O'ta o'tkazuvchanlik nazariyalarining qisqacha sharhi va yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlik muammolari tahlil qilinadi. Supero'tkazuvchanlik - Fizika va boshqalarni bilish - LJ O'ta o'tkazuvchanlik hodisasining namoyon bo'lishi nima

Supero'tkazuvchanlik mo''jizasi(muallif Valeriy Staroshchuk)

Bir oz nazariya

Elektr bilan o'tkazilgan birinchi tajribalar shuni ko'rsatdiki, kumush, mis va alyuminiy elektr tokini yaxshi o'tkazadi, chinni, shisha, kauchuk va ipak esa deyarli uni o'tkazmaydi. Shunga ko'ra, odamlar birinchi materiallardan o'tkazgichlarni, ikkinchisidan esa simlar uchun izolyatsiyani va elektr toki urishidan himoya qilishni boshladilar. Suratda siz zamonaviy ikki yadroli tarmoq kabelini ko'rasiz. Har bir yadro plastik izolyatsiya bilan o'ralgan etti mis simlardan iborat. Telning 220V xavfli kuchlanishda ishlashini hisobga olsak, ikkita izolyatsiyalangan simlar boshqa umumiy plastmassa izolyatsiya qatlami bilan qoplangan.

Elektr toki o'tkazgichdan o'tganda u qiziydi. Bu xususiyat dazmollar, choynaklar, elektr batareyalar kabi isitish moslamalarida, shuningdek, akkor lampalarda qo'llaniladi. Suratda siz volfram filamentini ko'rasiz, u oqim ta'sirida juda qizib ketgan va u yorug'lik chiqara boshlagan.

Endi energiyani tejovchi lyuminestsent lampalar tobora ko'proq foydalanilmoqda, ammo ular elektronlarni chiqarish uchun kichik filamentga ham ega.

Agar oqim o'tkazgich orqali o'tsa, u nafaqat qizib ketadi, balki o'z atrofida magnit maydon hosil qiladi. Bu xususiyat birinchi marta 1820 yilda daniyalik olim Xans Kristian Oersted tomonidan qayd etilgan va tasvirlangan. Fotosuratda siz magnit maydon ta'sirida tok o'tkazuvchi mis o'tkazgich atrofida qanday qilib temir parchalari to'planishini ko'rasiz.

Oqimning magnit maydoni elektr dvigatel, generator va elektromagnitning ishlashida ishlatiladi.

Shunday qilib, agar oqim o'tkazgich orqali oqsa, u holda oqim manbaining energiyasi issiqlik va elektromagnit maydon energiyasiga aylanadi. Ba'zan bu zarur va foydali, ba'zan esa shunchaki zararli. Misol uchun, nima uchun biz isitish va temirni rozetkaga ulagan simning magnit maydoniga muhtojmiz? Elektr stantsiyasidan elektr toki uylarimizga o'tadigan simlar ham qiziydi. Ushbu energiya yo'qotishlarini kamaytirish uchun ular o'tkazgichning qarshiligini imkon qadar kichikroq qilishga harakat qilishadi.

Namunaning elektr qarshiligi u tayyorlangan materialga, haroratga va geometrik o'lchamlarga bog'liq bo'lganligi sababli, biz o'lchashga qaror qildik. qarshilik, ya'ni 20 0 S da 1 mm 2 tasavvurlar maydoni bo'lgan 1 m uzunlikdagi ushbu material namunasining qarshiligi. Masalan, misning qarshiligi r = 0,0125 Ohm mm 2 / m. Bu shuni anglatadiki, agar siz 1 m uzunlikdagi va tasavvurlar maydoni 1 mm 2 bo'lgan mis (Cu) o'tkazgichni olsangiz, uning elektr tokiga chidamliligi 0,0125 Ohm bo'ladi. Qarshilik ma'lum bir kuchlanish uchun o'tkazgichdan qancha oqim o'tishini aniqlash imkonini beradi. Misol uchun, agar namunamizning uchlaridagi kuchlanish 0,1V bo'lsa, u orqali I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A oqim o'tadi. Aniqlik uchun, keling, elektronlarni yugurish ko'k erkaklar shaklida tasavvur qilaylik.

Keyin, 8A oqim bilan, bir soniyada ular 5·10 19 (50 milliard!) o'tkazgichga tushadilar. Bu Yer sayyorasidagi odamlar sonidan deyarli 70 milliard marta ko'pdir. E'tibor bering, ularning soni bir soniyada o'tkazgichdan tugaydi. Biz oqimning yo'nalishi musbat zaryadlangan zarrachalarning harakati bilan aniqlanishiga rozi bo'ldik. Ammo metallarda manfiy elektronlar oqim o'tkazadi, shuning uchun oqim yo'nalishi elektronlar tezligiga qarama-qarshi ko'rsatilgan. Supero'tkazuvchilar musbat mis ionlarini o'z ichiga oladi, bizning inson elektronlarimiz qo'llari bilan ushlab o'ynaydi. Axir, manfiy elektronlar va ijobiy ionlar o'rtasida jozibador kuchlar mavjud. Elektron odam ionni o'zi bilan olib keta olmaydi, chunki ionlar elektronlardan ancha og'irroq va kristall panjaradagi kuchlar bilan bir-biriga mahkam bog'langan. Ammo bizning "kichkina odamlar" ionlarni pompalay oladilar. Bunday holda, elektronlar tezligini va shuning uchun harakat energiyasini yo'qotadi va o'tkazgich mos ravishda qiziydi.

Kashfiyot tarixi

Gollandiyalik olim Heike Kammerlingh Onnes (o‘ngdagi rasmda) o‘z tajribalarida dunyoda birinchi bo‘lib Kelvin shkalasi bo‘yicha (taxminan minus 273 daraja Selsiy) mutlaq nolga erishishga qaror qildi. Ma'lumki, tabiatda undan pastroq harorat yo'q. Qirq yoshli olim golland sanoatchilari bilan aloqalaridan foydalanib, 1893 yilda Leyden universitetida dunyodagi eng yaxshi laboratoriyalardan birini qurishni boshladi va u eng zamonaviy asbob-uskunalar bilan jihozlangan. Birinchi muvaffaqiyat 1908-yil 10-iyulda, 5K da (bu minus 268 daraja Selsiyda!) suyuq geliyni olish mumkin boʻlganida yuz berdi. 2 yillik mashaqqatli mehnatdan so'ng ular 1K haroratga ega bo'lishadi! Va keyin olim bu uskuna bilan erishish mumkin bo'lgan chegara ekanligini tushunadi, shuning uchun ilmiy ish yo'nalishini o'zgartirish to'g'risida qaror qabul qilinadi. Endi barcha sa'y-harakatlar past haroratlarda turli materiallarning fizik xususiyatlarini o'rganishga qaratilgan edi. Tabiiyki, dasturning nuqtalaridan biri materialning elektr qarshiligini o'lchashni o'z ichiga olgan. O'sha davrning ko'pgina olimlari juda past haroratlarda metallar dielektriklarga aylanishi kerakligini taklif qilishdi. Taxminlarga ko'ra, erkin elektronlar o'z harakatlarini shunchalik sekinlashtiradiki, ular ionlarga "yopishadi" va elektr energiyasini o'tkaza olmaydi. Ammo fizika bu fan, birinchi navbatda eksperimental! Heike Kamerlingh Onnes tomonidan o'tkazilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, platinaning qarshiligi haroratning pasayishi bilan ortib bormaydi, lekin pasayadi va 4K dan keyin doimiy bo'lib qoladi. Olim qarshilik nolga moyil bo'lishi kerak, deb taxmin qildi, chunki ionlar tebranish harakatini to'xtatadi va erkin elektronlar harakatiga "to'sqinlik qilmaydi". Platinada kichik aralashmalar borligini tushunib, u o'zida mavjud bo'lgan eng tozalangan metall simobni sinab ko'rishga qaror qildi.

1911 yil 8 aprelda Xayke Kamerlingh Onnes guruhi yordamchilari Kornelis Dorsman va Gilles Xolst bilan yangi kriostatni (ma'lum hajmdagi past haroratni saqlash uchun qurilma) ishlashini sinab ko'rdi. Avvaliga ular faqat suyuq geliy bilan to'ldirishni o'ylashdi, lekin keyin gaz termometrini va ularning qarshiligini o'lchash uchun oltin va simobning ikkita namunasini o'rnatdilar. Metalllarning qarshiligini 4,3 K da o'lchab, biz geliy ustidagi kriostatdagi bosimni kamaytirishga qaror qildik. Geliy tezda bug'lana boshladi va harorat 3K ga tushdi. Tajriba allaqachon 9 soat davom etgan edi! Qayta o'lchashda simobning qarshiligi nolga teng bo'ldi! Supero'tkazuvchanlik shunday kashf qilindi!

Suratda siz olimning o'sha kuni qilingan tarixiy yozuvini ko'rasiz. Ramkali Gollandcha ibora olingan Kwik nagenoeg nul- "Simobning qarshiligi deyarli nolga teng" (3 K). Keyingi taklif Gerxaald Gud bilan uchrashdi"oltin bilan takrorlangan" degan ma'noni anglatadi.

O'sha kuni simobning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi uchun kritik harorat aniqlanmagan va bunday vazifa qo'yilmagan. Bu 11-may kuni o‘tkazilgan navbatdagi tajribada ma’lum bo‘ldi. Keyin Kamerlingh Onnes simob 4,2 K gacha sovutilganda o'ta o'tkazgichga aylanadi degan xulosaga keldi.

Keyinchalik kashfiyotlar birin-ketin paydo bo'ldi. 1912 yilda yana ikkita supero'tkazgich - qo'rg'oshin va qalay kashf qilindi. 1914 yilda ular kuchli magnit maydon o'ta o'tkazuvchanlikni yo'q qilishini tushunishdi. Xuddi shu yili supero'tkazuvchi qo'rg'oshin halqasi bilan ajoyib tajriba o'tkazildi. Unda qisqa vaqt ichida oqim paydo bo'ldi, so'ngra uning aylanishi bir necha soat davomida ozgina susaymasdan kuzatildi. Uzukning o'zi magnitga aylanadi.

1919 yilda Leydendan talliy va uran ham o'ta o'tkazgichga aylanayotgani haqida xabar keldi.

Supero'tkazuvchanlik tushuntirilgan

O'ta o'tkazuvchanlik hodisasini klassik elektrodinamika nuqtai nazaridan tushuntirish mumkin emas. Faqat 1957 yilda kvant fizikasining rivojlanishi bilan (kashfiyotdan 46 yil o'tgach!) uchta amerikalik fizik - Bardin, Kuper va Shriffer o'ta o'tkazuvchanlikni elektronlarning juftlashishi, ya'ni Kuper juftlarining hosil bo'lishi bilan izohladilar. kristall hujayraning tebranishlari - fononlarning almashinuvi.

Kuper juftlari qanday hosil bo'lishini tushunish uchun supero'tkazgichdagi oqim oqimining juda soddalashtirilgan modelini ko'rib chiqing.

Qizil doiralar kristall panjaraning ijobiy ionlarini ko'rsatadi.

Elektron A elektr maydon ta'sirida panjara bo'shlig'i bo'ylab harakatlansa, uni biroz egadi. Natijada, uning orqasida musbat ionlarning konsentratsiyasi ortadi. Musbat ionlar klasteri manfiy elektron B ni F kuch bilan tortadi. Natijada A elektronning ion kristall panjarasidan o‘tishda sarflagan energiyasi panjara tebranishlari orqali B elektronga o‘tadi. Ma’lum bo‘lishicha, A va B elektronlar bir-biriga bog‘langan. ionli panjara orqali bir-birlari bilan juftlik hosil qiladilar va birgalikda harakatlanayotganda energiyani isrof qilmaydilar. Bu holda joriy qarshilik nolga teng.

Supero'tkazuvchilarni qo'llash

Zamonaviy fan allaqachon 165K (minus 107 0 C) da o'ta o'tkazuvchanlikni ko'rsatadigan materiallarni oldi. Agar xona haroratida o'ta o'tkazuvchan bo'lgan materiallar olinadigan bo'lsa, bu insoniyat taraqqiyotida katta sakrash bo'ladi. Axir, biz elektr energiyasining uchdan bir qismini manbadan iste'molchiga etkazish vaqtida sarflaymiz. Ayni paytda supero'tkazgichlarni suyuq azot bilan sovutish kerak.

Boshqa tomondan, ularsiz CERNdagi Katta adron kollayderining ishini va Kadaracheda ITER termoyadroviy reaktorining qurilishini tasavvur qilish qiyin.

Supero'tkazuvchanlik, shuningdek, magnit maydonning o'ta o'tkazgich hajmidan to'liq siljishidan iborat bo'lgan Meysner effekti bilan ham tavsiflanadi. Natijada, fotosuratda ko'rinib turganidek, namuna magnitning tepasida joylashgan.

Ushbu hodisaga asoslanib, 500 km/soat tezlikka erisha oladigan magnitli levitatsiya poyezdlari allaqachon yaratilgan.

Kuchli supero'tkazgich magnitlari tibbiyotda yadro magnit rezonansi (NMR) printsipidan foydalangan holda tomograflarni yaratish uchun ishlatiladi. Inson to‘qimasini skanerlash shifokorlarga bemorni operatsiya qilmasdan kompyuter ekranida ichki qismning ko‘ndalang kesimini ko‘rish imkonini beradi. Bu usul tezda to'g'ri tashxis qo'yish imkonini beradi, ya'ni bemorni tezroq davolash mumkin.

Supero'tkazuvchanlikning zamonaviy kvant nazariyasi bu ta'sir kuzatiladigan haroratni tubdan cheklamaydi. Shunday qilib, siz yaqin kelajakda kashf qilishingiz mumkin bo'lgan yangi materiallar va birikmalarni yaratish masalasi.

1911 yilda golland fizigi X. Kamerling-Onnes o'ta o'tkazuvchanlik hodisasini kashf etdi. U past haroratlarda simobning elektr qarshiligini o'lchadi. Onnes, agar modda imkon qadar iflosliklardan tozalansa va "termal shovqin" imkon qadar kamaytirilsa, moddaning elektr tokiga qarshiligi qanchalik past bo'lishi mumkinligini aniqlamoqchi edi, ya'ni. haroratni pasaytirish.

Ushbu tadqiqot natijasi kutilmagan edi: 4,15 K dan past haroratlarda qarshilik deyarli bir zumda yo'qoldi. Ushbu qarshilik harakatining haroratga bog'liq bo'lgan grafigi rasmda ko'rsatilgan. 1.

Elektr toki - bu zaryadlangan zarralarning harakati. O'sha paytda qattiq jismlardagi elektr toki elektronlar oqimi ekanligi ma'lum edi. Ular manfiy zaryadlangan va har qanday moddani tashkil etuvchi atomlarga qaraganda ancha engilroqdir.

Har bir atom, o'z navbatida, Kulon qonuniga ko'ra, u bilan va bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi musbat zaryadlangan yadro va elektronlardan iborat. Har bir atom elektroni ma'lum bir "orbita" ni egallaydi. "Orbita" yadroga qanchalik yaqin bo'lsa, elektron unga qanchalik kuchli tortiladi, bunday elektronni yadrodan yirtib tashlash uchun ko'proq energiya talab qilinadi. Aksincha, yadrodan eng tashqarida joylashgan elektronlar undan osonlik bilan ajralib chiqadi, garchi bu ham energiya talab qiladi.

Tashqi elektronlar valent elektronlar deb ataladi. Metall deb ataladigan moddalarda ular birlashganda qattiq va deyarli erkin elektronlar gazini hosil qilganda atomlardan ajralib chiqadi. Bu oddiy, chiroyli va ko'pincha to'g'ri jismoniy rasm: materiyaning bir qismi elektronlarning "gazi" bo'lgan idishga o'xshaydi (2-rasm).

Agar biz elektr maydon hosil qilsak - o'rganilayotgan moddaning bo'lagiga kuchlanish qo'llasak, elektron gazda xuddi bosim farqi ta'sirida shamol paydo bo'ladi. Bu shamol elektr tokidir.

Metalllar

Hamma moddalar ham elektr tokini yaxshi o'tkaza olmaydi. Dielektriklarda valent elektronlar atomlari bilan "bog'langan" bo'lib qoladi va ularni butun namuna bo'ylab harakatlantirish oson emas.

Nima uchun ba'zi moddalar metall, boshqalari esa dielektrik bo'lib chiqishini tushuntirish juda qiyin. Bu ularning qanday atomlardan tashkil topganiga va bu atomlarning qanday joylashishiga bog'liq. Ba'zida transformatsiyalar atomlarning joylashishi o'zgarganda mumkin, masalan, bosim ta'sirida atomlar bir-biriga yaqinlashadi va dielektrik metallga aylanadi.

Dielektriklar orqali oqim o'tmaydi, lekin elektronlar ham metallarda to'liq erkin harakat qilmaydi. Ular "ajralib ketgan" atom "yadrolariga" duch kelishadi va ularning ustiga tarqalib ketishadi. Bunday holda, ishqalanish paydo bo'ladi yoki ular aytganidek, elektr toki qarshilik ko'rsatadi.

Supero'tkazuvchanlik bilan qarshilik yo'qoladi va nolga teng bo'ladi, ya'ni. elektron harakati ishqalanishsiz sodir bo'ladi. Shu bilan birga, kundalik hayotimiz tajribasi shuni ko'rsatadiki, bunday harakat mumkin emas.

O'nlab yillar davomida fiziklarning faoliyati ushbu qarama-qarshilikni hal qilishga qaratilgan.

Topilgan xususiyat shu qadar g'ayrioddiyki, o'ta o'tkazgichlardan farqli ravishda qarshilikka ega bo'lgan metallar deyiladi. normal.

Qarshilik

Metallning (masalan, sim) elektr qarshiligi ohmlarda o'lchanadi va namunaning o'lchami va materiali bilan belgilanadi. Formulada

R = ρ × l / S

R- qarshilik, l- uzunlik (namuna o'lchami oqim oqadigan yo'nalishda), S— namunaning ko‘ndalang kesimi. Bunday formulani yozganimizdan so'ng, biz elektronlarni gaz bilan solishtirishda davom etamiz: quvur qanchalik keng va qisqa bo'lsa, u orqali gazni puflash osonroq bo'ladi.

Qiymat r — qarshilik, namuna olingan materialning xususiyatlarini tavsiflovchi.

Xona haroratida sof mis uchun r = 1,75·10 -6 Ohm sm.

Mis eng yuqori o'tkazuvchan metallardan biri bo'lib, elektr simlarini ishlab chiqarishda keng qo'llaniladi. Ba'zi boshqa metallar xona haroratida elektr tokini yaxshi o'tkazmaydi:

Taqqoslash uchun biz ba'zi dielektriklarning qarshiliklarini xona haroratida ham keltiramiz:

Harorat tushganda T Misning qarshiligi asta-sekin kamayadi va bir necha kelvin haroratda 10 -9 Ohm sm ni tashkil qiladi, ammo mis o'ta o'tkazgichga aylanmaydi. Va alyuminiy, qo'rg'oshin, simob supero'tkazuvchi holatga o'tadi va ular bilan olib borilgan tajribalar shuni ko'rsatadiki, supero'tkazgichning qarshiligi har qanday holatda ham 10 -23 Ohm sm dan oshmaydi - misdan yuz trillion baravar kam!

Qoldiq qarshilik

Metallning qarshiligi haroratga bog'liq. Shartli grafik r( T), aytaylik, mis uchun, siz shaklda ko'rasiz. 3. Harorat qanchalik yuqori bo'lsa, qarshilik qanchalik katta bo'lsa, metallni tashkil etuvchi atom "yadrolari" qanchalik ko'p tebranadi va ular elektr tokiga katta shovqin keltiradi. Aksincha, haroratni mutlaq nolga yaqinlashtiradigan bo'lsak, namunaning qarshiligi r 0 ga - qoldiq qarshilikka "moyillashadi". Qoldiq qarshilik namunaning mukammalligi va tarkibiga bog'liq. Har qanday moddada begona aralashmalar atomlari, shuningdek, boshqa har qanday nuqsonlar mavjud. Namunadagi nuqsonlar qanchalik kam bo'lsa, qoldiq qarshilik shunchalik past bo'ladi. 1911 yilda Onnesni aynan shu qaramlik qiziqtirdi. U umuman "o'ta o'tkazuvchanlik" ni qidirmadi, lekin namunani tozalash orqali qoldiq qarshilik qanchalik kichik bo'lishi mumkinligini aniqlashga harakat qildi. U simob bilan tajribalar o'tkazdi, chunki o'sha paytda simobni platina, oltin yoki misga qaraganda yuqoriroq tozalik darajasiga keltirish mumkin edi (bu metallar simobdan yaxshiroq o'tkazgichdir va Onnes ularni o'ta o'tkazuvchanlik kashf etilishidan oldin o'rgangan. Na oltin, na platina, na mis "o'ta o'tkazuvchan").

Kritik harorat

Supero'tkazuvchanlik haroratning pasayishi bilan birdan paydo bo'ladi. Harorat T c, sakrash sodir bo'lgan joyga kritik deyiladi. Ehtiyotkorlik bilan o'rganish shuni ko'rsatadiki, bunday o'tish ma'lum bir harorat oralig'ida kuzatiladi (4-rasm). Harakatlanuvchi elektronlarning ishqalanishi namunaning "tozaligi" dan qat'iy nazar yo'qoladi, ammo namuna qanchalik "toza" bo'lsa, qarshilikning sakrashi shunchalik keskin bo'ladi; "eng toza" namunalardagi uning kengligi darajaning yuzdan biridan kam. Bunday holda, kimdir "yaxshi" namunalar yoki supero'tkazgichlar haqida gapiradi; "yomon" namunalarda o'tish kengligi o'nlab darajaga yetishi mumkin. (Bu, albatta, yuqori haroratli supero'tkazgichlar deb ataladigan narsalarga tegishli T c yuzlab kelvinga etadi.)

Kritik harorat har bir modda uchun har xil. Ushbu harorat va o'ta o'tkazuvchanlikning kashf etilgan yili (aniqrog'i, bu haqda maqola chop etilgan yil) rasmda ko'rsatilgan. Bir nechta sof elementlar uchun 5. Niobiy D.I.Mendeleyev davriy sistemasidagi barcha elementlarning eng yuqori (atmosfera bosimida) kritik haroratiga ega, garchi u 10 K dan oshmasa ham.

Onnes nafaqat simob, qalay va qo'rg'oshinning o'ta o'tkazuvchanligini kashf etdi, balki birinchi o'ta o'tkazuvchan qotishmalarni - simobning oltin va qalay bilan qotishmalarini ham topdi. O'shandan beri bu ish davom etdi, tobora ko'proq yangi birikmalar o'ta o'tkazuvchanlik uchun sinovdan o'tkazildi va o'ta o'tkazgichlar sinfi asta-sekin kengayib bordi.

Past haroratlar

Supero'tkazuvchanlik bo'yicha tadqiqotlar juda sekin rivojlandi. Hodisani kuzatish uchun metallarni past haroratgacha sovutish kerak edi va bu unchalik oson emas. Namuna doimo sovutilishi kerak, buning uchun u sovutgichga joylashtiriladi. Kundalik tajribadan bizga ma'lum bo'lgan barcha suyuqliklar past haroratlarda muzlaydi va qattiqlashadi. Shuning uchun xona sharoitida gaz bo'lgan moddalarni suyultirish kerak. Shaklda. 6 ta qaynash harorati ko'rsatilgan T b va erish T m beshta modda (atmosfera bosimida).

Agar siz past haroratni pasaytirsangiz T b , moddani suyultiradi va quyida T m qattiqlashadi. (Atmosfera bosimidagi geliy mutlaq nol haroratgacha suyuq bo'lib qoladi.) Shunday qilib, bizning maqsadlarimiz uchun ushbu moddalarning har qandayidan foydalanish mumkin. T b va T m. 1986 yilgacha o'ta o'tkazuvchanlikning ma'lum bo'lgan maksimal kritik harorati 20 K dan zo'rg'a oshdi, shuning uchun super o'tkazuvchanlikni o'rganishda suyuq geliysiz qilish mumkin emas edi. Azot sovutish suvi sifatida ham keng qo'llaniladi. Azot va geliy ketma-ket sovutish bosqichlarida ishlatiladi. Ushbu moddalarning ikkalasi ham neytral va xavfsizdir.

Geliyni suyultirish o'z-o'zidan juda qiziqarli va hayratlanarli muammo bo'lib, uni hal qilish bilan 19-20-asrlar oxirida ko'plab fiziklar shug'ullangan. Onnes 1908 yilda o'z maqsadiga erishdi. Ayniqsa, buning uchun u Leydenda (Niderlandiya) laboratoriya yaratdi. 15 yil davomida laboratoriya yangi harorat oralig'ida noyob tadqiqotlar bo'yicha monopoliyaga ega edi. 1923-1925 yillarda. Ular suyuq geliy ishlab chiqarishni dunyodagi yana ikkita laboratoriyada - Toronto va Berlinda o'rganishdi. Sovet Ittifoqida bunday uskunalar 1930-yillarning boshlarida paydo bo'lgan. Xarkov fizika-texnika institutida.

Ikkinchi jahon urushidan keyin ko'plab mamlakatlarda laboratoriyalarni suyuq geliy bilan ta'minlash uchun butun sanoat asta-sekin rivojlandi. Bundan oldin hamma narsa "o'z-o'ziga xizmat qilish" edi. Texnik qiyinchiliklar va hodisaning jismoniy murakkabligi o'ta o'tkazuvchanlik haqidagi bilimlarning juda sekin to'planishini anglatardi. Birinchi kashfiyotdan atigi 22 yil o'tgach, o'ta o'tkazgichlarning ikkinchi asosiy xususiyati kashf qilindi.

Meissner effekti

Uning kuzatuvi haqida 1933 yilda nemis fiziklari V. Meysner va R. Oxsenfeldlar xabar berishgan.

Hozirgacha biz elektr qarshiligining yo'qolishini o'ta o'tkazuvchanlik deb atadik. Biroq, supero'tkazuvchanlik qarshilikning yo'qligidan ko'ra murakkabroqdir. Bu, shuningdek, tashqi magnit maydonga ma'lum bir reaktsiya. Meysner effekti - bu o'ta kuchli bo'lmagan doimiy magnit maydon o'ta o'tkazuvchi namunadan tashqariga chiqarilishi. Supero'tkazgichning qalinligida magnit maydon nolga zaiflashadi, super o'tkazuvchanlik va magnitlanishni qarama-qarshi xususiyatlar deb atash mumkin.

Yangi o'ta o'tkazgichlarni qidirishda o'ta o'tkazuvchanlikning ikkala asosiy xususiyati sinovdan o'tkaziladi:

supero'tkazgichda elektr qarshiligi yo'qoladi;
Supero'tkazgichdan magnit maydon tashqariga chiqariladi.

Ba'zi hollarda, "iflos" supero'tkazgichlarda, harorat bilan qarshilikning pasayishi rasmda ko'rsatilgandan ko'ra ancha kengayishi mumkin. 1 simob uchun. Tadqiqotlar tarixida fiziklar boshqa sabablarga ko'ra, masalan, oddiy qisqa tutashuv tufayli qarshilikning pasayishini o'ta o'tkazuvchanlik deb hisoblashgan.

Supero'tkazuvchanlikning mavjudligini isbotlash uchun uning hech bo'lmaganda ikkala asosiy xususiyatining namoyon bo'lishini kuzatish kerak. Meissner effektining mavjudligini ko'rsatadigan juda ta'sirli tajriba rasmda keltirilgan. 7: Doimiy magnit o'ta o'tkazuvchan chashka ustida harakatlanadi. Birinchi marta bunday tajriba 1945 yilda sovet fizigi V.K. Arkadiev tomonidan amalga oshirilgan.

Supero'tkazgichda magnit maydonni itaruvchi oqimlar paydo bo'ladi, ularning magnit maydoni doimiy magnitni qaytaradi va uning og'irligini qoplaydi. Magnitni markazga suradigan chashka devorlari ham muhimdir. Yassi tubdan yuqorida magnitning holati beqaror, tasodifiy zarbalar uning yon tomonga siljishiga olib keladi. Bu suzuvchi magnit levitatsiya afsonalarini eslatadi. Eng mashhur afsona diniy payg'ambarning qabri haqida. G'orga qo'yilgan tobut hech qanday ko'rinmas tayanchsiz havoda suzib yurdi. Endi bu kabi hikoyalar biron bir real hodisaga asoslanganmi yoki yo'qligini aniq aytish mumkin emas. Endi Meissner effekti yordamida "afsonani haqiqatga aylantirish" texnik jihatdan mumkin.

Magnit maydon

Zamonaviy fizika to'g'ridan-to'g'ri aloqa qilmasdan, masofadagi boshqa jismga ta'sirini tasvirlash uchun maydon tushunchasidan foydalanadi. Shunday qilib, zaryadlar va oqimlar elektromagnit maydon orqali o'zaro ta'sir qiladi. Elektromagnit maydon qonunlarini o'rgangan har bir kishi maydonning vizual tasvirini - uning kuch chiziqlarining rasmini biladi. Bu tasvirni birinchi marta ingliz fizigi M. Faraday ishlatgan. Aniqlik uchun boshqa ingliz fizigi - J. C. Maksvell tomonidan qo'llanilgan maydonning yana bir tasvirini eslash foydali bo'ladi.

Tasavvur qiling-a, maydon harakatlanuvchi suyuqlik, masalan, suv, maydon chiziqlari yo'nalishlari bo'ylab oqadi. Keling, uning yordami bilan zaryadlarning o'zaro ta'sirini Kulon qonuniga muvofiq tasvirlashga harakat qilaylik. Hovuz bo'lsin, soddaligi uchun tekis va sayoz, uning yuqori ko'rinishi rasmda ko'rsatilgan. 8. Pastki qismida ikkita teshik bor: biri orqali suv hovuzga kiradi (bu musbat zaryadga o'xshaydi), ikkinchisi orqali u oqib chiqadi (bu drenaj yoki manfiy zaryad). Bunday hovuzda oqayotgan suv ikkita statsionar zaryadning elektr maydonini ifodalaydi. Suv shaffof va uning oqimi biz uchun sezilmaydi. Ammo keling, samolyotlarga "sinov musbat zaryadini" kiritaylik - ipdagi to'p. Biz darhol kuchni his qilamiz - suyuqlik o'zi bilan birga to'pni olib yuradi.

Suv to'pni manbadan uzoqlashtiradi - xuddi zaryadlar qaytaradi. To'p drenajga yoki boshqa belgining zaryadiga tortiladi va zaryadlar orasidagi kuch Coulomb qonuni talab qilganidek, ular orasidagi masofaga bog'liq.

Supero'tkazuvchilardagi toklar va maydonlar

Supero'tkazuvchilardagi oqim va maydonlarning harakatini tushunish uchun siz magnit induksiya qonunini eslab qolishingiz kerak. Endi bizning maqsadlarimiz uchun maktab fizikasi kursidan ko'ra umumiyroq formulani berish foydaliroqdir. Magnit induksiya qonuni aslida elektr va magnit maydonlar o'rtasidagi munosabatlar haqida gapiradi. Agar elektromagnit maydonni suyuqlik sifatida tasavvur qilsak, u holda maydonning elektr va magnit komponentlari o'rtasidagi munosabat tinch (laminar) va vorteksli suyuqlik oqimi o'rtasidagi munosabat sifatida ifodalanishi mumkin. Ularning har biri o'z-o'zidan mavjud bo'lishi mumkin. Keling, masalan, oldimizda tinch keng oqim - bir xil elektr maydoni bo'lsin. Agar siz ushbu maydonni o'zgartirishga harakat qilsangiz, ya'ni. Suyuqlikni sekinlashtirish yoki tezlashtirish uchun, albatta, vortekslar paydo bo'ladi - magnit maydon. Magnit maydonning o'zgarishi har doim elektr maydonining paydo bo'lishiga olib keladi va elektr maydoni o'tkazuvchi zanjirda oqimni keltirib chiqaradi, bu magnit induksiyaning odatiy hodisasi: magnit maydonning o'zgarishi oqimni keltirib chiqaradi. Aynan shu jismoniy qonun dunyodagi barcha elektr stantsiyalarida ishlaydi, u yoki bu tarzda o'tkazgichdagi magnit maydonning o'zgarishiga olib keladi. Olingan elektr maydoni bizning uylarimiz va sanoat korxonalariga oqib tushadigan oqim hosil qiladi.

Ammo keling, supero'tkazgichlarga qaytaylik. Supero'tkazgichdagi to'g'ridan-to'g'ri oqim elektr maydonining mavjudligini talab qilmaydi va muvozanat holatida o'ta o'tkazgichdagi elektr maydoni nolga teng. Bunday maydon elektronlarni tezlashtiradi, lekin o'ta o'tkazgichlarda tezlanishni muvozanatlashtiradigan qarshilik yoki ishqalanish yo'q. O'zboshimchalik bilan kichik doimiy elektr maydoni oqimning cheksiz o'sishiga olib keladi, bu mumkin emas. Elektr maydoni faqat kontaktlarning zanglashiga olib keladigan o'ta o'tkazmaydigan qismlarida paydo bo'ladi. Supero'tkazgichlarda oqim kuchlanish pasayishisiz oqadi.

Aqliy mulohazalar o'ta o'tkazgichda magnit maydon mavjudligiga to'sqinlik qiladigan hech narsani aniqlamaydi. Biroq, supero'tkazgich magnit maydonning o'zgarishiga to'sqinlik qilishi aniq. Haqiqatan ham, magnit maydonning o'zgarishi oqim hosil qiladi, bu esa dastlabki o'zgarishni qoplaydigan magnit maydonni yaratadi.

Shunday qilib, har qanday supero'tkazgich zanjiri u orqali o'tadigan magnit maydonni ushlab turishi kerak. (Ko'chadan o'tadigan magnit oqim shunchaki magnit maydon kuchi va halqa maydonining mahsulotidir.)

Xuddi shu narsa supero'tkazgichning qalinligida sodir bo'lishi kerak. Misol uchun, agar biz magnitni o'ta o'tkazuvchi namunaga yaqinlashtirsak, uning magnit maydoni o'ta o'tkazgichga kira olmaydi. Har qanday bunday "urinish" supero'tkazgichda oqim paydo bo'lishiga olib keladi, uning magnit maydoni tashqi maydonni qoplaydi. Natijada, supero'tkazgichning qalinligida magnit maydon yo'q va buning uchun zarur bo'lgan oqim sirt bo'ylab to'liq oqadi. Magnit maydonga kiritilgan oddiy o'tkazgichning qalinligida hamma narsa xuddi shunday sodir bo'ladi, lekin u erda qarshilik mavjud va induksiyalangan oqim juda tez parchalanadi va uning energiyasi ishqalanish tufayli issiqlikka aylanadi. (Bu issiqlikni eksperimental tarzda aniqlash juda oson: qo‘lingizni ishlaydigan transformatorga yaqinlashtiring, shunda siz undan chiqadigan issiqlikni his qilasiz.) Supero‘tkazgichda qarshilik yo‘q, oqim o‘chmaydi va “yo‘l qo‘ymaydi”. magnit maydon istalgan vaqt davomida. Ta'riflangan rasm aniq va tajriba bilan bir necha bor tasdiqlangan.

Endi yana bir aqliy tajriba o'tkazamiz. Keling, bir xil o'ta o'tkazuvchan moddani "olaylik", lekin u hali ham normal holatda bo'lganida, etarlicha yuqori haroratda. Keling, uni magnit maydonga keltiramiz va hamma narsa tinchlanmaguncha kutamiz, oqimlar o'ladi - moddaga magnit oqim kiradi. Biz moddaning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishini kutib, haroratni pasaytiramiz. Haroratni pasaytirish magnit maydon naqshiga ta'sir qilmasligi kerak. Supero'tkazgichdagi magnit oqim o'zgarmasligi kerak. Agar siz magnitni - tashqi magnit maydonning manbaini olib tashlasangiz, u holda supero'tkazgich bunga qarshilik ko'rsatishi kerak va moddaning ichidagi magnit maydonni saqlab, sirtda supero'tkazuvchi oqimlar paydo bo'lishi kerak.

Biroq, bu xatti-harakat eksperimental ravishda kuzatilgan narsalarga mutlaqo mos kelmaydi: Meissner effekti bu holatda ham sodir bo'ladi. Agar siz oddiy metallni magnit maydonda sovutsangiz, u supero'tkazuvchi holatga o'tganda, magnit maydon o'ta o'tkazgichdan tashqariga suriladi. Shu bilan birga, uning yuzasida doimiy oqim paydo bo'ladi, bu supero'tkazgichning qalinligida nol magnit maydonni ta'minlaydi. Supero'tkazuvchi holatning tasvirlangan surati, bu holatga o'tish qanday amalga oshirilganidan qat'i nazar, har doim kuzatiladi.

Albatta, bu tavsif juda ideallashtirilgan va biz taqdimot davom etar ekan, uni murakkablashtiramiz. Ammo hozir shuni ta'kidlash kerakki, magnit maydonga turlicha munosabatda bo'lgan ikki turdagi o'ta o'tkazgichlar mavjud. Biz supero'tkazuvchanlikning ochilishi bilan I turdagi supero'tkazgichlarning xususiyatlari haqida gapira boshladik. Keyinchalik xossalari biroz boshqacha boʻlgan II turdagi oʻta oʻtkazgichlar kashf qilindi. Ular asosan supero'tkazuvchanlikning amaliy qo'llanilishi bilan bog'liq.

Ideal diamagnetizm

Magnit maydonning tashqariga surilishi fizik uchun qarshilikning yo'qligi kabi hayratlanarli. Gap shundaki, doimiy magnit maydon odatda hamma joyga kirib boradi. Elektr maydonini himoya qiluvchi tuproqli metall bunga xalaqit bermaydi. Ko'pgina hollarda, magnit maydon uchun tananing chegarasi uning "oqimi" ni to'xtatuvchi devor emas, balki chuqurlikni o'zgartiradigan va bu "oqim" ga ozgina ta'sir ko'rsatadigan hovuz tubidagi kichik qadamdir. Moddadagi magnit maydon kuchi uning tashqi kuchiga nisbatan yuzdan yoki mingdan bir foizga o'zgaradi (tashqisiga katta ichki magnit maydon qo'shiladigan temir va boshqa ferromagnitlar kabi magnit moddalar bundan mustasno). Boshqa barcha moddalarda magnit maydon yoki biroz kuchayadi - va bunday moddalar paramagnit deb ataladi yoki biroz zaiflashadi - bunday moddalar diamagnit deb ataladi.

Supero'tkazuvchilarda magnit maydon nolga zaiflashadi, ular ideal diamagnetik materiallar.

Faqat doimiy ravishda saqlanadigan oqimlar ekrani magnit maydonni "o'tkazib yuborolmaydi". Supero'tkazgichning o'zi o'z yuzasida bunday ekranni yaratadi va uni xohlagancha ushlab turadi. Shuning uchun Meissner effekti yoki supero'tkazgichning ideal diamagnetizmi uning ideal o'tkazuvchanligidan kam emas.

Shaklda. 9-rasmda harorat o'zgarganda metall to'p bilan nima sodir bo'lishi taxminan ko'rsatilgan T va magnit maydonni qo'llash H(magnit maydon chiziqlari namunani teshib o'tadigan yoki oqadigan o'qlar bilan ko'rsatilgan). Oddiy holatda bo'lgan metall ko'k rang bilan belgilanadi; agar metall o'ta o'tkazuvchan holatga kirsa, rang yashil rangga o'zgaradi. Taqqoslash uchun, rasmda. 9, V ideal o'tkazgich (IC harflari bilan belgilanadi) qanday harakat qilishini ko'rsatadi - nol qarshilik bilan Meissner effekti bo'lmagan metall (agar mavjud bo'lsa). Bu holat qizil rangda ko'rsatilgan.

Guruch. 9. Meysner effekti:

A- har qanday haroratda (1) nolga teng bo'lmagan qarshilikka ega oddiy o'tkazgich magnit maydonga kiritiladi. Elektromagnit induktsiya qonuniga muvofiq, magnit maydonning metallga kirishiga qarshilik ko'rsatadigan oqimlar paydo bo'ladi (2). Biroq, qarshilik nolga teng bo'lmasa, ular tezda parchalanadi. Magnit maydon oddiy metall namunasiga kiradi va deyarli bir xil (3);

b- yuqori haroratda normal holatdan T c ikkita yo'l bor: Birinchidan: harorat pasayganda, namuna supero'tkazuvchi holatga o'tadi, keyin magnit maydon qo'llanilishi mumkin, bu namunadan tashqariga suriladi. Ikkinchidan: birinchi navbatda namunaga kiradigan magnit maydonni qo'llang va keyin haroratni pasaytiring, keyin o'tish paytida maydon tashqariga suriladi. Magnit maydonni o'chirish xuddi shu rasmni beradi;

V- agar Meissner effekti bo'lmasa, qarshiliksiz o'tkazgich o'zini boshqacha tutadi. Magnit maydonda qarshiliksiz holatga o'tishda u magnit maydonni saqlab qoladi va hatto tashqi magnit maydon olib tashlanganida ham uni saqlab qoladi. Bunday magnitni faqat haroratni oshirish orqali demagnetizatsiya qilish mumkin edi. Biroq, bu xatti-harakatlar eksperimental ravishda kuzatilmagan.

Bir oz tarix

Keyingi bobda biz o‘ta o‘tkazgichlarning hayratlanarli xossalari haqida batafsil to‘xtalib o‘tamiz va bu bobni o‘ta o‘tkazuvchanlikni o‘rganish jarayonida fiziklar tomonidan bajarilgan eng muhim ishlarni sanab o‘tish bilan yakunlamoqchimiz.

Avvalo, bular X.Kamerlingh Onnes (1911) va V.Meysner va R.Oxsenfeldlarning (1933) yuqorida tilga olingan kashfiyotlaridir. Oʻta oʻtkazgichning magnit maydondagi harakatini birinchi nazariy tushuntirish Angliyada (1935) Germaniyadan hijrat qilgan nemis fiziklari F.London va G.London tomonidan taklif qilingan. 1950 yilda L. D. Landau va ushbu kitob mualliflaridan biri o'ta o'tkazuvchanlikning umumiy nazariyasini yaratgan maqola yozdilar. Ushbu tavsif qulay bo'lib chiqdi va bugungi kunda ham qo'llaniladi; u Ginzburg-Landau nazariyasi yoki o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasi deb ataladi.

Hodisaning mexanizmini 1957 yilda amerikalik fiziklar J. Bardin, L. Kuper va J. Shrifferlar kashf etgan. Nomlarining bosh harflariga asoslanib, bu nazariya BCS nazariyasi deb ataladi va mexanizmning o'zi (elektronlarning juft harakati buning uchun muhim) ko'pincha "Kuper juftligi" deb ataladi, chunki uning g'oyasini L. Kuper ixtiro qilgan. O'ta o'tkazuvchanlik fizikasining rivojlanishi uchun ikki turdagi o'ta o'tkazgichlar - I va II tiplarning mavjudligini aniqlash katta rol o'ynadi. Simob va boshqa bir qator o'ta o'tkazgichlar I turdagi o'ta o'tkazgichlardir. II turdagi supero'tkazgichlar asosan ikki yoki undan ortiq elementlarning qotishmalari. 30-yillarda L.V.Shubnikov va uning hamkasblarining Xarkovdagi ishlari II turdagi oʻta oʻtkazuvchanlikni ochishda katta rol oʻynadi. va A.A.Abrikosov 1950-yillarda.

Bundan tashqari, 1950-yillardagi kashfiyotlar va tadqiqotlar katta ta'sir ko'rsatdi. nisbatan yuqori kritik haroratga ega bo'lgan, juda yuqori magnit maydonlarga bardosh bera oladigan va o'ta o'tkazuvchanlik holatida yuqori zichlikdagi oqimlarni o'tkazadigan birikmalar. Ehtimol, bu tadqiqotlarning cho'qqisi J. Künzler va uning hamkasblarining tajribalari bo'lgan (1960). Ular Nb 3 Sn simini ko'rsatishdi T= 88 000 Oe maydonda 4,2 K (ular shunchaki ularning ixtiyorida kuchliroq maydon yo'q edi) 100 ming A/sm 2 zichlikdagi oqimdan o'tadi. O'sha paytda kashf etilgan supero'tkazgichlar hali ham texnik qurilmalarda ishlaydi. Bunday materiallar hozirda "qattiq o'tkazgichlar" deb ataladigan o'ta o'tkazgichlarning maxsus klassi sifatida tasniflanadi.

1962 yilda ingliz fizigi B. Jozefson o'ta o'tkazgichlarning kontaktlarida sodir bo'lishi kerak bo'lgan mutlaqo noodatiy hodisalarni nazariy jihatdan bashorat qildi. Keyin bu bashoratlar to'liq tasdiqlandi va hodisalarning o'zi zaif supero'tkazuvchanlik yoki Jozefson effektlari deb nomlandi va tezda amaliy qo'llanilishini topdi.

Nihoyat, Tsyurixda ishlagan fiziklar, shveytsariyalik A. Myuller va nemis G. Bednorzning maqolasi (1986) o'ta o'tkazuvchan moddalarning yangi sinfi - yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlarning kashf etilishini belgilab berdi va yangi tadqiqotlarning ko'chkisiga sabab bo'ldi. bu sohada.

Kelvin shkalasining darajalari odatda K harfi bilan belgilanadi, ular odatdagi Selsiy darajalariga teng, ammo mutlaq nol haroratdan hisoblanadi. Selsiy shkalasi bo'yicha mutlaq nol harorat -273,16 ° S ni tashkil qiladi, shuning uchun eslatib o'tilgan 4,15 K harorat -269,01 ° S ga teng. Quyida biz yaxlit qiymatlarni berishga harakat qilamiz.

Elektr qarshiligining paydo bo'lishining rasmi, albatta, murakkabroq va biz uni keyinroq batafsil ko'rib chiqamiz.

Suvni distillash jarayoniga o'xshash "distillash" usuli.

1911 yilda golland olimi Kamerlingh Onnes simobning juda past haroratlarda elektr o'tkazuvchanligini o'rganar ekan, qiziqarli hodisa - o'ta o'tkazuvchanlikni kashf etdi. O'ta o'tkazuvchanlik hodisasi shundaki, simob, qo'rg'oshin, rux, alyuminiy va boshqa ba'zi metallar juda past haroratgacha chuqur sovutilganda, to'satdan 2-8 ° K da elektr tokiga chidamliligini butunlay yo'qotadi.

Elektr qarshiligi haroratning pasayishi bilan va odatda juda past haroratlarda muammosiz pasayadi

ma'lum bir sekinlashuv bilan (97-rasm). Ammo ba'zi metallar uchun, ularning har biriga xos bo'lgan haroratda - "o'ta o'tkazgichga aylanish nuqtasida" - qarshilik to'satdan kamida o'nlab milliard marta, ehtimol u butunlay yo'qolguncha kamayadi (98-rasm). Qanday bo'lmasin, qo'llaniladigan o'lchov usullarining favqulodda sezgirligiga qaramasdan, o'ta o'tkazuvchanlik holatidagi elektr qarshiligi aniqlanmaydigan darajada kichik va ehtimol nolga teng bo'lib chiqadi.

Guruch. 97. Past haroratli mintaqada qarshilikning haroratga bog'liqligining odatiy tabiati.

Guruch. 98. Supero'tkazgich uchun qarshilikning yo'qolishiga sakrab o'ting.

Supero'tkazuvchanlik holatida yupqa qo'rg'oshin simidan kvadrat santimetr uchun minglab amper tok o'tkazilsa, simning uchlari orasida potentsialning pasayishi sezilmaydi. Bundan tashqari, oqimdan sezilarli issiqlik hosil bo'lmaydi.

Yopiq o'ta o'tkazuvchan halqada bir marta qo'zg'atilgan oqim o'nlab soatlar davomida qiymatini kamaytirmaydi - agar o'ta o'tkazuvchanlikni ta'minlaydigan chuqur sovutish holati saqlanib qolsa.

Supero'tkazuvchanlik holatiga o'tish metallning boshqa xususiyatlarida (magnitlarni hisobga olmaganda) keskin o'zgarishlar bilan birga kelmaydi. Keesom va de Xaas tomonidan olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tish kristall panjara tuzilishidagi hech qanday o'zgarishlar bilan bog'liq emas. O'ta o'tkazuvchanlik momentida (magnitlanmagan metallda) issiqlikning chiqishi yoki yutilishi yo'qligi aniqlandi; termal kengayish koeffitsienti o'zgarmaydi; faqat issiqlik quvvati (past haroratlarda juda kichik) o'sish yo'nalishi bo'yicha kichik sakrashni boshdan kechiradi.

Schoenberg (1937) tomonidan o'tkazilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, o'ta o'tkazgichning kuchli magnitlanishi uning o'ta o'tkazuvchanligini yo'q qilishi mumkin. Bu holat supero'tkazgichdagi ruxsat etilgan oqim zichligiga cheklov qo'yadi: haddan tashqari yuqori oqimning magnit maydoni o'ta o'tkazuvchanlikning yo'qolishiga olib keladi. Biroq, oqim kamayganda yoki ko'proq bo'lganda

Chuqur sovutilgandan so'ng, supero'tkazuvchanlik holati yana tiklanadi.

Bir qator tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, o'ta o'tkazuvchanlik holatida to'liq sof metallda barcha oqim metall sirtidan o'tadi, metallning o'zi esa magnit va elektr maydonlariga o'tib bo'lmaydigan holga keladi. Shunday qilib, "o'ta o'tkazuvchanlik" atamasini hatto geometrik ma'noga ega deb hisoblash mumkin bo'ldi, ya'ni oqim metallning "yuqorida" (yoki "tepasida") o'tib ketganda metallning bunday holatining ma'nosi. ichida. Tabiiyki, metallning fizik va kimyoviy xususiyatlari metallning "tepasida" oqadigan oqimga qarshilik ko'rinishida o'zini namoyon qilmaydi. Ammo bu, albatta, hali ham hodisaning mohiyatini tushuntirmaydi.

Nozik tajribalar tegishli a'zo tomonidan amalga oshiriladi. SSSR Fanlar akademiyasi A.I.Shalnikov, magnit maydonning supero'tkazgichga kirish chuqurligi millimetrning o'n mingdan bir qismi ekanligini isbotladi. A.I.Shalnikovning keyingi tajribalari (1947) chuqur sovutish paytida metall parchasining o'ta o'tkazuvchanlikka o'tishi oraliq holat orqali sodir bo'lishini aniqladi, bunda (akademik L.D.Landau tomonidan ishlab chiqilgan nazariyaga muvofiq) metall yupqa qatlamlarga ajratilganda o'ta o'tkazuvchanlik, normal o'tkazuvchanlik qatlamlari bilan almashinadi.

O'ta o'tkazuvchanlik hodisasi 23 ta metal va ko'plab qotishmalarda topilgan. Metall sovutilganda to'satdan o'ta o'tkazuvchanlikni namoyon qiladigan haroratlar - o'ta o'tkazgichga aylanish nuqtasi bu erda keltirilgan jadvaldagi ba'zi metallar uchun berilgan.

Mutlaq harorat shkalasi bo'yicha supero'tkazgichga aylanish nuqtalari

(qarang skanerlash)

Guruch. 99 metall supero'tkazgichga aylanish nuqtasiga sovutilganda qarshilikning pasayishi qanday sodir bo'lishini ko'rsatadi.

Chuqur sovutilganda o'ta o'tkazgichga aylanadigan metallar xona haroratida eng yaxshi o'tkazgichlar emas. Aksincha, eng yaxshi o'tkazgichlar mis,

kumush va oltin - mutlaq nolga juda yaqin haroratgacha sovutilganiga qaramay, o'ta o'tkazuvchanlik holati aniqlanmadi,

Chuqur soviganida oʻta oʻtkazgichga aylanadigan barcha metallar D.I.Mendeleyevning elementlar davriy sistemasida ixcham guruh hosil qiladi, 1-rasmda koʻrsatilgan. 100 ramkali.

Guruch. 99. Metalllarning qarshiligining mutlaq nolga yaqin harorat o‘zgarishi (o‘ta o‘tkazuvchanlik).

Guruch. 100. Mendeleyev davriy sistemasidagi o‘ta o‘tkazuvchan elementlarning o‘rni. Elementlarning ramzlari ostidagi raqamlar supero'tkazuvchi holatga o'tish haroratidir.

O'ta o'tkazuvchanlik hodisasi ko'plab qotishmalarda ham kuzatiladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, past haroratlarda o'ta o'tkazuvchan qotishmalar nafaqat o'ta o'tkazuvchan metallarning qotishmalari, balki sof shaklda o'ta o'tkazuvchanlikni ko'rsatmaydigan metall ustun bo'lgan ba'zi qotishmalar hamdir. Hatto o'ta Supero'tkazuvchilarga tegishli bo'lmagan elementlardan tashkil topgan supero'tkazuvchi qotishmalar va birikmalar ham mavjud. Bular vismut va oltin qotishmalari, molibden va volfram karbidlaridir.1,6 K dagi yarimo tkazgich o ta o tkazgichga aylanadi.

Supero'tkazuvchanlik holatiga o'tishning eng yuqori nuqtalari: niobiy niobiy karbid - qalay va niobiy qotishmasi va eng yuqori nuqta - niobiy nitrit.

Deyarli yarim asr davomida o'ta o'tkazuvchanlik fenomeni yaxshi tushunilmagan. Faqat 1957 yilda amerikalik fiziklar Bardin, Kuper, Shrifer va to'liqroq shaklda akademik Nikolay Nikolaevich Bogolyubov nihoyat o'ta o'tkazuvchanlikning qoniqarli nazariyasini yaratishga muvaffaq bo'lishdi.

Ma'lum bo'lishicha, o'ta o'tkazuvchanlik ko'p jihatdan suyuqliklarning ortiqcha suyuqlik fenomeniga o'xshash tarzda tushuntiriladi. 367-betdagi I jildida aytib o'tilganidek, suyuq geliy II da 2,18 ° dan past haroratlarda o'ta suyuqlik kuzatiladi; suyuq geliy, ortiqcha suyuqlik tufayli, anomal darajada yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega (suvdan deyarli bir yarim million marta katta, ikki ming. marta kattaroq, xona haroratida olingan mis).

N. N. Bogolyubov o'zining maqolalaridan birida (1958) yozadi:

«...O‘ta suyuqlik harakatining quyidagi manzarasi paydo bo‘ldi: oddiy suyuqlik yoki gazning alohida zarrachalari tasodifiy harakatlanadigan harakatidan farqli o‘laroq, o‘ta suyuqlik harakati yuqori tartiblilikni namoyon etadi. Buning sababi, o'ta suyuqlik zarralari bir-biri bilan kuchli o'zaro ta'sir qiladi. Bu o'zaro ta'sir, ayniqsa tezliklari qarama-qarshi yo'naltirilgan zarralar uchun kuchli. Bu o'zaro ta'sirni to'g'ri hisobga olish o'ta suyuqlik nazariyasini yaratishda alohida qiyinchilik tug'dirdi.Ushbu qiyinchilik o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasi bilan to'la edi...

Hozirgacha fizikada geliy atomlaridan tashkil topgan tizim va elektronlardan tashkil topgan tizimning xatti-harakatlarida chuqur o'xshashlik deyarli mumkin emas degan umumiy fikr mavjud edi. Gap shundaki, bu zarrachalarning ulardan tashkil topgan tizimlarning harakatini belgilovchi statistik xossalari juda farq qiladi: geliy yadrolari Bose statistikasiga, elektronlar esa Fermi statistikasiga bo‘ysunadi.

Supero'tkazuvchi holatdagi elektronlarning xatti-harakatlarining umumiy rasmini quyidagicha tasavvur qilish mumkin. Metallning erkin elektronlari bu holatda bog'langan "kollektiv" ni hosil qiladi, uning xususiyatlariga ko'ra, o'ta suyuqlik nazariyasida kondensat deb ataladigan narsaga o'xshaydi ... Bunday kollektivning butun harakati barqarordir. Magnit maydon ta'sirida qo'shimcha stabilizatsiya bilan bu harakat (metalldagi elektr toki) qarshilikka duch kelmaydi.

Oʻtgan yillarda suyuqliklarning ortiqcha suyuqlik nazariyasini takomillashtirgan N.N.Bogolyubov oʻzi yaratgan matematik usulni elektronlarning qayd etilgan “kollektiv-kondensat” harakatining paydo boʻlishi va tabiati uchun sharoitlarni tahlil qilishda qoʻllagan. N. N. Bogolyubov shuni ko'rsatdiki, elektronlarning elektr itarishi ularning bog'langan "jamoa" ga qo'shilishiga to'sqinlik qilsa-da, bu Bardin, Kuper va Shrifer ishonganidan kamroq darajada. Amerikalik fiziklar elektronlar juft boʻlib guruhlangan degan farazga amal qilib, oʻta oʻtkazuvchanlik holatini tavsiflovchi miqdorlar uchun bir qancha formulalarni oldilar; bir xil formulalar, ba'zi yangi xulosalar bilan birga, N. N. Bogolyubovning yanada qat'iy nazariyasi tomonidan berilgan.

(77 K), ancha arzon kriogen suyuqlik.

Entsiklopedik YouTube

1 / 5

✪ 296-dars. Metallar qarshiligining haroratga bog'liqligi. Supero'tkazuvchanlik

✪ Supero'tkazuvchanlik. Turli muhitlarda elektr toki. O'quv filmi

✪ Supero'tkazgich va kvant levitatsiyasi!

✪ Supero'tkazuvchanlik (fizik Boris Fain tomonidan hikoya qilingan)

✪ Turli moddalarning elektr o'tkazuvchanligi | Fizika 10-sinf #57 | Ma'lumot darsi

Subtitrlar

Kashfiyot tarixi

O'ta o'tkazuvchanlik hodisasini kashf qilish uchun materiallarni o'ta past haroratgacha sovutish texnologiyalarini ishlab chiqish asos bo'ldi. 1877 yilda frantsuz muhandisi Lui Kayet va shveytsariyalik fizik Raul Piktet kislorodni mustaqil ravishda suyuq holatga keltirdi. 1883 yilda Zigmunt Vroblevski va Karol Olshewski azotni suyultirishni amalga oshirdilar. 1898 yilda Jeyms Devar suyuq vodorodni olishga muvaffaq bo'ldi.

1893 yilda golland fizigi Heike Kamerlingh Onnes ultra past haroratlar muammosini o'rganishni boshladi. U 1908 yil 10 iyulda suyuq geliyni olgan dunyodagi eng yaxshi kriogen laboratoriyani yaratishga muvaffaq bo'ldi. Keyinchalik u uning haroratini 1 Kelvinga etkazishga muvaffaq bo'ldi. Kamerlingh Onnes suyuq geliydan metallarning xossalarini oʻrganishda, xususan, ularning elektr qarshiligining haroratga bogʻliqligini oʻlchashda foydalangan. O'sha paytda mavjud bo'lgan klassik nazariyalarga ko'ra, qarshilik haroratning pasayishi bilan silliq tushishi kerak, ammo juda past haroratlarda elektronlar amalda to'xtaydi va metall oqim o'tkazishni butunlay to'xtatadi, degan fikr ham mavjud edi. Kamerlingh Onnesning yordamchilari Kornelis Dorsman va Gilles Xolst bilan o'tkazgan tajribalari dastlab qarshilikning silliq pasayishi haqidagi xulosani tasdiqladi. Biroq, 1911 yil 8 aprelda u kutilmaganda 3 Kelvin (taxminan -270 ° C) da elektr qarshiligi deyarli nolga teng ekanligini aniqladi. 11 may kuni o'tkazilgan navbatdagi tajriba shuni ko'rsatdiki, qarshilikning nolga keskin pasayishi taxminan 4,2 K haroratda sodir bo'ladi (keyinchalik aniqroq o'lchovlar bu harorat 4,15 K ekanligini ko'rsatdi). Bu ta'sir mutlaqo kutilmagan edi va o'sha paytdagi nazariyalar bilan izohlab bo'lmasdi.

Nolinchi qarshilik supero'tkazgichlarning yagona farqlovchi xususiyati emas. Supero'tkazuvchilar va ideal o'tkazgichlar o'rtasidagi asosiy farqlardan biri 1933 yilda Valter Meissner va Robert Oksenfeld tomonidan kashf etilgan Meysner effektidir.

Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, o'ta o'tkazgichlar ikkita katta oilaga bo'linadi: I turdagi supero'tkazgichlar (bularga, xususan, simob kiradi) va II turdagi (ular odatda turli metallarning qotishmalari). II turdagi oʻta oʻtkazuvchanlikni ochishda 1930-yillarda L.V.Shubnikov va 1950-yillarda A.A.Abrikosovlarning ishlari katta rol oʻynadi.

1950-yillarda kuchli magnit maydonlarga bardosh bera oladigan va yuqori oqim zichligini o'tkaza oladigan o'ta o'tkazgichlarning kashf etilishi yuqori quvvatli elektromagnitlarni amaliy qo'llash uchun katta ahamiyatga ega edi. Shunday qilib, 1960 yilda J.Künzler boshchiligida Nb 3 Sn materiali topildi, undan 4,2 K haroratda 100 kA/sm² gacha zichlikdagi oqimni o'tkazishga qodir bo'lgan sim. magnit maydoni 8,8 T.

2015 yilda supero'tkazuvchanlikka erishiladigan harorat bo'yicha yangi rekord o'rnatildi. 100 GPa bosimdagi H 2 S (vodorod sulfidi) uchun 203 K (-70 ° C) haroratda supero'tkazuvchi o'tish qayd etilgan.

Tasniflash

Supero'tkazuvchilarni tasniflashning bir necha mezonlari mavjud. Mana asosiylari:

Supero'tkazuvchilarning xossalari

Nolinchi elektr qarshiligi

To'g'ridan-to'g'ri elektr toki uchun supero'tkazgichning elektr qarshiligi nolga teng. Bu yopiq o'ta o'tkazgichda elektr toki paydo bo'lgan tajribada ko'rsatildi, u 2,5 yil davomida zaiflashmasdan oqdi (tajriba kriogen suyuqliklarni etkazib beruvchi ishchilarning ish tashlashi bilan to'xtatildi).

Yuqori chastotali maydondagi o'ta o'tkazgichlar

To'g'ri aytganda, supero'tkazgichlarning qarshiligi nolga teng degan gap faqat to'g'ridan-to'g'ri elektr toki uchun to'g'ri keladi. O'zgaruvchan elektr maydonida o'ta o'tkazgichning qarshiligi nolga teng emas va maydon chastotasining ortishi bilan ortadi. Supero'tkazgichning ikki suyuqlikli modeli tilida bu ta'sir elektronlarning o'ta o'tkazuvchan qismi bilan bir qatorda soni kichik bo'lgan oddiy elektronlarning mavjudligi bilan izohlanadi. Supero'tkazgichni doimiy maydonga joylashtirganda, o'ta o'tkazgich ichidagi bu maydon nolga aylanadi, chunki aks holda o'ta o'tkazgich elektronlar cheksizlikka tezlashadi, bu mumkin emas. Biroq, o'zgaruvchan maydon holatida, o'ta o'tkazgich ichidagi maydon nolga teng emas va shuningdek, oddiy elektronlarni tezlashtiradi, ular bilan ham cheklangan elektr qarshilik, ham Joule issiqlik yo'qotishlari bog'liq. Bu ta'sir, ayniqsa, kvant energiyasi bo'lgan yorug'likning bunday chastotalari uchun yaqqol namoyon bo'ladi h n (\displaystyle h\nu ) Supero'tkazuvchi elektronni oddiy elektronlar guruhiga o'tkazish uchun etarli. Ushbu chastota odatda infraqizil mintaqada (taxminan 10 11 Gts) yotadi, shuning uchun ko'rinadigan diapazonda o'ta o'tkazgichlar oddiy metallardan deyarli farq qilmaydi.

Supero'tkazuvchi holatga fazali o'tish

Hozirgi vaqtda HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fazasi kritik haroratning ma'lum bo'lgan eng yuqori qiymatiga ega - 135 K va 350 ming atmosfera tashqi bosimda o'tish harorati 164 K gacha ko'tariladi. Yer yuzasida tabiiy sharoitda qayd etilgan minimal haroratdan atigi 19 K ga past. Shunday qilib, o'zlarining rivojlanishida o'ta o'tkazgichlar metall simobdan (4,15 K) simob o'z ichiga olgan yuqori haroratli supero'tkazgichlarga (164 K) o'tdi. 2000 yilda yuqorida qayd etilgan simobli keramikaning ozgina ftorlanishi normal bosimdagi kritik haroratni 138 K ga ko'tarish imkonini berishi ko'rsatildi.

Moddaning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi uning issiqlik xususiyatlarining o'zgarishi bilan birga keladi. Biroq, bu o'zgarish ko'rib chiqilayotgan supero'tkazgichlarning turiga bog'liq. Shunday qilib, o'tish haroratida magnit maydon yo'qligida I turdagi supero'tkazgichlar uchun T c o'tish issiqligi (yutilish yoki bo'shatish) nolga tushadi va shuning uchun issiqlik sig'imining sakrashiga duchor bo'ladi, bu I turdagi fazali o'tishga xosdir. Supero'tkazgichning elektron quyi tizimining issiqlik sig'imining haroratga bog'liqligi o'ta Supero'tkazuvchilarning asosiy holati va elementar qo'zg'alishlar darajasi o'rtasida elektronlarni taqsimlashda energiya bo'shlig'i mavjudligini ko'rsatadi. Supero'tkazuvchanlik holatidan normal holatga o'tish qo'llaniladigan magnit maydonni o'zgartirish orqali amalga oshirilganda, u holda issiqlik so'rilishi kerak (masalan, namuna issiqlik izolyatsiya qilingan bo'lsa, u holda uning harorati pasayadi). Va bu 1-tartibning fazali o'tishiga to'g'ri keladi. II turdagi supero'tkazgichlar uchun har qanday sharoitda o'ta o'tkazuvchanlikdan normal holatga o'tish II turdagi fazali o'tish bo'ladi.

Meissner effekti

Supero'tkazgichning nol elektr qarshiligidan ham muhimroq xususiyati bu Meissner effekti deb ataladigan narsa bo'lib, u o'ta o'tkazgichdan doimiy magnit maydonning siljishidan iborat. Ushbu eksperimental kuzatishdan shunday xulosaga kelindiki, o'ta o'tkazgichning ichida doimiy oqimlar mavjud bo'lib, ular tashqi qo'llaniladigan magnit maydonga qarama-qarshi bo'lgan va uni qoplaydigan ichki magnit maydon hosil qiladi.

Izotopik ta'sir

Izotopik ta'sir Supero'tkazuvchilar uchun bu haroratdir T s bir xil supero'tkazuvchi element izotoplarining atom massalarining kvadrat ildizlariga teskari proportsionaldir. Natijada, monoizotop preparatlar kritik haroratlarda tabiiy aralashmadan va bir-biridan biroz farq qiladi.

London lahzasi

Aylanadigan supero'tkazgich aylanish o'qi bilan aniq moslangan magnit maydon hosil qiladi, natijada paydo bo'lgan magnit moment "London momenti" deb ataladi. U, xususan, Gravity Probe B ilmiy sun'iy yo'ldoshida ishlatilgan, bu erda to'rtta supero'tkazuvchi giroskopning magnit maydonlari ularning aylanish o'qlarini aniqlash uchun o'lchangan. Giroskoplarning rotorlari deyarli mukammal silliq sharlar bo'lganligi sababli, London momentidan foydalanish ularning aylanish o'qini aniqlashning bir necha usullaridan biri edi.

Londonning gravitomagnit momenti

Aylanadigan va bir vaqtning o'zida tezlashtiruvchi, ya'ni aylanishlar chastotasini oshiruvchi o'ta o'tkazgichning halqasi tortishish maydonini hosil qiladi. Londonning gravitomagnit momenti bilan bog'liq tajribalar 2006 yilda Avstriyaning ARC Seibersdorf Research kompaniyasidan Martin Tajmar va Evropa kosmik agentligi (ESA) Klovis de Matos tomonidan o'tkazildi. Tajribachilar birinchi marta shu tarzda sun'iy ravishda yaratilgan gravitomagnit maydonni o'lchashdi. Tajmar va de Matosning fikriga ko'ra, bu effekt ilgari yuqori aniqlik bilan o'lchangan Kuper juftlarining massasi (bular o'ta o'tkazgichda o'tkazuvchanlikni ta'minlaydigan elektronlar) va qog'ozda olingan bir xil massa - kvant nazariyasi hisob-kitoblariga ko'ra o'rtasidagi farq sirini tushuntiradi. .

Tadqiqotchilar eksperimental ravishda kashf etilgan tortishish effektini xuddi shunday magnit effektga o'xshatib, "London momenti" deb nomlangan super o'tkazgichning aylanishi paytida magnit maydonning paydo bo'lishi bilan "Gravitomagnit London momenti" deb nomlashdi.

Shu tarzda yuzaga kelgan maydon Yerning tortishish maydonidan 100 million marta zaifroq edi. Va bu ta'sir Umumiy nisbiylik nazariyasi tomonidan bashorat qilingan bo'lsa-da, bu maydon kuchi hisoblangan qiymatdan 20 baravar kuchliroq bo'lib chiqdi.

O'ta o'tkazuvchanlik effektini nazariy tushuntirish

Supero'tkazuvchanlikning to'liq qoniqarli mikroskopik nazariyasi hozircha mavjud emas.

Supero'tkazuvchanlikni o'rganishning nisbatan erta bosqichida, hech bo'lmaganda Ginzburg-Landau nazariyasi yaratilgandan so'ng, o'ta o'tkazuvchanlik makroskopik elektron o'tkazuvchanlik sonining yagona kvant mexanik holatiga birlashishi natijasi ekanligi ayon bo'ldi. Bunday ansamblda bog'langan elektronlarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ular ansambldagi bog'lanish energiyasidan kamroq, kichik qismlarda panjara bilan energiya almashtira olmaydi. Bu shuni anglatadiki, elektronlar kristall panjarada harakat qilganda, elektronlarning energiyasi o'zgarmaydi va modda o'zini nolga teng qarshilikka ega supero'tkazgich kabi tutadi. Kvant mexanik tahlil shuni ko'rsatadiki, bu holda panjara yoki aralashmalarning termal tebranishlari bilan elektron to'lqinlarning tarqalishi yo'q. Va bu elektr qarshiligining yo'qligini anglatadi. Fermionlar ansamblida zarrachalarning bunday birikmasi mumkin emas. Bu bir xil bozonlar ansambliga xosdir. Supero'tkazuvchilardagi elektronlarning bosonik juftlarga birlashtirilganligi ichi bo'sh supero'tkazuvchi silindrlarda "muzlatilgan" magnit oqim kvantining kattaligini o'lchash bo'yicha tajribalardan kelib chiqadi. Shu sababli, 20-asrning o'rtalarida o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasini yaratishning asosiy vazifasi elektron juftlik mexanizmini ishlab chiqish edi. Supero'tkazuvchanlik sabablarini mikroskopik tushuntirishga da'vo qilgan birinchi nazariya 20-asrning 50-yillarida ular tomonidan yaratilgan Bardin - Kuper - Shriffer nazariyasi edi. Ushbu nazariya BCS nomi bilan umume'tirof etilgan va 1972 yilda Nobel mukofoti bilan taqdirlangan. O'z nazariyasini yaratishda mualliflar izotopik effektga, ya'ni izotop massasining o'ta o'tkazgichning kritik haroratiga ta'siriga tayangan. Uning mavjudligi fonon mexanizmining ishlashi tufayli o'ta o'tkazuvchan holatning shakllanishini bevosita ko'rsatadi, deb ishonilgan.

BCS nazariyasi ba'zi savollarni javobsiz qoldirdi. Unga asoslanib, asosiy muammoni hal qilish - o'ziga xos supero'tkazuvchilar nima uchun u yoki bu kritik haroratga ega ekanligini tushuntirish imkonsiz bo'lib chiqdi. Bundan tashqari, izotopik almashtirishlar bilan o'tkazilgan keyingi tajribalar shuni ko'rsatdiki, metallardagi ionlarning nol nuqtali tebranishlarining garmonikligi tufayli ion massasining to'g'ridan-to'g'ri panjaradagi ionlararo masofalarga, shuning uchun to'g'ridan-to'g'ri Fermi energiyasiga ta'siri bor. metall. Shu sababli, izotopik effektning mavjudligi fonon mexanizmining dalili emasligi aniq bo'ldi, chunki elektronlarning juftlashishi va o'ta o'tkazuvchanlikning paydo bo'lishi uchun javobgar bo'lgan yagona mumkin. Keyingi yillarda BCS nazariyasidan norozilik spin tebranish modeli va bipolaron modeli kabi boshqa modellarni yaratishga urinishlarga olib keldi. Biroq, ular elektronlarni juftlarga birlashtirishning turli mexanizmlarini ko'rib chiqishgan bo'lsa-da, bu o'zgarishlar ham o'ta o'tkazuvchanlik fenomenini tushunishda muvaffaqiyatga olib kelmadi.

BCS nazariyasi uchun asosiy muammo - bu nazariya bilan tasvirlab bo'lmaydigan ning mavjudligi.

Supero'tkazuvchanlikning qo'llanilishi

Yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlikni olishda sezilarli yutuqlarga erishildi. Metall keramika asosida, masalan, YBa 2 Cu 3 O x tarkibi, harorati bo'lgan moddalar olingan. T c supero'tkazuvchi holatga o'tish 77 K dan oshadi (azotni suyultirish harorati). Afsuski, deyarli barcha yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlar texnologik jihatdan rivojlangan emas (mo'rt, barqaror xususiyatlarga ega emas va hokazo), buning natijasida niobiy qotishmalari asosidagi o'ta o'tkazgichlar hali ham asosan texnologiyada qo'llaniladi.

Supero'tkazuvchanlik fenomeni kuchli magnit maydonlarni (masalan, siklotronlarda) hosil qilish uchun ishlatiladi, chunki kuchli magnit maydonlarni yaratadigan super o'tkazgichdan kuchli oqimlar o'tganda issiqlik yo'qotishlari bo'lmaydi. Biroq, magnit maydon o'ta o'tkazuvchanlik holatini buzganligi sababli, kuchli magnit maydonlarni olish uchun magnit maydonlar deb ataladigan narsa ishlatiladi. II turdagi supero'tkazgichlar, ularda o'ta o'tkazuvchanlik va magnit maydonning birgalikda mavjudligi mumkin. Bunday o'ta o'tkazgichlarda magnit maydon namunaga kiradigan oddiy metallning ingichka filamentlari paydo bo'lishiga olib keladi, ularning har biri magnit oqim kvantini (Abrikosov girdoblari) olib boradi. Iplar orasidagi modda supero'tkazuvchi bo'lib qoladi. II turdagi supero'tkazgichlarda to'liq Meissner effekti mavjud emasligi sababli, o'ta o'tkazuvchanlik magnit maydon qiymatlaridan ancha yuqori bo'ladi. H c 2. Texnologiyada asosan quyidagi o'ta o'tkazgichlardan foydalaniladi:

Miniatyurali o'ta o'tkazgichli halqali qurilmalar - SQUIDS, ularning harakati magnit oqim va kuchlanishdagi o'zgarishlar o'rtasidagi bog'liqlikka asoslangan, muhim ilovalarda mavjud. Ular Yerning magnit maydonini o'lchaydigan ultra sezgir magnitometrlarning bir qismi bo'lib, tibbiyotda turli organlarning magnitogrammalarini olish uchun ham qo'llaniladi.

Supero'tkazuvchilar maglevlarda ham qo'llaniladi.

Supero'tkazuvchi holatga o'tish haroratining magnit maydon kattaligiga bog'liqligi fenomeni kryotronlarda - boshqariladigan qarshiliklarda qo'llaniladi.

Shuningdek qarang

Eslatmalar

Supero'tkazuvchanlikning kashfiyoti - J. Triggning "XX asr fizikasi: asosiy tajribalar" kitobidan bo'lim.
Dirk van Delft va Piter Kes.

Supero'tkazuvchanlik

Supero'tkazuvchanlik- ba'zi materiallarning ega bo'lish xususiyati qat'iy nolga teng ma'lum bir qiymatdan (kritik harorat) past haroratga yetganda elektr qarshiligi. Supero'tkazuvchi holatga o'tadigan bir necha o'nlab sof elementlar, qotishmalar va keramika ma'lum. Supero'tkazuvchanlik kvant hodisasidir. Shuningdek, u magnit maydonning supero'tkazgich hajmidan to'liq siljishidan iborat bo'lgan Meissner effekti bilan tavsiflanadi. Ushbu ta'sirning mavjudligi shuni ko'rsatadiki, o'ta o'tkazuvchanlikni oddiygina tasvirlab bo'lmaydi mukammal o'tkazuvchanlik klassik ma'noda.

1893 yilda golland fizigi Heike Kamerlingh Onnes ultra past haroratlar muammosini o'rganishni boshladi. U 1908 yil 10 iyulda suyuq geliyni olgan dunyodagi eng yaxshi kriogen laboratoriyani yaratishga muvaffaq bo'ldi. Keyinchalik u uning haroratini 1 Kelvinga etkazishga muvaffaq bo'ldi. Kamerlingh Onnes suyuq geliydan metallarning xossalarini oʻrganishda, xususan, ularning elektr qarshiligining haroratga bogʻliqligini oʻlchashda foydalangan. O'sha paytda mavjud bo'lgan klassik nazariyalarga ko'ra, qarshilik haroratning pasayishi bilan asta-sekin tushishi kerak, ammo juda past haroratlarda elektronlar amalda to'xtab qoladi va umuman oqim o'tkazishni to'xtatadi, degan fikr ham mavjud edi. Kamerlingh Onnesning yordamchilari Kornelis Dorsman va Gilles Xolst bilan o'tkazgan tajribalari dastlab qarshilikning silliq pasayishi haqidagi xulosani tasdiqladi. Biroq, 1911 yil 8 aprelda u kutilmaganda 3 Kelvin (taxminan -270 ° C) da elektr qarshiligi deyarli nolga teng ekanligini aniqladi. 11-may kuni o'tkazilgan navbatdagi tajriba shuni ko'rsatdiki, nolga qarshilikning keskin sakrashi taxminan 4,2 K haroratda sodir bo'ladi (keyinroq aniqroq o'lchovlar bu harorat 4,15 K ekanligini ko'rsatdi). Bu ta'sir mutlaqo kutilmagan edi va o'sha paytdagi nazariyalar bilan izohlab bo'lmasdi.

Nolinchi qarshilik supero'tkazgichlarning yagona farqlovchi xususiyati emas. Supero'tkazuvchilar va ideal o'tkazgichlar o'rtasidagi asosiy farqlardan biri 1933 yilda Valter Meissner va Robert Ochsenfeld tomonidan kashf etilgan Meysner effektidir.

Supero'tkazuvchilarning xossalari

Nolinchi elektr qarshiligi

Yuqori chastotali maydondagi o'ta o'tkazgichlar

To'g'ri aytganda, supero'tkazgichlarning qarshiligi nolga teng degan gap faqat to'g'ridan-to'g'ri elektr toki uchun to'g'ri keladi. O'zgaruvchan elektr maydonida o'ta o'tkazgichning qarshiligi nolga teng emas va maydon chastotasining ortishi bilan ortadi. Supero'tkazgichning ikki suyuqlikli modeli tilida bu ta'sir elektronlarning o'ta o'tkazuvchan qismi bilan bir qatorda soni kichik bo'lgan oddiy elektronlarning mavjudligi bilan izohlanadi. Supero'tkazgichni doimiy maydonga joylashtirganda, o'ta o'tkazgich ichidagi bu maydon nolga aylanadi, chunki aks holda o'ta o'tkazgich elektronlar cheksizlikka tezlashadi, bu mumkin emas. Biroq, o'zgaruvchan maydon holatida, o'ta o'tkazgich ichidagi maydon nolga teng emas va shuningdek, oddiy elektronlarni tezlashtiradi, ular bilan ham cheklangan elektr qarshilik, ham Joule issiqlik yo'qotishlari bog'liq. Bu ta'sir, ayniqsa, kvant energiyasi o'ta o'tkazuvchan elektronni oddiy elektronlar guruhiga o'tkazish uchun etarli bo'lgan yorug'lik chastotalari uchun yaqqol namoyon bo'ladi. Ushbu chastota odatda infraqizil mintaqada (taxminan 10 11 Gts) yotadi, shuning uchun ko'rinadigan diapazonda o'ta o'tkazgichlar oddiy metallardan deyarli farq qilmaydi.

Supero'tkazuvchi holatga fazali o'tish

O'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tish bosqichida issiqlik sig'imi (c v, ko'k grafik) va qarshilik (r, yashil) o'zgarishining tabiati

Sof namunalar uchun supero'tkazuvchi holatga o'tishning harorat diapazoni Kelvinning mingdan bir qismidan oshmaydi va shuning uchun ma'lum bir qiymat mantiqiydir. T s- supero'tkazuvchi holatga o'tish harorati. Bu miqdor deyiladi kritik o'tish harorati. O'tish oralig'ining kengligi metallning heterojenligiga, birinchi navbatda, aralashmalar va ichki stresslar mavjudligiga bog'liq. Hozirgi ma'lum haroratlar T s magniy (Mg) uchun 0,0005 K dan niobiy va germaniyning intermetalik birikmasi uchun (Nb 3 Ge, plyonkada) uchun 23,2 K gacha va past haroratli o'ta o'tkazgichlar uchun magniy diborid (2) uchun 39 K ( T s 77 K dan past, suyuq azotning qaynash nuqtasi), simob o'z ichiga olgan yuqori haroratli supero'tkazgichlar uchun taxminan 135 K gacha. Hozirgi vaqtda HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fazasi kritik haroratning ma'lum bo'lgan eng yuqori qiymatiga ega - 135 K va 350 ming atmosfera tashqi bosimda o'tish harorati 164 K gacha ko'tariladi. Yer yuzasida tabiiy sharoitda qayd etilgan minimal haroratdan atigi 19 K ga past. Shunday qilib, o'zlarining rivojlanishida o'ta o'tkazgichlar metall simobdan (4,15 K) simob o'z ichiga olgan yuqori haroratli supero'tkazgichlarga (164 K) o'tdi.

Moddaning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi uning issiqlik xususiyatlarining o'zgarishi bilan birga keladi. Biroq, bu o'zgarish ko'rib chiqilayotgan supero'tkazgichlarning turiga bog'liq. Shunday qilib, o'tish haroratida magnit maydon yo'qligida I turdagi supero'tkazgichlar uchun T c o'tish issiqligi (yutilish yoki bo'shatish) nolga aylanadi va shuning uchun issiqlik sig'imining sakrashiga duchor bo'ladi, bu I turidagi fazali o'tishga xosdir. Supero'tkazgichning elektron quyi tizimining issiqlik sig'imining haroratga bog'liqligi o'ta Supero'tkazuvchilarning asosiy holati va elementar qo'zg'alishlar darajasi o'rtasida elektronlarni taqsimlashda energiya bo'shlig'i mavjudligini ko'rsatadi. Supero'tkazuvchanlik holatidan normal holatga o'tish qo'llaniladigan magnit maydonni o'zgartirish orqali amalga oshirilganda, u holda issiqlik so'rilishi kerak (masalan, namuna issiqlik izolyatsiya qilingan bo'lsa, u holda uning harorati pasayadi). Va bu 1-tartibning fazali o'tishiga to'g'ri keladi. II turdagi supero'tkazgichlar uchun har qanday sharoitda o'ta o'tkazuvchanlikdan normal holatga o'tish II turdagi fazali o'tish bo'ladi.

Meissner effekti

Supero'tkazgichning nol elektr qarshiligidan ko'ra muhimroq xususiyati bu Meissner effekti bo'lib, u o'ta o'tkazgichning magnit oqimini tashqariga chiqarishidan iborat. Ushbu eksperimental kuzatishdan shunday xulosaga kelindiki, o'ta o'tkazgichning ichida doimiy oqimlar mavjud bo'lib, ular tashqi qo'llaniladigan magnit maydonga qarama-qarshi bo'lgan va uni qoplaydigan ichki magnit maydon hosil qiladi.

Izotopik ta'sir

Izotopik ta'sir Supero'tkazuvchilar uchun bu haroratdir T s bir xil supero'tkazuvchi element izotoplarining atom massalarining kvadrat ildizlariga teskari proportsionaldir.

London lahzasi

Aylanadigan supero'tkazgich aylanish o'qi bilan aniq tekislangan magnit maydon hosil qiladi, natijada paydo bo'lgan magnit moment "London momenti" deb ataladi. U, xususan, "Gravity Probe B" ilmiy sun'iy yo'ldoshida ishlatilgan, bu erda to'rtta supero'tkazuvchi giroskopning magnit maydonlari ularning aylanish o'qlarini aniqlash uchun o'lchangan. Giroskoplarning rotorlari deyarli mukammal silliq sharlar bo'lganligi sababli, London momentidan foydalanish ularning aylanish o'qini aniqlashning bir nechta usullaridan biri edi.

O'ta o'tkazuvchanlik effektini nazariy tushuntirish

Supero'tkazuvchanlikni o'rganishning nisbatan erta bosqichida, hech bo'lmaganda Ginzburg-Landau nazariyasi yaratilgandan so'ng, o'ta o'tkazuvchanlik makroskopik elektron o'tkazuvchanlik sonining yagona kvant mexanik holatiga birlashishi natijasi ekanligi ayon bo'ldi. Bunday ansamblda bog'langan elektronlarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ular ansambldagi bog'lanish energiyasidan kamroq, kichik qismlarda panjara bilan energiya almashtira olmaydi. Bu shuni anglatadiki, elektronlar kristall panjarada harakat qilganda, elektronlarning energiyasi o'zgarmaydi va modda o'zini nolga teng qarshilikka ega supero'tkazgich kabi tutadi. Kvant mexanik tahlil shuni ko'rsatadiki, bu holda panjara yoki aralashmalarning termal tebranishlari bilan elektron to'lqinlarning tarqalishi yo'q. Va bu elektr qarshiligining yo'qligini anglatadi. Fermionlar ansamblida zarrachalarning bunday birikmasi mumkin emas. Bu bir xil bozonlar ansambliga xosdir. Supero'tkazuvchilardagi elektronlarning bosonik juftlarga birlashtirilganligi ichi bo'sh supero'tkazuvchi silindrlarda "muzlatilgan" magnit oqim kvantining kattaligini o'lchash bo'yicha tajribalardan kelib chiqadi. Shu sababli, o'tgan asrning o'rtalarida o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasini yaratishning asosiy vazifasi elektron juftlik mexanizmini ishlab chiqish edi. O'ta o'tkazuvchanlik sabablarini mikroskopik tushuntirishga da'vo qilgan birinchi nazariya o'tgan asrning 50-yillarida ular tomonidan yaratilgan Bardin-Kuper-Shriffer nazariyasi edi. Bu nazariya BCS nomi bilan umumjahon e'tirofiga sazovor bo'ldi va 1972 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi. O'z nazariyasini yaratishda mualliflar izotop effektiga, ya'ni izotop massasining o'ta o'tkazgichning kritik haroratiga ta'siriga tayangan. Uning mavjudligi fonon mexanizmining ishlashi tufayli o'ta o'tkazuvchan holatning shakllanishini bevosita ko'rsatadi, deb ishonilgan.

Supero'tkazuvchilarning kritik haroratlarining hisoblangan qiymatlarini o'lchov ma'lumotlari bilan taqqoslash.

B.V.Vasilev tomonidan taklif qilingan eng soʻnggi nazariyalardan biriga koʻra, elektron juftlashuvi oʻta oʻtkazuvchanlik holatining mavjudligi uchun zaruriy, ammo yetarli shart emas. Bundan tashqari, qanday o'ziga xos mexanizm bunday juftlikka olib kelishi unchalik muhim emas. Bunday mexanizmning mavjudligi va supero'tkazuvchi holat mavjud bo'lgan barcha harorat oralig'ida ishlashi muhim ahamiyatga ega.

Buning sababi quyidagicha izohlanadi: elektronlar juft bo'lib qo'shilib, yagona bir xil ansamblga birlashtirilmagan bozonlarni hosil qiladi. Ular o'zaro bog'liq bo'lmagan nol tebranishlar bilan ajralib turadi. Bozonlarning bir xil holatga o'tishi uchun ularning nol nuqtali tebranishlarini tartiblash kerak. Shu sababli, elektron gazdagi nol nuqtali tebranishlarning tartib mexanizmini tavsiflovchi parametrlar o'ta o'tkazgichlarning xususiyatlari uchun hal qiluvchi bo'lib chiqadi.

Supero'tkazuvchanlikning qo'llanilishi

Supero'tkazuvchanlik hodisasi kuchli magnit maydonlarni hosil qilish uchun ishlatiladi, chunki kuchli oqimlar o'ta o'tkazgichdan o'tib, kuchli magnit maydonlarni hosil qilganda issiqlik yo'qotilishi bo'lmaydi. Biroq, magnit maydon o'ta o'tkazuvchanlik holatini buzganligi sababli, kuchli magnit maydonlarni olish uchun magnit maydonlar deb ataladigan narsa ishlatiladi. II turdagi supero'tkazgichlar, ularda o'ta o'tkazuvchanlik va magnit maydonning birgalikda mavjudligi mumkin. Bunday o'ta o'tkazgichlarda magnit maydon namunaga kiradigan oddiy metallning ingichka iplari paydo bo'lishiga olib keladi, ularning har biri magnit oqim kvantini olib yuradi. Iplar orasidagi modda supero'tkazuvchi bo'lib qoladi. II turdagi supero'tkazgichlarda to'liq Meissner effekti mavjud emasligi sababli, o'ta o'tkazuvchanlik magnit maydon qiymatlaridan ancha yuqori bo'ladi. H c 2. Texnologiyada asosan quyidagi o'ta o'tkazgichlardan foydalaniladi:

Shuningdek qarang

Supero'tkazuvchanlik va nol nuqtali tebranishlar

Eslatmalar

Dirk van Delft va Piter Kes Supero'tkazuvchanlikning kashfiyoti (inglizcha) // Bugun Fizika. - 2010. - jild. 63. - 38-43-betlar.
Aleksey Levin Supero'tkazuvchanlik o'zining yuz yilligini nishonlaydi. Elements.ru (2011 yil 8 aprel). 2011-yil 23-avgustda asl nusxadan arxivlangan. 2011-yil 8-aprelda olingan.
V. L. Ginzburg, E. A. Andryushin 1-bob. Supero'tkazuvchanlikning kashfiyoti // Supero'tkazuvchanlik. - 2-nashr, qayta ko'rib chiqilgan va kengaytirilgan. - Alpha-M, 2006. - 112 p. - 3000 nusxa. - ISBN 5-98281-088-6

O'qish foydali bo'lishi mumkin: