, bir saniyede 5·10 19 (50 milyar milyar!) iletkene çarpacaklar. Bu, Dünya gezegenindeki insan sayısından neredeyse 70 milyar kat daha fazla. Bir saniye içinde aynı sayıda iletkenin tükeneceğini lütfen unutmayın. Akımın yönünün pozitif yüklü parçacıkların hareketiyle belirlendiği konusunda anlaşmıştık. Ancak metallerde negatif elektronlar akımı iletir, dolayısıyla akımın yönü elektronların hızının tersi olarak gösterilir. İletken, insan elektronlarımızın elleriyle yakalayarak oynadığı pozitif bakır iyonlarını içerir. Sonuçta negatif elektronlar ile pozitif iyonlar arasında çekici kuvvetler vardır. İyonlar elektronlardan çok daha ağır olduğundan ve kristal kafesteki kuvvetlerle birbirine sıkı sıkıya bağlı olduğundan, elektron adamı iyonu yanına alamayacaktır. Ancak "küçük adamlarımız" iyonları pompalayabilecek. Bu durumda elektronlar hızlarını ve dolayısıyla hareket enerjilerini kaybeder ve buna bağlı olarak iletken ısınır.

Keşif tarihi

Hollandalı bilim adamı Heike Kammerlingh Onnes (sağdaki resim), yaptığı deneylerde Kelvin ölçeğinde (yaklaşık eksi 273 santigrat derece) mutlak sıfıra ulaşan dünyada ilk kişi olmaya karar verdi. Bildiğiniz gibi doğada daha düşük bir sıcaklık yoktur. Kırk yaşındaki bilim adamı, Hollandalı sanayicilerle olan bağlantılarını kullanarak 1893 yılında Leiden Üniversitesi'nde en modern ekipmanlarla donattığı dünyanın en iyi laboratuvarlarından birinin inşaatına başladı. İlk başarı 10 Temmuz 1908'de, 5K'de (eksi 268 santigrat derece!) sıvı helyum elde etmenin mümkün olduğu zaman geldi. 2 yıllık yoğun çalışmanın ardından sıcaklıkları 1K'ya ulaşıyor! Ve sonra bilim adamı, bu ekipmanla ulaşılabilecek sınırın bu olduğunu fark eder ve bilimsel çalışmanın yönünü değiştirme kararı alınır. Artık tüm çabalar çeşitli malzemelerin fiziksel özelliklerini düşük sıcaklıklarda incelemeyi amaçlıyordu. Doğal olarak programın noktalarından biri malzemenin elektriksel direncinin ölçülmesini içeriyordu. O zamanın birçok bilim adamı, çok düşük sıcaklıklarda metallerin dielektrik haline gelmesi gerektiğini öne sürdü. İddiaya göre serbest elektronlar hareketlerini o kadar yavaşlatacak ki iyonlara "yapışacak" ve elektriği aktaramayacak. Ancak fizik her şeyden önce deneysel bir bilimdir! Heike Kamerlingh Onnes'in deneyleri, platinin direncinin sıcaklık düştükçe artmadığını, azaldığını ve 4K'dan sonra sabit kaldığını gösterdi. Bilim adamı, iyonların salınım hareketini durdurması ve serbest elektronların hareketine "müdahale etmemesi" nedeniyle direncin sıfıra yönelmesi gerektiği varsayımında bulundu. Platinyumun küçük yabancı maddeler içerdiğini fark ederek sahip olduğu en rafine metal olan cıvayı test etmeye karar verdi.

8 Nisan 1911'de Heike Kamerlingh Onnes'in grubu, asistanlar Cornelis Dorsman ve Gilles Holst ile birlikte yeni bir kriyostatın (belirli bir hacimde düşük sıcaklıkları koruyan bir cihaz) çalışmasını test etti. İlk başta onu yalnızca sıvı helyumla doldurmayı düşündüler, ancak daha sonra dirençlerini ölçmek için bir gaz termometresi ve iki altın ve cıva numunesi yerleştirdiler. Metallerin direncini 4,3 K'de ölçtükten sonra kriyostattaki helyum üzerindeki basıncı azaltmaya karar verdik. Helyum hızla buharlaşmaya başladı ve sıcaklık 3K'ye düştü. Deney zaten 9 saat sürmüştü! Tekrarlanan ölçümlerden sonra cıva direncinin sıfır olduğu ortaya çıktı! Süperiletkenlik böyle keşfedildi!

Fotoğrafta bilim insanının o gün yaptığı tarihi kaydı görüyorsunuz. Çerçeveli Hollandaca ifade alındı Kwik nagenoeg boş— “Cıvanın direnci neredeyse sıfırdır” (3 K). Sıradaki teklif Herhaald goud'la tanıştı"Altınla tekrarlanan" anlamına gelir.

Cıvanın süperiletken duruma geçişi için kritik sıcaklık o gün belirlenmemişti ve böyle bir görev belirlenmemişti. 11 Mayıs'ta yapılan bir sonraki deneyde ortaya çıktı. Kamerlingh Onnes daha sonra cıvanın 4,2 K'ye soğutulduğunda süper iletken haline geldiği sonucuna vardı.

Daha sonra keşifler birbiri ardına geldi. 1912'de iki süper iletken daha keşfedildi: kurşun ve kalay. 1914'te güçlü bir manyetik alanın süperiletkenliği yok ettiğini fark ettiler. Aynı yıl süperiletken kurşun halkayla muhteşem bir deney yapıldı. İçinde kısa süreliğine bir akım oluşturuldu ve ardından dolaşımı en ufak bir zayıflama olmadan birkaç saat boyunca gözlemlendi. Yüzüğün kendisi bir mıknatısa dönüşüyor.

1919'da Leiden'den talyum ve uranyumun da süper iletken haline geldiği haberi geldi.

Süper iletkenlik açıklandı

Süperiletkenlik olayını klasik elektrodinamik açısından açıklamak imkansızdır. Ancak 1957'de kuantum fiziğinin gelişmesiyle birlikte (keşiften 46 yıl sonra!) üç Amerikalı fizikçi - Bardeen, Cooper ve Schrieffer - süperiletkenliği elektronların eşleşmesiyle, yani Cooper çiftlerinin oluşumuyla açıkladılar. bir kristal hücrenin titreşim değişimi - fononlar.

Cooper çiftlerinin nasıl oluştuğunu anlamak için bir süperiletkendeki akım akışının çok basitleştirilmiş bir modelini düşünün.

Kırmızı daireler kristal kafesin pozitif iyonlarını gösterir.

Elektron A, bir elektrik alanının etkisi altında kafes alanı boyunca hareket ettiğinde, onu hafifçe büker. Sonuç olarak, arkasındaki pozitif iyonların konsantrasyonu artar. Pozitif iyonlardan oluşan bir küme, negatif elektron B'yi F kuvvetiyle çeker. Sonuç olarak, elektron A'nın iyonik kristal kafesinden geçerken harcadığı enerji, kafes titreşimleri yoluyla elektron B'ye aktarılır. A ve B elektronlarının birbirine bağlı olduğu ortaya çıkar. iyonik kafes aracılığıyla birbirlerine bir çift oluştururlar ve birlikte hareket ederken enerji israf etmezler. Bu durumda mevcut direnç sıfırdır.

Süper iletkenlerin uygulamaları

Modern bilim halihazırda 165K'de (eksi 107 0 C) süperiletkenlik sergileyen malzemeler elde etti. Oda sıcaklığında süperiletken malzemeler elde edilirse bu, insanlığın gelişiminde büyük bir sıçrama olacaktır. Sonuçta elektriğin üçte birini kaynaktan tüketiciye ulaştırırken harcıyoruz. Bu arada süperiletkenlerin sıvı nitrojenle soğutulması gerekiyor.

Öte yandan, onlar olmadan CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısının çalışmasını ve Cadarache'deki ITER termonükleer reaktörünün inşasını hayal etmek zaten zor.

Süperiletkenlik aynı zamanda manyetik alanın süperiletkenin hacminden tamamen yer değiştirmesinden oluşan Meissner etkisi ile de karakterize edilir. Sonuç olarak örnek, fotoğrafta görüldüğü gibi mıknatısın üzerinde havada asılı kalır.

Bu olguya dayanarak, 500 km/saat hıza çıkabilen manyetik kaldırma trenleri halihazırda yaratılmıştır.

Güçlü süper iletken mıknatıslar tıpta nükleer manyetik rezonans (NMR) ilkesini kullanarak tomograflar oluşturmak için kullanılır. İnsan dokusunun taranması, doktorların hasta üzerinde işlem yapmadan iç kısımların bir kesitini bilgisayar ekranında görmesine olanak tanıyor. Bu yöntem hızlı bir şekilde doğru tanıyı koymanıza olanak tanır, bu da hastayı daha hızlı tedavi edebileceğiniz anlamına gelir.

Süperiletkenliğin modern kuantum teorisi, bu etkinin gözlemlendiği sıcaklığı temel olarak sınırlamaz. Yani mesele yakın gelecekte keşfedebileceğiniz yeni malzemeler ve bileşikler yaratmaktır.

1911'de Hollandalı fizikçi H. Kamerlingh-Onnes süperiletkenlik olgusunu keşfetti. Düşük sıcaklıklarda cıvanın elektriksel direncini ölçtü. Onnes, bir maddenin mümkün olduğu kadar safsızlıklardan arındırılması ve “termal gürültünün” mümkün olduğu kadar azaltılması durumunda, maddenin elektrik akımına karşı direncinin ne kadar düşük olabileceğini bulmak istedi; sıcaklığı azaltın.

Bu çalışmanın sonucu beklenmedikti: 4,15 K'nin altındaki sıcaklıklarda direnç neredeyse anında ortadan kalktı. Bu direnç davranışının sıcaklığın bir fonksiyonu olarak grafiği Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.

Elektrik akımı yüklü parçacıkların hareketidir. O zamanlar katı maddelerdeki elektrik akımının bir elektron akışı olduğu biliniyordu. Negatif yüklüdürler ve herhangi bir maddeyi oluşturan atomlardan çok daha hafiftirler.

Her atom, pozitif yüklü bir çekirdekten ve onunla ve Coulomb yasasına göre birbirleriyle etkileşime giren elektronlardan oluşur. Her atomik elektron belirli bir “yörüngeyi” işgal eder. "Yörünge" çekirdeğe ne kadar yakınsa, elektron ona o kadar güçlü çekilir, böyle bir elektronu çekirdekten koparmak için o kadar fazla enerji gerekir. Tam tersine, çekirdeğin en dış kısmındaki elektronlar çekirdekten en kolay şekilde ayrılırlar, ancak bu da enerji gerektirir.

Dıştaki elektronlara değerlik elektronları denir. Metal adı verilen maddeler, bir katı oluşturmak ve neredeyse serbest elektronlardan oluşan bir gaz oluşturmak üzere birleştiklerinde aslında atomlardan ayrılırlar. Bu basit, güzel ve çoğunlukla doğru bir fiziksel resimdir: Bir madde parçası, içinde elektron "gazı" bulunan bir kaba benzer (Şekil 2).

Bir elektrik alanı yaratırsak - incelenen madde parçasına voltaj uygularsak, elektron gazında sanki bir basınç farkının etkisi altındaymış gibi bir rüzgar görünecektir. Bu rüzgar bir elektrik akımıdır.

Metaller

Her madde elektriği iyi iletmez. Dielektriklerde değerlik elektronları atomlarına "bağlı" kalır ve bunların tüm numune boyunca hareket etmesini sağlamak o kadar kolay değildir.

Bazı maddelerin neden metal, bazılarının ise dielektrik olduğunu açıklamak oldukça zordur. Bu, hangi atomlardan yapıldıklarına ve bu atomların nasıl düzenlendiklerine bağlıdır. Bazen atomların düzeni değiştiğinde, örneğin basıncın etkisi altında atomlar birbirine yaklaştığında ve dielektrik metal haline geldiğinde dönüşümler mümkündür.

Dielektriklerden akım geçmez, ancak elektronlar da metallerde tamamen serbestçe hareket etmez. Kendilerinden “ayrıldıkları” atomik “çekirdeklerle” karşılaşırlar ve onların üzerine dağılırlar. Bu durumda sürtünme meydana gelir veya dedikleri gibi elektrik akımı dirençle karşılaşır.

Süperiletkenlik ile direnç kaybolur ve sıfıra eşit olur, yani. Elektron hareketi sürtünme olmadan gerçekleşir. Bu arada günlük hayatımızın deneyimi, öyle görünüyor ki, böyle bir hareketin imkansız olduğunu gösteriyor.

Fizikçilerin onlarca yıldır çalışmaları bu çelişkiyi çözmeye yönelikti.

Keşfedilen özellik o kadar sıradışı ki, süperiletkenlerin aksine dirençli metallere denir. normal.

Rezistans

Bir metal parçasının (örneğin tel) elektrik direnci ohm cinsinden ölçülür ve numunenin boyutuna ve malzemesine göre belirlenir. Formülde

R = ρ × ben / S

R- rezistans, ben— uzunluk (akımın aktığı yönde numunenin boyutu), S- numunenin kesiti. Böyle bir formül yazdıktan sonra elektronları gazla karşılaştırmaya devam ediyor gibiyiz: boru ne kadar geniş ve kısa olursa içinden gaz üflemek o kadar kolay olur.

Değer ρ — numunenin yapıldığı malzemenin özelliklerini karakterize eden direnç.

Oda sıcaklığında saf bakır için ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.

Bakır, en yüksek iletkenliğe sahip metallerden biridir ve elektrik kablolarının yapımında yaygın olarak kullanılır. Diğer bazı metaller oda sıcaklığında elektriği daha az iletir:

Karşılaştırma için bazı dielektriklerin oda sıcaklığındaki dirençlerini sunuyoruz:

Sıcaklık düştüğünde T Bakırın direnci giderek azalır ve birkaç kelvin sıcaklıkta 10-9 Ohm cm'dir, ancak bakır süper iletken haline gelmez. Ve alüminyum, kurşun, cıva süper iletken bir duruma giriyor ve onlarla yapılan deneyler, bir süper iletkenin direncinin her durumda 10-23 Ohm cm'yi geçmediğini gösteriyor - bakırınkinden yüz trilyon kat daha az!

Artık direnç

Bir metalin direnci sıcaklığa bağlıdır. Koşullu grafik ρ( T), diyelim ki bakır için, Şekil 2'de görüyorsunuz. 3. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa direnç de o kadar büyük olur, metali oluşturan atomik “çekirdekler” o kadar fazla titreşir ve elektrik akımına neden oldukları girişim de o kadar büyük olur. Aksine, sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştırırsak, numunenin direnci ρ 0'a yani artık dirence "eğilimli olacaktır". Artık direnç numunenin mükemmelliğine ve bileşimine bağlıdır. Herhangi bir maddede yabancı safsızlık atomlarının yanı sıra her türlü başka kusur da vardır. Numunede ne kadar az kusur varsa, artık direnç o kadar düşük olur. 1911'de Onnes'in ilgisini çeken de bu bağımlılıktı. Kesinlikle "süper iletkenlik" aramıyordu, ancak numuneyi saflaştırarak artık direncin ne kadar küçük hale getirilebileceğini bulmaya çalışıyordu. Cıva ile deneyler yaptı çünkü o zamanlar cıva, platin, altın veya bakırdan daha yüksek bir saflık derecesine getirilebiliyordu (bu metaller cıvadan daha iyi iletkenlerdi ve Onnes, süperiletkenliğin keşfinden önce bunları incelemişti. Ne altın, ne platin, ne de bakır “süper iletkendir”).

Kritik sıcaklık

Süperiletkenlik sıcaklık düştükçe aniden ortaya çıkar. Sıcaklık T Bir sıçramanın gerçekleştiği noktaya ulaşıldığında c'ye kritik denir. Dikkatli bir çalışma, belirli bir sıcaklık aralığında böyle bir geçişin gözlemlendiğini göstermektedir (Şekil 4). Hareket eden elektronların sürtünmesi, numunenin "saflığına" bakılmaksızın kaybolur, ancak numune ne kadar "saf" olursa, dirençteki sıçrama o kadar keskin olur; "en temiz" numunelerdeki genişliği derecenin yüzde birinden azdır. Bu durumda "iyi" örneklerden veya süperiletkenlerden söz edilir; "kötü" örneklerde geçiş genişliği onlarca dereceye ulaşabilir. (Elbette bu, yüksek sıcaklık süperiletkenleri olarak adlandırılanlar için geçerlidir. T c yüzlerce kelvine ulaşır.)

Kritik sıcaklık her madde için farklıdır. Bu sıcaklık ve süperiletkenliğin keşfedildiği yıl (daha doğrusu bu konudaki makalenin yayınlanma yılı) Şekil 2'de belirtilmiştir. Birkaç saf element için 5. Niyobyum, 10 K'yi aşmamasına rağmen, D.I. Mendeleev'in Periyodik Tablosundaki tüm elementler arasında en yüksek (atmosfer basıncında) kritik sıcaklığa sahiptir.

Onnes sadece cıva, kalay ve kurşunun süperiletkenliğini keşfetmekle kalmadı, aynı zamanda ilk süperiletken alaşımları da buldu; cıvanın altın ve kalay ile alaşımları. O zamandan beri bu çalışma devam etti, giderek daha fazla yeni bileşik süperiletkenlik açısından test edildi ve süperiletkenlerin sınıfı giderek genişledi.

Düşük sıcaklık

Süperiletkenlik konusundaki araştırmalar çok yavaş ilerledi. Bu olayı gözlemlemek için metalleri düşük sıcaklıklara soğutmak gerekiyordu ve bu o kadar kolay değil. Numunenin sürekli olarak soğutulması gerekir, bunun için bir soğutucuya yerleştirilir. Günlük deneyimlerimizden bildiğimiz tüm sıvılar düşük sıcaklıklarda donar ve sertleşir. Bu nedenle gaz halindeki maddelerin oda koşullarında sıvılaştırılması gerekmektedir. İncirde. 6 kaynama sıcaklığı belirtilmiştir T b ve erime T m beş madde (atmosfer basıncında).

Sıcaklığı aşağıya düşürürseniz T b, madde sıvılaşır ve aşağıda T sertleşiyor mu? (Atmosfer basıncındaki helyum, mutlak sıfır sıcaklıklara kadar sıvı halde kalır.) Yani bizim amaçlarımız açısından, bu maddelerden herhangi biri aşağıdakiler arasında kullanılabilir: T bant T M. 1986 yılına kadar süperiletkenliğin bilinen maksimum kritik sıcaklığı 20 K'yi zar zor aşıyordu, bu nedenle süperiletkenliği incelerken sıvı helyum olmadan yapmak imkansızdı. Azot aynı zamanda soğutucu olarak da yaygın olarak kullanılmaktadır. Ardışık soğutma aşamalarında nitrojen ve helyum kullanılır. Bu maddelerin her ikisi de nötr ve güvenlidir.

Helyumun sıvılaştırılması başlı başına çok ilginç ve büyüleyici bir problemdir ve 19. ve 20. yüzyılların başında birçok fizikçinin çözümüyle meşgul olmuştur. Onnes amacına 1908'de ulaştı. Özellikle bunun için Leiden'de (Hollanda) bir laboratuvar kurdu. 15 yıl boyunca laboratuvar, yeni bir sıcaklık aralığında benzersiz araştırma yapma tekeline sahipti. 1923-1925'te. Dünyadaki iki laboratuvarda daha - Toronto ve Berlin'de - sıvı helyum üretmeyi öğrendiler. Sovyetler Birliği'nde bu tür ekipmanlar 1930'ların başında ortaya çıktı. Kharkov Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, birçok ülkede laboratuvarlara sıvı helyum sağlayan bir endüstri yavaş yavaş gelişti. Bundan önce her şey “self-servis”ti. Olayın teknik zorlukları ve fiziksel karmaşıklığı, süperiletkenlik hakkındaki bilgilerin çok yavaş bir şekilde birikmesi anlamına geliyordu. İlk keşiften sadece 22 yıl sonra süperiletkenlerin ikinci temel özelliği keşfedildi.

Meissner etkisi

Gözlemi 1933'te Alman fizikçiler W. Meissner ve R. Ochsenfeld tarafından bildirildi.

Şu ana kadar elektriksel direncin ortadan kalkmasına süperiletkenlik adını verdik. Ancak süperiletkenlik, direncin yokluğundan daha karmaşıktır. Bu aynı zamanda harici bir manyetik alana verilen belirli bir tepkidir. Meissner etkisi, süperiletken bir numuneden sabit fakat çok güçlü olmayan bir manyetik alanın dışarı itilmesidir. Süperiletkenin kalınlığında manyetik alan sıfıra kadar zayıflatılır; süperiletkenlik ve manyetizma sanki zıt özellikler olarak adlandırılabilir.

Yeni süper iletkenler ararken süper iletkenliğin her iki temel özelliği de test edilir:

bir süperiletkende elektrik direnci ortadan kalkar;
Süperiletkenin dışına bir manyetik alan itilir.

Bazı durumlarda, "kirli" süperiletkenlerde sıcaklıkla dirençteki düşüş, Şekil 2'de gösterilenden çok daha fazla olabilir. Cıva için 1. Araştırma tarihinde, fizikçilerin başka bir nedenden dolayı, örneğin sıradan bir kısa devre nedeniyle dirençteki bir düşüşü süperiletkenlikle karıştırdıkları defalarca olmuştur.

Süperiletkenliğin varlığını kanıtlamak için en azından her iki ana özelliğinin tezahürlerini gözlemlemek gerekir. Meissner etkisinin varlığını gösteren çok etkileyici bir deney Şekil 2'de sunulmaktadır. Şekil 7: Kalıcı bir mıknatıs, süper iletken bir kabın üzerinde durmaktadır. İlk kez böyle bir deney 1945'te Sovyet fizikçi V.K. Arkadyev tarafından gerçekleştirildi.

Bir süperiletkende, manyetik alanı iten akımlar ortaya çıkar, bunların manyetik alanı kalıcı mıknatısı iter ve ağırlığını telafi eder. Mıknatısı merkeze doğru iten bardağın duvarları da önemlidir. Düz bir tabanın üzerinde mıknatısın konumu kararsızdır; rastgele şoklar onun yana doğru hareket etmesine neden olur. Bu yüzen mıknatıs, havaya yükselme efsanelerini anımsatıyor. En ünlü efsane, dindar bir peygamberin mezarı hakkındadır. Bir mağaraya yerleştirilen tabut, görünür bir destek olmaksızın orada havada süzülüyordu. Artık bu tür hikayelerin herhangi bir gerçek olaya dayanıp dayanmadığını kesin olarak söylemek imkansız. Meissner etkisini kullanarak “efsaneyi gerçeğe dönüştürmek” artık teknik olarak mümkün.

Bir manyetik alan

Modern fizik, bir cismin diğeri üzerindeki etkisini doğrudan temas olmadan tanımlamak için alan kavramını kullanır. Böylece yükler ve akımlar bir elektromanyetik alan aracılığıyla etkileşime girer. Elektromanyetik alanın yasalarını inceleyen herkes, alanın görsel bir görüntüsünü, yani kuvvet çizgilerinin bir resmini bilir. Bu görüntü ilk kez İngiliz fizikçi M. Faraday tarafından kullanıldı. Netlik sağlamak için, başka bir İngiliz fizikçi J. C. Maxwell tarafından kullanılan bir alanın başka bir görüntüsünü hatırlamakta fayda var.

Alanın, alan çizgileri boyunca akan, su gibi hareketli bir sıvı olduğunu hayal edin. Coulomb yasasına göre yüklerin etkileşimini onun yardımıyla tanımlamaya çalışalım. Basitlik açısından düz ve sığ bir havuz olsun, üstten görünümü Şekil 2'de gösterilmiştir. 8. Altta iki delik vardır: birinden su havuza girer (bu pozitif yük gibidir) ve diğerinden dışarı akar (bu bir drenaj veya negatif yüktür). Böyle bir havuzda akan su, iki sabit yükün elektrik alanını temsil eder. Su şeffaftır ve akışı bizim için algılanamaz. Ancak jetlere bir "test pozitif yükü" (ipteki bir top) ekleyelim. Gücü hemen hissedeceğiz - sıvı topu kendisiyle birlikte taşıyor.

Su, tıpkı yüklerin itilmesi gibi, topu kaynaktan uzaklaştırır. Top bir drenaja veya farklı işaretli bir yüke çekilir ve yükler arasındaki kuvvet, Coulomb yasasının gerektirdiği gibi aralarındaki mesafeye bağlıdır.

Süper iletkenlerdeki akımlar ve alanlar

Süper iletkenlerdeki akımların ve alanların davranışını anlamak için manyetik indüksiyon yasasını hatırlamanız gerekir. Şimdi amaçlarımız açısından, bunu okuldaki fizik dersinde kullanmaktan daha genel bir formülasyona kavuşturmak daha yararlı olacaktır. Manyetik indüksiyon yasası aslında elektrik ve manyetik alanlar arasındaki ilişkiden bahseder. Elektromanyetik alanı bir akışkan olarak hayal edersek, alanın elektrik ve manyetik bileşenleri arasındaki ilişki, sakin (laminer) ve girdaplı akışkan akışı arasındaki ilişki olarak temsil edilebilir. Her biri kendi başına var olabilir. Örneğin önümüzde sakin ve geniş bir akış olsun - düzgün bir elektrik alanı. Bu alanı değiştirmeye çalışırsanız, ör. Sanki sıvıyı yavaşlatmak veya hızlandırmak için, kesinlikle girdaplar ortaya çıkacak - manyetik bir alan. Manyetik alandaki bir değişiklik her zaman bir elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olur ve bir elektrik alanı iletken devrede bir akımı indükler; bu, manyetik indüksiyonun olağan olgusudur: manyetik alandaki bir değişiklik bir akımı indükler. Dünyadaki tüm enerji santrallerinde şu veya bu şekilde iletkendeki manyetik alanda değişikliklere neden olan bu fiziksel yasadır. Ortaya çıkan elektrik alanı evlerimize ve endüstriyel tesislerimize akan bir akım üretir.

Ama süperiletkenlere dönelim. Bir süperiletkendeki doğru akım, bir elektrik alanının varlığını gerektirmez ve denge durumunda bir süperiletkendeki elektrik alanı sıfırdır. Böyle bir alan elektronları hızlandırır, ancak süperiletkenlerde ivmeyi dengeleyecek bir direnç veya sürtünme yoktur. Keyfi olarak küçük bir sabit elektrik alanı, akımda sonsuz bir artışa yol açacaktır ki bu imkansızdır. Elektrik alanı yalnızca devrenin süperiletken olmayan kısımlarında ortaya çıkar. Akım, süperiletkenlerde voltaj düşüşü olmadan akar.

Zihinsel akıl yürütme, bir süperiletkende manyetik alanın varlığını engelleyebilecek hiçbir şeyi ortaya çıkarmaz. Ancak süperiletkenin manyetik alanın değişmesini önleyeceği açıktır. Aslında, manyetik alandaki bir değişiklik, orijinal değişikliği telafi edecek bir manyetik alan yaratacak bir akım üretecektir.

Bu nedenle herhangi bir süperiletken devre, içinden geçen manyetik alanı korumalıdır. (Bir döngüden geçen manyetik akı, basitçe manyetik alan kuvvetinin ve döngünün alanının çarpımıdır.)

Süperiletkenin kalınlığında da aynı şeyin olması gerekir. Örneğin, bir mıknatısı süper iletken bir numunenin yakınına getirirsek, manyetik alanı süper iletkene nüfuz edemez. Böyle bir "girişim", süperiletkende, manyetik alanı dış alanı telafi eden bir akımın ortaya çıkmasına yol açar. Sonuç olarak süperiletkenin kalınlığında manyetik alan oluşmaz ve tam olarak bunun için gerekli olan akım yüzey boyunca akar. Manyetik alana sokulan sıradan bir iletkenin kalınlığında her şey tamamen aynı şekilde gerçekleşir ancak orada direnç vardır ve indüklenen akım oldukça hızlı bir şekilde azalır ve sürtünme nedeniyle enerjisi ısıya dönüşür. (Bu ısıyı deneysel olarak tespit etmek çok kolaydır: elinizi çalışan bir transformatöre yaklaştırdığınızda ondan yayılan ısıyı hissedeceksiniz.) Süper iletkende direnç yoktur, akım ölmez ve "izin vermez". Manyetik alan herhangi bir süre boyunca içeri girer. Açıklanan resim doğrudur ve deneyimlerle defalarca onaylanmıştır.

Şimdi başka bir zihinsel deney yapalım. Aynı süper iletken madde parçasını "alalım", ancak yeterince yüksek bir sıcaklıkta, hala normal durumdayken. Onu manyetik bir alana getirelim ve her şey sakinleşene, akımlar bitene kadar bekleyelim - maddeye manyetik akı nüfuz eder. Maddenin süper iletken duruma geçmesini bekleyerek sıcaklığı düşüreceğiz. Sıcaklığın düşürülmesinin manyetik alan düzenini etkilememesi gerektiği görülüyor. Bir süperiletkendeki manyetik akı değişmemelidir. Dış manyetik alanın kaynağı olan mıknatısı çıkarırsanız, süper iletken buna direnmeli ve maddenin içindeki manyetik alanı koruyarak yüzeyde süper iletken akımlar görünmelidir.

Ancak bu davranış deneysel olarak gözlemlenenlerle tamamen tutarsızdır: Meissner etkisi bu durumda da ortaya çıkacaktır. Normal bir metali manyetik alanda soğutursanız, süperiletken duruma geçtiğinde manyetik alan süperiletkenin dışına itilir. Aynı zamanda yüzeyinde, süperiletkenin kalınlığında sıfır manyetik alan sağlayan sürekli bir akım belirir. Süperiletken durumun açıklanan resmi, bu duruma geçişin nasıl yapıldığına bakılmaksızın her zaman gözlemlenir.

Elbette bu açıklama son derece idealleştirilmiş ve sunum ilerledikçe bunu daha da karmaşık hale getireceğiz. Ancak şimdi manyetik alana farklı tepki veren iki tür süperiletkenin bulunduğunu belirtmekte fayda var. Süperiletkenliğin başladığı keşfi ile tip I süperiletkenlerin özelliklerinden bahsetmeye başladık. Daha sonra biraz farklı özelliklere sahip tip II süperiletkenler keşfedildi. Bunlar esas olarak süperiletkenliğin pratik uygulamalarıyla ilişkilidir.

İdeal diyamanyetizma

Bir fizikçi için manyetik alanın dışarı itilmesi direncin yokluğu kadar şaşırtıcıdır. Gerçek şu ki, sabit bir manyetik alan genellikle her yere nüfuz eder. Elektrik alanını koruyan topraklanmış metal tarafından etkilenmez. Çoğu durumda, bir cismin manyetik alan sınırı, onun "akışını" kısıtlayan bir duvar değil, daha ziyade havuzun dibinde derinliği değiştiren ve bu "akış"ı hafifçe etkileyen küçük bir adımdır. Bir maddedeki manyetik alan kuvveti, dışarıdaki kuvvetine kıyasla yüzde yüzde biri veya binde biri oranında değişir (dıştakine büyük bir iç manyetik alanın eklendiği demir ve diğer ferromıknatıslar gibi manyetik maddeler hariç). Diğer tüm maddelerde, manyetik alan ya biraz güçlendirilmiştir - ve bu tür maddelere paramanyetik denir veya biraz zayıflatılmıştır - bu tür maddelere diyamanyetik denir.

Süperiletkenlerde manyetik alan sıfıra kadar zayıflatılır. ideal diyamanyetik malzemeler.

Yalnızca sürekli olarak muhafaza edilen akımlardan oluşan bir ekran, manyetik alanın "geçmesine izin veremez". Süperiletkenin kendisi de yüzeyinde böyle bir ekran oluşturuyor ve bunu istenildiği kadar uzun süre koruyor. Bu nedenle Meissner etkisi veya bir süperiletkenin ideal diyamanyetizması, onun ideal iletkenliğinden daha az şaşırtıcı değildir.

İncirde. Şekil 9, sıcaklık değiştiğinde metal bir topa ne olduğunu kabaca göstermektedir T ve manyetik alanın uygulanması H(manyetik alan çizgileri numunenin etrafından akan veya delen oklarla gösterilir). Normal durumdaki bir metal mavi olarak işaretlenir; eğer metal süperiletken duruma geçerse renk yeşile döner. Karşılaştırma için, Şekil 2'de. 9, V ideal bir iletkenin (IC harfleriyle gösterilir) nasıl davranacağını gösterir - Meissner etkisi olmayan ve sıfır dirençli bir metal (eğer varsa). Bu durum kırmızıyla belirtilmiştir.

Pirinç. 9. Meissner etkisi:

A- herhangi bir sıcaklıkta (1) sıfır olmayan dirence sahip normal bir iletken manyetik alana sokulur. Elektromanyetik indüksiyon yasasına uygun olarak, manyetik alanın metale (2) nüfuz etmesine direnen akımlar ortaya çıkar. Ancak direnç sıfırdan farklıysa hızla bozulurlar. Manyetik alan normal bir metal örneğine nüfuz eder ve neredeyse tekdüzedir (3);

B- normal durumdan daha yüksek bir sıcaklıkta T c iki yol vardır: Birincisi: sıcaklık düştüğünde numune süperiletken duruma geçer, ardından numunenin dışına itilen bir manyetik alan uygulanabilir. İkincisi: Önce numuneye nüfuz eden bir manyetik alan uygulayın ve ardından sıcaklığı düşürün, ardından geçiş sırasında alan dışarı itilecektir. Manyetik alanın kapatılması da aynı görüntüyü verir;

V- Meissner etkisi olmasaydı dirençsiz iletken farklı davranırdı. Manyetik alanda dirençsiz bir duruma geçerken, manyetik alanı koruyacak ve dış manyetik alan kaldırıldığında bile onu koruyacaktır. Böyle bir mıknatısın manyetikliğini gidermek ancak sıcaklığı artırarak mümkün olacaktır. Ancak bu davranış deneysel olarak gözlemlenmemiştir.

Biraz tarih

Bir sonraki bölümde süperiletkenlerin şaşırtıcı özelliklerinden daha ayrıntılı olarak bahsedeceğiz ve bu bölümü, süperiletkenlik çalışmaları sırasında fizikçilerin yaptığı en önemli çalışmaları listeleyerek bitirmek istiyoruz.

Her şeyden önce bunlar H. Kamerlingh Onnes (1911) ile W. Meissner ve R. Ochsenfeld'in (1933) daha önce bahsedilen keşifleridir. Bir süperiletkenin manyetik alandaki davranışının ilk teorik açıklaması İngiltere'de (1935) Almanya'dan göç eden Alman fizikçiler F. London ve G. London tarafından önerildi. 1950'de L. D. Landau ve bu kitabın yazarlarından biri, süperiletkenliğin daha genel bir teorisini geliştirdikleri bir makale yazdılar. Bu açıklamanın uygun olduğu ortaya çıktı ve bugün hala kullanılıyor; buna Ginzburg-Landau teorisi veya süperiletkenliğin ψ teorisi denir.

Bu olgunun mekanizması 1957 yılında Amerikalı fizikçiler J. Bardeen, L. Cooper ve J. Schrieffer tarafından keşfedildi. İsimlerinin büyük harflerine dayanarak, bu teoriye BCS teorisi denir ve mekanizmanın kendisi (elektronların çift davranışı bunun için gereklidir), fikri L. Cooper tarafından icat edildiğinden genellikle "Cooper eşleşmesi" olarak adlandırılır. Süperiletkenlik fiziğinin gelişmesinde, iki tür süperiletkenin (tip I ve II) varlığının belirlenmesi önemli bir rol oynadı. Cıva ve diğer bazı süperiletkenler tip I süperiletkenlerdir. Tip II süperiletkenler çoğunlukla iki veya daha fazla elementin alaşımlarıdır. L.V. Shubnikov ve meslektaşlarının 1930'larda Kharkov'daki çalışmaları, tip II süperiletkenliğin keşfinde önemli bir rol oynadı. ve 1950'lerde A.A. Abrikosov.

Ayrıca 1950'lerdeki keşif ve araştırmaların da büyük etkisi oldu. nispeten yüksek kritik sıcaklıklara sahip, çok yüksek manyetik alanlara dayanabilen ve süper iletken durumda yüksek yoğunluklu akımları geçirebilen bileşikler. Belki de bu çalışmaların doruk noktası J. Künzler ve meslektaşlarının (1960) deneyleriydi. Nb 3 Sn telinin T= 4,2 K, 88.000 Oe'lik bir alandan (basitçe ellerinde daha güçlü bir alan yoktu) 100 bin A/cm2 yoğunluğunda bir akım geçmektedir. O dönemde keşfedilen süperiletkenler hâlâ teknik cihazlarda çalışıyor. Bu tür malzemeler artık "sert süper iletkenler" adı verilen özel bir süper iletken sınıfı olarak sınıflandırılıyor.

1962'de İngiliz fizikçi B. Josephson, süperiletkenlerin temaslarında meydana gelmesi gereken tamamen olağandışı olayları teorik olarak öngördü. Daha sonra bu tahminler tamamen doğrulandı ve fenomenin kendisi zayıf süperiletkenlik veya Josephson etkileri olarak adlandırıldı ve kısa sürede pratik uygulama buldu.

Son olarak, Zürih'te çalışan fizikçiler, İsviçreli A. Müller ve Alman G. Bednorz tarafından yazılan bir makale (1986), yeni bir süper iletken madde sınıfının (yüksek sıcaklık süper iletkenleri) keşfine işaret etti ve çığ gibi yeni araştırmalara yol açtı. Bu bölgede.

Kelvin ölçeğinin dereceleri genellikle büyük harf K ile gösterilir; normal Celsius derecelerine eşittirler, ancak mutlak sıfır sıcaklıktan sayılırlar. Celsius ölçeğinde mutlak sıfır sıcaklığı -273,16°C olduğundan söz konusu 4,15 K sıcaklığı -269,01°C'ye eşittir. Aşağıda yuvarlatılmış değerler sağlamaya çalışacağız.

Elektrik direncinin ortaya çıkışının resmi elbette daha karmaşıktır ve buna daha sonra daha ayrıntılı olarak bakacağız.

Suyun damıtılmasına benzer bir "damıtma" yöntemi.

1911 yılında Hollandalı bilim adamı Kamerlingh Onnes, çok düşük sıcaklıklarda cıvanın elektriksel iletkenliğini incelerken ilginç bir olguyu keşfetti: süperiletkenlik. Süper iletkenlik olgusu, cıva, kurşun, çinko, alüminyum ve diğer bazı metallerin çok düşük bir sıcaklığa kadar derin bir şekilde soğutulduğunda aniden 2-8 ° K'de elektrik akımına karşı dirençlerini tamamen kaybetmesidir.

Elektrik direnci sıcaklık düştükçe ve genellikle çok düşük sıcaklıkların olduğu bölgede düzgün bir şekilde azalır.

belli bir yavaşlamayla (Şekil 97). Ancak bazı metaller için, her birinin sıcaklık özelliğinde - "süper iletkene dönüşme noktasında" direnç aniden en az on milyarlarca kez azalır, muhtemelen tamamen yok olana kadar (Şekil 98). Her durumda, kullanılan ölçüm yöntemlerinin olağanüstü hassasiyetine rağmen, süperiletken durumdaki elektrik direncinin tespit edilemeyecek kadar küçük ve muhtemelen sıfır olduğu ortaya çıkıyor.

Pirinç. 97. Düşük sıcaklık bölgesindeki direncin sıcaklığa bağımlılığının olağan doğası.

Pirinç. 98. Bir süperiletken için direncin ortadan kalkmasına atlayın.

Süperiletkenlik durumundaki ince bir kurşun telden santimetre kare başına binlerce amperlik bir akım geçtiğinde, telin uçları arasında potansiyelde herhangi bir düşüş fark edilmez. Ayrıca akımdan gözle görülür bir ısı oluşumu da söz konusu değildir.

Kapalı bir süperiletken halkada uyarılan akım, süperiletkenliği sağlayan derin soğutma durumu korunduğu sürece onlarca saat boyunca değerinde azalmaz.

Süperiletkenlik durumuna geçişe, metalin diğer özelliklerinde (manyetik olanlar hariç) herhangi bir ani değişiklik eşlik etmez. Keesom ve de Haas tarafından yapılan araştırma, süperiletkenlik durumuna geçişin kristal kafesin yapısındaki herhangi bir değişiklikle ilişkili olmadığını tespit etti. Süperiletkenlik anında (mıknatıslanmamış bir metalde) ısı salınımının veya emiliminin olmadığı tespit edilmiştir; termal genleşme katsayısı değişmez; yalnızca ısı kapasitesi (düşük sıcaklıklarda çok küçük) artış yönünde küçük bir sıçrama yaşar.

Schoenberg (1937) tarafından yapılan deneyler, bir süperiletkenin yoğun mıknatıslanmasının onun süperiletkenliğini yok edebileceğini gösterdi. Bu durum, bir süperiletkende izin verilen akım yoğunluğuna bir sınırlama getirir: aşırı yüksek akımın manyetik alanı, süperiletkenliğin ortadan kalkmasına neden olur. Ancak akım azaldığında veya daha fazla olduğunda

Derin soğutmanın ardından süperiletkenlik durumu yeniden sağlanır.

Bir dizi çalışma, süperiletkenlik durumundaki tamamen saf bir metalde, tüm akımın metalin yüzeyinden geçtiğini, metalin kendisinin ise manyetik ve elektrik alanlarına karşı geçilmez hale geldiğini göstermiştir. Böylece, "süperiletkenlik" teriminin geometrik bir anlamı olduğu, yani akımın metalin "üstünden" (veya "üstünden") nüfuz etmeden metalin "üstünden" geçtiğinde metalin böyle bir durumunun anlamı olarak kabul edilmesinin mümkün olduğu ortaya çıktı. içeri. Doğal olarak metalin fiziksel ve kimyasal özellikleri, metalin “üzerinden” akan akıma karşı direnç şeklinde kendini göstermez. Ancak bu elbette yine de olgunun özünü açıklamıyor.

İlgili üye tarafından yürütülen incelikli deneyler. SSCB Bilimler Akademisi A.I. Shalnikov, manyetik alanın bir süper iletkene nüfuz etme derinliğinin milimetrenin on binde biri olduğunu kanıtladı. A.I. Shalnikov (1947) tarafından yapılan sonraki deneyler, derin soğutma sırasında bir metal parçasının süperiletkenliğe geçişinin, (Akademisyen L.D. Landau tarafından geliştirilen teoriye uygun olarak) metalin süperiletkenliğin ince katmanlarına ayrıldığı bir ara durum yoluyla gerçekleştiğini keşfetti; normal iletkenlik katmanları ile dönüşümlü olarak.

Süperiletkenlik olgusu 23 metalde ve birçok alaşımda keşfedilmiştir. Bir metalin soğutulduğunda aniden süperiletkenlik gösterdiği sıcaklıklar (süperiletkene dönüşüm noktası) burada yer alan tabloda bazı metaller için verilmiştir.

Mutlak sıcaklık ölçeğinde süper iletkene dönüşüm noktaları

(bkz: tarama)

Pirinç. Şekil 99, bir metal süperiletken olacak noktaya kadar soğutulduğunda dirençteki düşüşün nasıl meydana geldiğini göstermektedir.

Derinlemesine soğutulduğunda süper iletken hale gelen metaller, oda sıcaklığında kesinlikle en iyi iletkenler değildir. Tam tersine en iyi iletkenler bakırdır.

gümüş ve altın - mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara soğutulmalarına rağmen süperiletkenlik durumu tespit edilmedi;

Derin soğutmayla süperiletkenlere dönüşen tüm metaller, D.I. Mendeleev'in Şekil 2'de ana hatları verilen periyodik elementler sisteminde kompakt bir grup oluşturur. 100 çerçeveli.

Pirinç. 99. Mutlak sıfıra yakın metallerin özdirencinin sıcaklık değişimi (süperiletkenlik).

Pirinç. 100. Süper iletken elementlerin Mendeleev'in periyodik tablosundaki konumu. Elementlerin sembollerinin altındaki sayılar süperiletken duruma geçiş sıcaklıklarıdır.

Süperiletkenlik olgusu birçok alaşımda da görülmektedir. Düşük sıcaklıklarda süper iletken alaşımların yalnızca süper iletken metallerin alaşımları değil, aynı zamanda saf formunda süper iletkenlik sergilemeyen metal ağırlıklı bazı alaşımlar olması dikkat çekicidir. Tamamen süper iletkenlere ait olmayan elementlerden oluşan süper iletken alaşımlar ve bileşikler bile vardır. Bunlar bizmut ve altın, molibden ve tungsten karbür alaşımlarıdır.1,6 K'deki bir yarı iletken, süper iletken haline gelir.

Süperiletkenlik durumuna dönüşümün en yüksek noktaları şunlardır: niyobyum niyobyum karbür, bir kalay ve niyobyum alaşımı ve en yüksek nokta - niyobyum nitrür

Neredeyse yarım yüzyıl boyunca süperiletkenlik olgusu yeterince anlaşılmadı. Ancak 1957'de Amerikalı fizikçiler Bardeen, Cooper, Schriefer ve daha eksiksiz bir biçimde Akademisyen Nikolai Nikolaevich Bogolyubov nihayet tatmin edici bir süperiletkenlik teorisi yaratmayı başardılar.

Süperiletkenliğin birçok açıdan sıvıların süperakışkanlığı olgusuna benzer şekilde açıklandığı ortaya çıktı. Sayfa 367'deki cilt I'de bahsedildiği gibi, sıvı helyum II'de 2,18 ° 'nin altındaki sıcaklıklarda süperakışkanlık gözlenir; süperakışkanlık nedeniyle sıvı helyum anormal derecede yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir (sudan neredeyse bir buçuk milyon kat daha fazla, iki bin oda sıcaklığında alınan bakırdan kat kat daha fazladır).

N. N. Bogolyubov makalelerinden birinde (1958) şöyle yazıyor:

“...Süperakışkan bir sıvının hareketine ilişkin aşağıdaki tablo ortaya çıktı: bireysel parçacıkların rastgele hareket ettiği sıradan bir sıvı veya gazın hareketinin aksine, bir süperakışkan sıvının hareketi yüksek derecede bir düzen sergiler. Bunun nedeni, süperakışkan bir sıvının parçacıklarının birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girmesidir. Bu etkileşim özellikle zıt yöndeki hızlara sahip parçacıklar için güçlüdür. Süperakışkanlık teorisini oluştururken bu etkileşimi doğru bir şekilde hesaba katmak özellikle zordu.Süperiletkenlik teorisinde de benzer bir zorluk vardı...

Şimdiye kadar fizikte, helyum atomlarından oluşan bir sistem ile elektronlardan oluşan bir sistemin davranışı arasında derin bir benzerliğin pek mümkün olmadığı yönünde genel bir görüş vardı. Gerçek şu ki, bunlardan oluşan sistemlerin davranışını belirleyen bu parçacıkların istatistiksel özellikleri çok farklıdır: helyum çekirdekleri Bose istatistiklerine, elektronlar ise Fermi istatistiklerine uyar.

Süperiletken durumdaki elektronların davranışının genel resmi aşağıdaki gibi hayal edilebilir. Metalin serbest elektronları, bu durumda, özellikleri bakımından süperakışkanlık teorisinde yoğunlaşma olarak adlandırılan şeye benzer şekilde bağlı bir "kolektif" oluşturur... Böyle bir kolektifin bir bütün olarak hareketi stabildir. Manyetik alanın etkisiyle ilave stabilizasyon sayesinde bu hareket (metaldeki elektrik akımı) dirençle karşılaşmıyor.”

Önceki yıllarda sıvıların süperakışkanlığı teorisini geliştiren N.N. Bogolyubov, söz konusu elektronların "toplu-yoğunlaşmasının" ortaya çıkışı ve hareketinin doğasını analiz etmek için yarattığı matematiksel yöntemi uyguladı. N. N. Bogolyubov, elektronların elektriksel itmesinin onların bağlantılı bir "kolektife" katılmasını engellemesine rağmen bunun Bardeen, Cooper ve Schriefer'in inandığından daha az olduğunu gösterdi. Amerikalı fizikçiler, elektronların çiftler halinde gruplandığı varsayımına bağlı kalarak süperiletkenlik durumunu karakterize eden nicelikler için bir dizi formül elde ettiler; aynı formüller, bazı yeni sonuçlarla birlikte, N. N. Bogolyubov'un daha katı teorisi tarafından verilmektedir.

(77 K), çok daha ucuz bir kriyojenik sıvıdır.

Ansiklopedik YouTube

1 / 5

✪ Ders 296. Metallerin direncinin sıcaklığa bağlılığı. Süperiletkenlik

✪ Süperiletkenlik. Çeşitli ortamlarda elektrik akımı. Eğitici film

✪ SÜPERİLETKEN VE KUANTUM HAVİTASYONU!

✪ Süper iletkenlik (fizikçi Boris Fain tarafından anlatılmıştır)

✪ Çeşitli maddelerin elektriksel iletkenliği | Fizik 10. sınıf #57 | Bilgi dersi

Altyazılar

Keşif tarihi

Süperiletkenlik olgusunun keşfinin temeli, malzemeleri ultra düşük sıcaklıklara kadar soğutmak için teknolojilerin geliştirilmesiydi. 1877'de Fransız mühendis Louis Cayette ve İsviçreli fizikçi Raoul Pictet bağımsız olarak oksijeni sıvı hale getirerek soğuttular. 1883'te Zygmunt Wróblewski ve Karol Olszewski nitrojenin sıvılaştırılmasını gerçekleştirdi. 1898'de James Dewar sıvı hidrojen elde etmeyi başardı.

1893 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes aşırı düşük sıcaklıklar sorununu incelemeye başladı. 10 Temmuz 1908'de sıvı helyum elde ettiği dünyanın en iyi kriyojenik laboratuvarını kurmayı başardı. Daha sonra sıcaklığını 1 Kelvin'e çıkarmayı başardı. Kamerlingh Onnes, metallerin özelliklerini incelemek, özellikle de elektrik dirençlerinin sıcaklığa bağımlılığını ölçmek için sıvı helyumu kullandı. O dönemde var olan klasik teorilere göre, sıcaklık azaldıkça direncin düzgün bir şekilde düşmesi gerekiyordu, ancak çok düşük sıcaklıklarda elektronların pratik olarak duracağı ve metalin akımı iletmeyi tamamen durduracağı yönünde bir görüş de vardı. Kamerlingh Onnes'in asistanları Cornelis Dorsman ve Gilles Holst ile birlikte gerçekleştirdiği deneyler, başlangıçta dirençte yumuşak bir düşüş olduğu sonucunu doğruladı. Ancak 8 Nisan 1911'de beklenmedik bir şekilde 3 Kelvin'de (yaklaşık -270 °C) elektrik direncinin neredeyse sıfır olduğunu keşfetti. 11 Mayıs'ta gerçekleştirilen bir sonraki deney, yaklaşık 4,2 K sıcaklıkta sıfıra dirençte keskin bir düşüşün meydana geldiğini gösterdi (daha sonra daha doğru ölçümler bu sıcaklığın 4,15 K olduğunu gösterdi). Bu etki tamamen beklenmedik bir durumdu ve o dönemde var olan teorilerle açıklanamadı.

Süperiletkenlerin tek ayırt edici özelliği sıfır direnç değildir. Süper iletkenler ile ideal iletkenler arasındaki temel farklardan biri, 1933 yılında Walter Meissner ve Robert Oxenfeld tarafından keşfedilen Meissner etkisidir.

Daha sonra süperiletkenlerin iki büyük aileye ayrıldığı keşfedildi: Tip I süperiletkenler (özellikle cıva içerir) ve tip II (genellikle farklı metallerin alaşımlarıdır). 1930'larda L.V. Shubnikov'un ve 1950'lerde A.A. Abrikosov'un çalışmaları, tip II süperiletkenliğin keşfinde önemli bir rol oynadı.

1950'lerde güçlü manyetik alanlara dayanabilen ve yüksek akım yoğunluklarını iletebilen süperiletkenlerin keşfi, yüksek güçlü elektromıknatısların pratik uygulamaları için büyük önem taşıyordu. Böylece 1960 yılında J. Künzler öncülüğünde 4,2 K sıcaklıkta 100 kA/cm² yoğunluğa kadar akım geçirebilen Nb 3 Sn malzemesi keşfedildi. 8,8 T'lik bir manyetik alan.

2015 yılında süper iletkenliğin elde edildiği sıcaklıkta yeni bir rekor kırıldı. 100 GPa basınçta H2S (hidrojen sülfür) için 203 K (-70 ° C) sıcaklıkta süper iletken bir geçiş kaydedildi.

sınıflandırma

Süper iletkenleri sınıflandırmak için çeşitli kriterler vardır. İşte başlıcaları:

Süper iletkenlerin özellikleri

Sıfır elektrik direnci

Doğru elektrik akımı için bir süperiletkenin elektrik direnci sıfırdır. Bu, 2,5 yıl boyunca zayıflamadan akan kapalı bir süper iletkende bir elektrik akımının indüklendiği bir deneyde gösterilmiştir (deney, kriyojenik sıvıları dağıtan işçilerin greviyle kesintiye uğramıştır).

Yüksek frekans alanında süper iletkenler

Kesin olarak konuşursak, süperiletkenlerin direncinin sıfır olduğu ifadesi yalnızca doğru elektrik akımı için doğrudur. Alternatif bir elektrik alanında, bir süperiletkenin direnci sıfırdan farklıdır ve artan alan frekansıyla birlikte artar. Süper iletkenin iki akışkan modeli dilinde bu etki, süper iletken elektron fraksiyonunun yanı sıra, sayısı az olan sıradan elektronların varlığıyla açıklanır. Bir süperiletken sabit bir alana yerleştirildiğinde, süperiletkenin içindeki bu alan sıfır olur, aksi takdirde süperiletken elektronlar sonsuza kadar hızlanır ki bu imkansızdır. Bununla birlikte, alternatif bir alan durumunda, süperiletkenin içindeki alan sıfır değildir ve aynı zamanda hem sonlu elektrik direncinin hem de Joule termal kayıplarının ilişkili olduğu normal elektronları hızlandırır. Bu etki özellikle kuantum enerjisinin geçerli olduğu ışık frekansları için belirgindir. h ν (\displaystyle h\nu ) süperiletken bir elektronu normal elektron grubuna aktarmak için yeterlidir. Bu frekans genellikle kızılötesi bölgededir (yaklaşık 10 11 Hz), bu nedenle görünür aralıkta süper iletkenler pratik olarak sıradan metallerden farklı değildir.

Süperiletken duruma faz geçişi

Şu anda, HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fazı bilinen en yüksek kritik sıcaklık değerine sahiptir - 135 K ve 350 bin atmosferlik bir dış basınçta geçiş sıcaklığı 164 K'ya yükselir; Dünya yüzeyinde doğal koşullar altında kaydedilen minimum sıcaklıktan yalnızca 19 K daha düşüktür. Böylece, süper iletkenler gelişimlerinde metalik cıvadan (4,15 K) cıva içeren yüksek sıcaklıklı süper iletkenlere (164 K) doğru ilerledi. 2000 yılında, yukarıda bahsedilen cıva seramiklerinin hafif florlanmasının, normal basınçta kritik sıcaklığın 138 K'ye yükseltilmesine izin verdiği gösterilmiştir.

Bir maddenin süperiletken duruma geçişine, onun termal özelliklerinde bir değişiklik eşlik eder. Ancak bu değişiklik söz konusu süperiletkenlerin türüne bağlıdır. Bu nedenle, tip I süperiletkenler için geçiş sıcaklığında manyetik alanın yokluğunda T c geçiş ısısı (emilim veya salınım) sıfıra gider ve bu nedenle ısı kapasitesinde bir sıçrama olur, bu da ΙΙ türünden bir faz geçişinin karakteristiğidir. Bir süperiletkenin elektronik alt sisteminin ısı kapasitesinin bu sıcaklığa bağımlılığı, süperiletkenin temel durumu ile temel uyarım seviyesi arasındaki elektron dağılımında bir enerji boşluğunun varlığını gösterir. Süper iletken durumdan normal duruma geçiş, uygulanan manyetik alan değiştirilerek gerçekleştirildiğinde, ısının emilmesi gerekir (örneğin, numune termal olarak yalıtılmışsa sıcaklığı düşer). Bu da 1. dereceden bir faz geçişine karşılık gelir. Tip II süperiletkenler için, herhangi bir koşulda süperiletken durumdan normal duruma geçiş, tip II'nin bir faz geçişi olacaktır.

Meissner etkisi

Bir süperiletkenin sıfır elektrik direncinden daha önemli bir özelliği, sabit bir manyetik alanın bir süperiletkenden yer değiştirmesinden oluşan Meissner etkisidir. Bu deneysel gözlemden, süperiletkenin içinde, dışarıdan uygulanan manyetik alana zıt bir iç manyetik alan yaratan ve onu telafi eden kalıcı akımların olduğu sonucuna varılmıştır.

İzotopik etki

İzotopik etki süperiletkenler için sıcaklıklar T'ler aynı süperiletken elementin izotoplarının atom kütlelerinin karekökleriyle ters orantılıdır. Sonuç olarak, monoizotopik preparatlar kritik sıcaklıklarda doğal karışımdan ve birbirlerinden biraz farklıdır.

Londra anı

Dönen süperiletken, dönme ekseniyle tam olarak hizalanmış bir manyetik alan oluşturur; ortaya çıkan manyetik moment, "Londra momenti" olarak adlandırılır. Özellikle, dört süper iletken jiroskopun manyetik alanlarının dönme eksenlerini belirlemek için ölçüldüğü Gravity Probe B bilimsel uydusunda kullanıldı. Jiroskopların rotorları neredeyse tamamen pürüzsüz küreler olduğundan, Londra momentinin kullanılması, dönme eksenlerini belirlemenin birkaç yolundan biriydi.

Londra'nın yerçekimsel manyetik anı

Dönen ve aynı zamanda hızlanan, yani dönüş sıklığını artıran bir süperiletken halkası, bir çekim alanı oluşturur. Londra gravitomanyetik momentiyle ilgili deneyler, Avusturyalı ARC Seibersdorf Research şirketinden Martin Tajmar ve Avrupa Uzay Ajansı'ndan (ESA) Clovis de Matos tarafından 2006 yılında gerçekleştirildi. Deneyciler ilk kez bu şekilde yapay olarak oluşturulan bir yerçekimsel manyetik alanı ölçtüler. Tajmar ve de Matos, bu etkinin, daha önce yüksek doğrulukla ölçülen Cooper çiftlerinin kütlesi (bunlar bir süper iletkende iletkenlik sağlayan elektronlardır) ile kuantum teorisi hesaplamalarına göre kağıt üzerinde elde edilen aynı kütle arasındaki farkın gizemini açıkladığına inanıyorlar. .

Araştırmacılar, deneysel olarak keşfedilen yerçekimsel etkiyi, benzer bir manyetik etkiye benzeterek "Yerçekimimanyetik Londra momenti" olarak adlandırdılar: bir süperiletkenin dönüşü sırasında bir manyetik alanın ortaya çıkması, buna "Londra momenti" adı verildi.

Bu şekilde oluşan alan, Dünya'nın çekim alanından 100 milyon kat daha zayıftı. Her ne kadar bu etki Genel Görelilik Teorisi tarafından öngörülse de, bu alan gücünün hesaplanan değerden 20 kat daha güçlü olduğu ortaya çıktı.

Süperiletkenlik etkisinin teorik açıklaması

Süperiletkenliğin tamamen tatmin edici bir mikroskobik teorisi şu anda eksik.

Süperiletkenlik çalışmalarının nispeten erken bir aşamasında, en azından Ginzburg-Landau teorisinin yaratılmasından sonra, süperiletkenliğin makroskobik sayıda iletken elektronun tek bir kuantum mekaniksel durumda birleşmesinin bir sonucu olduğu açıkça ortaya çıktı. Böyle bir topluluğa bağlanan elektronların özelliği, kafesle küçük porsiyonlarda enerji alışverişinde bulunamamaları, bu da topluluktaki bağlanma enerjilerinden daha az olmasıdır. Bu, elektronlar bir kristal kafes içinde hareket ettiğinde elektronların enerjisinin değişmediği ve maddenin sıfır dirençli bir süper iletken gibi davrandığı anlamına gelir. Kuantum mekaniği analizi, bu durumda kafesin termal titreşimleri veya yabancı maddeler nedeniyle elektron dalgalarının saçılmadığını göstermektedir. Bu da elektriksel direncin olmadığı anlamına gelir. Bir fermiyonlar topluluğunda böyle bir parçacık birleşimi imkansızdır. Aynı bozonlardan oluşan bir topluluğun karakteristiğidir. Süper iletkenlerdeki elektronların bozonik çiftler halinde bir araya geldiği gerçeği, içi boş süper iletken silindirlerde "donmuş" olan manyetik akı kuantumunun büyüklüğünü ölçen deneylerden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, 20. yüzyılın ortalarında süperiletkenlik teorisini yaratmanın asıl görevi, elektron eşleştirme mekanizmasının geliştirilmesiydi. Süperiletkenliğin nedenlerine mikroskobik bir açıklama getirdiğini iddia eden ilk teori, 20. yüzyılın 50'li yıllarında onlar tarafından yaratılan Bardeen - Cooper - Schrieffer teorisiydi. Bu teori BCS adı altında evrensel olarak tanındı ve 1972'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Yazarlar teorilerini oluştururken izotop etkisine, yani izotop kütlesinin süper iletkenin kritik sıcaklığı üzerindeki etkisine güvendiler. Varlığının, fonon mekanizmasının işleyişinden dolayı süper iletken bir durumun oluşumunu doğrudan gösterdiğine inanılıyordu.

BCS teorisi bazı soruları cevapsız bıraktı. Temelde, ana sorunu çözmenin imkansız olduğu ortaya çıktı - belirli süper iletkenlerin neden şu veya bu kritik sıcaklığa sahip olduğunu açıklamak. Ek olarak, izotopik ikamelerle yapılan ileri deneyler, metallerdeki iyonların sıfır noktası titreşimlerinin uyumsuzluğu nedeniyle, iyon kütlesinin kafes içindeki interiyonik mesafeler üzerinde ve dolayısıyla doğrudan Fermi enerjisi üzerinde doğrudan bir etkisinin olduğunu göstermiştir. metal. Bu nedenle izotopik etkinin varlığının, elektronların eşleşmesinden ve süperiletkenliğin ortaya çıkmasından sorumlu olan tek olası mekanizma olan fonon mekanizmasının kanıtı olmadığı ortaya çıktı. Daha sonraki yıllarda BCS teorisinden duyulan memnuniyetsizlik, spin dalgalanma modeli ve bipolaron modeli gibi başka modeller yaratma girişimlerine yol açtı. Ancak elektronları çiftler halinde birleştirmek için çeşitli mekanizmalar düşünülmüş olsa da bu gelişmeler süperiletkenlik olgusunun anlaşılmasında da ilerleme sağlamadı.

BCS teorisi için temel sorun, bu teoriyle açıklanamayan varlığıdır.

Süperiletkenlik Uygulamaları

Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin elde edilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir. Metal seramiklere dayanarak, örneğin YBa 2 Cu 3 O x bileşimi, sıcaklığın uygun olduğu maddeler elde edilmiştir. T c süperiletken duruma geçiş 77 K'yi (azot sıvılaşma sıcaklığı) aşıyor. Ne yazık ki, neredeyse tüm yüksek sıcaklık süperiletkenleri teknolojik olarak gelişmiş değildir (kırılgandır, kararlı özelliklere sahip değildir, vb.), bunun sonucunda niyobyum alaşımlarına dayalı süper iletkenler hala esas olarak teknolojide kullanılmaktadır.

Süperiletkenlik olgusu güçlü manyetik alanlar üretmek için kullanılır (örneğin siklotronlarda), çünkü süperiletkenden güçlü akımlar geçtiğinde güçlü manyetik alanlar yaratıldığında termal kayıplar olmaz. Ancak manyetik alanın süperiletkenlik durumunu yok etmesi nedeniyle, güçlü manyetik alanlar elde etmek için manyetik alanlar adı verilen alanlar kullanılır. Süperiletkenlik ve manyetik alanın bir arada bulunmasının mümkün olduğu Tip II süperiletkenler. Bu tür süper iletkenlerde, manyetik alan, her biri bir manyetik akı kuantumu (Abrikosov girdapları) taşıyan, numuneye nüfuz eden normal metalden yapılmış ince filamanların ortaya çıkmasına neden olur. İplikler arasındaki madde süper iletken olmaya devam ediyor. Tip II süperiletkende tam Meissner etkisi olmadığından çok daha yüksek manyetik alan değerlerine kadar süperiletkenlik mevcuttur. H C 2. Aşağıdaki süper iletkenler esas olarak teknolojide kullanılır:

Eylemi manyetik akı ve voltajdaki değişiklikler arasındaki bağlantıya dayanan minyatür süper iletken halka cihazları - SQUIDS, önemli uygulamalarda bulunur. Dünyanın manyetik alanını ölçen ultra hassas manyetometrelerin bir parçasıdırlar ve aynı zamanda tıpta çeşitli organların manyetogramlarını elde etmek için de kullanılırlar.

Süper iletkenler maglevlerde de kullanılır.

Süperiletken duruma geçiş sıcaklığının manyetik alanın büyüklüğüne bağlı olması olgusu, kriyotron kontrollü dirençlerde kullanılır.

Ayrıca bakınız

Notlar

Süperiletkenliğin keşfi - J. Trigg'in “20. Yüzyılın Fiziği: Anahtar Deneyler” kitabından bir bölüm
Dirk van Delft ve Peter Kes.

Süperiletkenlik

Süperiletkenlik- bazı malzemelerin sahip olması gereken özellik kesinlikle sıfır belirli bir değerin (kritik sıcaklık) altındaki bir sıcaklığa ulaştıklarında elektriksel direnç. Süper iletken duruma dönüşen birkaç düzine saf element, alaşım ve seramik bilinmektedir. Süperiletkenlik bir kuantum olgusudur. Aynı zamanda manyetik alanın süper iletkenin hacminden tamamen yer değiştirmesinden oluşan Meissner etkisi ile de karakterize edilir. Bu etkinin varlığı süperiletkenliğin basit bir şekilde tanımlanamayacağını göstermektedir. mükemmel iletkenlik klasik anlamda.

1893 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes aşırı düşük sıcaklıklar sorununu incelemeye başladı. 10 Temmuz 1908'de sıvı helyum elde ettiği dünyanın en iyi kriyojenik laboratuvarını kurmayı başardı. Daha sonra sıcaklığını 1 Kelvin'e çıkarmayı başardı. Kamerlingh Onnes, metallerin özelliklerini incelemek, özellikle de elektrik dirençlerinin sıcaklığa bağımlılığını ölçmek için sıvı helyumu kullandı. O dönemde var olan klasik teorilere göre, sıcaklık azaldıkça direncin kademeli olarak düşmesi gerekiyordu, ancak çok düşük sıcaklıklarda elektronların pratik olarak duracağı ve akımı iletmeyi tamamen bırakacağı yönünde bir görüş de vardı. Kamerlingh Onnes'in asistanları Cornelis Dorsman ve Gilles Holst ile birlikte gerçekleştirdiği deneyler, başlangıçta dirençte yumuşak bir düşüş olduğu sonucunu doğruladı. Ancak 8 Nisan 1911'de beklenmedik bir şekilde 3 Kelvin'de (yaklaşık -270 °C) elektrik direncinin neredeyse sıfır olduğunu keşfetti. 11 Mayıs'ta gerçekleştirilen bir sonraki deney, yaklaşık 4,2 K sıcaklıkta sıfıra dirençte keskin bir sıçramanın meydana geldiğini gösterdi (daha sonra daha doğru ölçümler bu sıcaklığın 4,15 K olduğunu gösterdi). Bu etki tamamen beklenmedik bir durumdu ve o dönemde var olan teorilerle açıklanamadı.

Süperiletkenlerin tek ayırt edici özelliği sıfır direnç değildir. Süperiletkenler ile ideal iletkenler arasındaki temel farklardan biri, 1933 yılında Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld tarafından keşfedilen Meissner etkisidir.

1950'lerde güçlü manyetik alanlara dayanabilen ve yüksek akım yoğunluklarını taşıyabilen süperiletkenlerin keşfi, yüksek güçlü elektromıknatısların pratik uygulamaları için büyük önem taşıyordu. Böylece 1960 yılında J. Künzler öncülüğünde 4,2 K sıcaklıkta 100 kA/cm² yoğunluğa kadar akım geçirebilen Nb 3 Sn malzemesi keşfedildi. 8,8 T'lik bir manyetik alan.

Süper iletkenlerin özellikleri

Sıfır elektrik direnci

Yüksek frekans alanında süper iletkenler

Kesin olarak konuşursak, süperiletkenlerin direncinin sıfır olduğu ifadesi yalnızca doğru elektrik akımı için doğrudur. Alternatif bir elektrik alanında, bir süperiletkenin direnci sıfırdan farklıdır ve artan alan frekansıyla birlikte artar. Süper iletkenin iki akışkan modeli dilinde bu etki, süper iletken elektron fraksiyonunun yanı sıra, sayısı az olan sıradan elektronların varlığıyla açıklanır. Bir süperiletken sabit bir alana yerleştirildiğinde, süperiletkenin içindeki bu alan sıfır olur, aksi takdirde süperiletken elektronlar sonsuza kadar hızlanır ki bu imkansızdır. Bununla birlikte, alternatif bir alan durumunda, süperiletkenin içindeki alan sıfır değildir ve aynı zamanda hem sonlu elektrik direncinin hem de Joule termal kayıplarının ilişkili olduğu normal elektronları hızlandırır. Bu etki özellikle kuantum enerjisinin süper iletken bir elektronu normal elektron grubuna aktarmaya yeterli olduğu ışık frekansları için belirgindir. Bu frekans genellikle kızılötesi bölgededir (yaklaşık 10 11 Hz), bu nedenle görünür aralıkta süper iletkenler pratik olarak sıradan metallerden farklı değildir.

Süperiletken duruma faz geçişi

Süper iletken duruma faz geçişi sırasında ısı kapasitesi (c v, mavi grafik) ve dirençteki (ρ, yeşil) değişimin doğası

Saf numuneler için süperiletken duruma geçişin sıcaklık aralığı Kelvin'in binde birini aşmaz ve bu nedenle belirli bir değer anlamlıdır T'ler- süper iletken duruma geçiş sıcaklığı. Bu miktara denir kritik geçiş sıcaklığı. Geçiş aralığının genişliği metalin heterojenliğine, öncelikle yabancı maddelerin ve iç gerilimlerin varlığına bağlıdır. Güncel bilinen sıcaklıklar T'ler magnezyum (Mg) için 0,0005 K ila niyobyum ve germanyumun metallerarası bileşiği (filmde Nb 3 Ge) için 23,2 K ve düşük sıcaklıklı süper iletkenler için magnezyum diborür (2) için 39 K arasında değişir ( T'ler 77 K'nin altında (sıvı nitrojenin kaynama noktası), cıva içeren yüksek sıcaklık süperiletkenleri için yaklaşık 135 K'ye kadar. Şu anda, HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fazı bilinen en yüksek kritik sıcaklık değerine sahiptir - 135 K ve 350 bin atmosferlik bir dış basınçta geçiş sıcaklığı 164 K'ya yükselir; Dünya yüzeyinde doğal koşullar altında kaydedilen minimum sıcaklıktan yalnızca 19 K daha düşüktür. Böylece, süper iletkenler gelişimlerinde metalik cıvadan (4,15 K) cıva içeren yüksek sıcaklıklı süper iletkenlere (164 K) doğru ilerledi.

Bir maddenin süperiletken duruma geçişine, onun termal özelliklerinde bir değişiklik eşlik eder. Ancak bu değişiklik söz konusu süperiletkenlerin türüne bağlıdır. Bu nedenle, tip I süperiletkenler için geçiş sıcaklığında manyetik alanın yokluğunda T c geçiş ısısı (emilim veya salınım) sıfır olur ve bu nedenle ısı kapasitesinde bir sıçrama olur, bu da ΙΙ türünden bir faz geçişinin karakteristiğidir. Bir süperiletkenin elektronik alt sisteminin ısı kapasitesinin bu sıcaklığa bağımlılığı, süperiletkenin temel durumu ile temel uyarım seviyesi arasındaki elektron dağılımında bir enerji boşluğunun varlığını gösterir. Süper iletken durumdan normal duruma geçiş, uygulanan manyetik alan değiştirilerek gerçekleştirildiğinde, ısının emilmesi gerekir (örneğin, numune termal olarak yalıtılmışsa sıcaklığı düşer). Bu da 1. dereceden bir faz geçişine karşılık gelir. Tip II süperiletkenler için, herhangi bir koşulda süperiletken durumdan normal duruma geçiş, tip II'nin bir faz geçişi olacaktır.

Meissner etkisi

Bir süperiletkenin sıfır elektrik direncinden daha önemli bir özelliği, süperiletkenin manyetik akıyı dışarı itmesiyle oluşan Meissner etkisidir. Bu deneysel gözlemden, süperiletkenin içinde, dışarıdan uygulanan manyetik alana zıt bir iç manyetik alan yaratan ve onu telafi eden kalıcı akımların olduğu sonucuna varılmıştır.

İzotopik etki

İzotopik etki süperiletkenler için sıcaklıklar T'ler aynı süperiletken elementin izotoplarının atom kütlelerinin karekökleriyle ters orantılıdır.

Londra anı

Dönen süperiletken, dönme ekseniyle tam olarak hizalanmış bir manyetik alan oluşturur; ortaya çıkan manyetik moment, "Londra momenti" olarak adlandırılır. Özellikle, dönme eksenlerini belirlemek için dört süper iletken jiroskopun manyetik alanlarının ölçüldüğü bilimsel uydu "Gravity Probe B"de kullanıldı. Jiroskopların rotorları neredeyse tamamen pürüzsüz küreler olduğundan, Londra momentinin kullanılması, dönme eksenlerini belirlemenin birkaç yolundan biriydi.

Süperiletkenlik etkisinin teorik açıklaması

Süperiletkenlik çalışmalarının nispeten erken bir aşamasında, en azından Ginzburg-Landau teorisinin yaratılmasından sonra, süperiletkenliğin makroskobik sayıda iletken elektronun tek bir kuantum mekaniksel durumda birleşmesinin bir sonucu olduğu açıkça ortaya çıktı. Böyle bir topluluğa bağlanan elektronların özelliği, kafesle küçük porsiyonlarda enerji alışverişinde bulunamamaları, bu da topluluktaki bağlanma enerjilerinden daha az olmasıdır. Bu, elektronlar bir kristal kafes içinde hareket ettiğinde elektronların enerjisinin değişmediği ve maddenin sıfır dirençli bir süper iletken gibi davrandığı anlamına gelir. Kuantum mekaniği analizi, bu durumda kafesin termal titreşimleri veya yabancı maddeler nedeniyle elektron dalgalarının saçılmadığını göstermektedir. Bu da elektriksel direncin olmadığı anlamına gelir. Bir fermiyonlar topluluğunda böyle bir parçacık birleşimi imkansızdır. Aynı bozonlardan oluşan bir topluluğun karakteristiğidir. Süper iletkenlerdeki elektronların bozonik çiftler halinde bir araya geldiği gerçeği, içi boş süper iletken silindirlerde "donmuş" olan manyetik akı kuantumunun büyüklüğünü ölçen deneylerden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, geçen yüzyılın ortalarında süperiletkenlik teorisini yaratmanın asıl görevi, elektron eşleştirme mekanizmasının geliştirilmesiydi. Süperiletkenliğin nedenlerine mikroskobik bir açıklama getirdiğini iddia eden ilk teori, geçen yüzyılın 50'li yıllarında onlar tarafından yaratılan Bardeen-Cooper-Schrieffer teorisiydi. Bu teori BCS adı altında evrensel olarak tanındı ve 1972'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Yazarlar teorilerini oluştururken izotop etkisine, yani izotop kütlesinin süper iletkenin kritik sıcaklığı üzerindeki etkisine güvendiler. Varlığının, fonon mekanizmasının işleyişinden dolayı süper iletken bir durumun oluşumunu doğrudan gösterdiğine inanılıyordu.

Süperiletkenlerin kritik sıcaklıklarının hesaplanan değerlerinin ölçüm verileriyle karşılaştırılması.

B.V. Vasiliev tarafından önerilen en son teorilerden birine göre, elektron eşleşmesi, süper iletken bir durumun varlığı için gerekli ancak yeterli olmayan bir koşuldur. Üstelik böyle bir eşleşmeye hangi spesifik mekanizmanın yol açtığı o kadar da önemli değil. Böyle bir mekanizmanın mevcut olması ve süperiletken durumun mevcut olduğu tüm sıcaklık aralığı boyunca çalışır durumda olması önemlidir.

Bunun nedeni şu şekilde açıklanmaktadır: Elektronlar çiftler halinde birleşerek tek bir özdeş topluluk halinde birleşmeyen bozonlar oluştururlar. İlişkisiz sıfır salınımlarla ayırt edilirler. Bozonların aynı duruma geçebilmesi için sıfır noktası titreşimlerinin düzenlenmesi gerekir. Bu nedenle, bir elektron gazındaki sıfır noktası salınımlarının düzenlenme mekanizmasını karakterize eden parametrelerin, süperiletkenlerin özellikleri açısından belirleyici olduğu ortaya çıkmaktadır.

Süperiletkenlik Uygulamaları

Süperiletkenlik olgusu, güçlü manyetik alanlar oluşturmak için kullanılır, çünkü güçlü akımlar bir süperiletkenden geçtiğinde ısı kaybı olmaz ve güçlü manyetik alanlar oluşturulur. Ancak manyetik alanın süperiletkenlik durumunu yok etmesi nedeniyle, güçlü manyetik alanlar elde etmek için manyetik alanlar adı verilen alanlar kullanılır. Süperiletkenlik ve manyetik alanın bir arada bulunmasının mümkün olduğu Tip II süperiletkenler. Bu tür süper iletkenlerde manyetik alan, numuneye nüfuz eden, her biri bir manyetik akı kuantumu taşıyan normal metalden ince ipliklerin ortaya çıkmasına neden olur. İplikler arasındaki madde süper iletken olmaya devam ediyor. Tip II süperiletkende tam Meissner etkisi olmadığından çok daha yüksek manyetik alan değerlerine kadar süperiletkenlik mevcuttur. H C 2. Aşağıdaki süper iletkenler esas olarak teknolojide kullanılır:

Ayrıca bakınız

Süperiletkenlik ve sıfır noktası salınımları

Notlar

Dirk van Delft ve Peter Kes Süperiletkenliğin keşfi (İngilizce) // Bugün Fizik. - 2010. - Cilt. 63. - s. 38-43.
Alexey Levin Süperiletkenlik yüzüncü yılını kutluyor. Elements.ru (8 Nisan 2011). 23 Ağustos 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Nisan 2011.
V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin Bölüm 1. Süperiletkenliğin keşfi // Süperiletkenlik. - 2. baskı, revize edilmiş ve genişletilmiş. - Alfa-M, 2006. - 112 s. - 3000 kopya. - ISBN 5-98281-088-6

Okumak faydalı olabilir: