Apakah fenomena superkonduktiviti? Superkonduktiviti ialah fenomena dengan rintangan elektrik sifar dan pelepasan medan fluks magnet yang berlaku dalam bahan tertentu, dipanggil superkonduktor, apabila disejukkan di bawah suhu kritikal ciri.
Fenomena itu ditemui oleh ahli fizik Belanda Heike Kamerling-Onnes pada 8 April 1911 di Leiden. Seperti feromagnetisme dan garis spektrum atom, superkonduktiviti adalah fenomena mekanikal kuantum. Ia dicirikan oleh kesan Meissner - lemparan lengkap garis medan magnet dari dalam superkonduktor semasa peralihannya kepada keadaan superkonduktor.
Ini adalah intipati fenomena superkonduktiviti. Kemunculan kesan Meissner menunjukkan bahawa superkonduktiviti tidak boleh difahami hanya sebagai idealisasi kekonduksian ideal dalam fizik klasik.
Apakah fenomena superkonduktiviti
Rintangan elektrik konduktor logam secara beransur-ansur berkurangan apabilamenurunkan suhu. Dalam konduktor biasa seperti tembaga atau perak, pengurangan ini dihadkan oleh kekotoran dan kecacatan lain. Walaupun hampir sifar mutlak, sampel sebenar konduktor normal menunjukkan beberapa rintangan. Dalam superkonduktor, rintangan menurun secara mendadak kepada sifar apabila bahan disejukkan di bawah suhu kritikalnya. Arus elektrik melalui gelung wayar superkonduktor boleh dikekalkan selama-lamanya tanpa sumber kuasa. Ini adalah jawapan kepada soalan, apakah fenomena superkonduktiviti.
Sejarah
Pada tahun 1911, semasa mengkaji sifat jirim pada suhu yang sangat rendah, ahli fizik Belanda Heike Kamerling Onnes dan pasukannya mendapati bahawa rintangan elektrik merkuri turun kepada sifar di bawah 4.2 K (-269°C). Ini adalah pemerhatian pertama fenomena superkonduktiviti. Kebanyakan unsur kimia menjadi superkonduktor pada suhu yang cukup rendah.
Di bawah suhu kritikal tertentu, bahan masuk ke dalam keadaan superkonduktor, dicirikan oleh dua sifat utama: pertama, mereka tidak menahan laluan arus elektrik. Apabila rintangan menurun kepada sifar, arus boleh beredar dalam bahan tanpa pelesapan tenaga.
Kedua, dengan syarat ia cukup lemah, medan magnet luar tidak menembusi superkonduktor, tetapi kekal pada permukaannya. Fenomena pengusiran medan ini dikenali sebagai kesan Meissner selepas ia mula diperhatikan oleh ahli fizik pada tahun 1933.
Tiga nama, tiga huruf dan teori yang tidak lengkap
Fizik biasa tidak memberikan yang mencukupipenjelasan tentang keadaan superkonduktor, serta teori kuantum asas bagi keadaan pepejal, yang menganggap kelakuan elektron secara berasingan daripada kelakuan ion dalam kekisi kristal.
Hanya pada tahun 1957, tiga penyelidik Amerika - John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer mencipta teori mikroskopik superkonduktiviti. Menurut teori BCS mereka, elektron berkumpul menjadi pasangan melalui interaksi dengan getaran kekisi (yang dipanggil "phonon"), dengan itu membentuk pasangan Cooper yang bergerak tanpa geseran di dalam pepejal. Pepejal boleh dilihat sebagai kekisi ion positif yang direndam dalam awan elektron. Apabila elektron melalui kekisi ini, ion-ion bergerak sedikit, tertarik oleh cas negatif elektron. Pergerakan ini menghasilkan rantau positif elektrik, yang seterusnya menarik elektron lain.
Tenaga interaksi elektronik agak lemah, dan wap boleh dipecahkan dengan mudah oleh tenaga haba - jadi superkonduktiviti biasanya berlaku pada suhu yang sangat rendah. Walau bagaimanapun, teori BCS tidak memberikan penjelasan tentang kewujudan superkonduktor suhu tinggi pada sekitar 80 K (-193 °C) dan ke atas, yang mana mekanisme pengikatan elektron lain mesti terlibat. Penggunaan fenomena superkonduktiviti adalah berdasarkan proses di atas.
Suhu
Pada tahun 1986, beberapa bahan seramik cuprate-perovskite didapati mempunyai suhu kritikal melebihi 90 K (-183 °C). Suhu simpang tinggi ini secara teorinyamustahil untuk superkonduktor konvensional, yang membawa kepada bahan yang dirujuk sebagai superkonduktor suhu tinggi. Nitrogen cecair penyejuk yang tersedia mendidih pada 77 K, dan dengan itu superkonduktiviti pada suhu yang lebih tinggi daripada ini memudahkan banyak eksperimen dan aplikasi yang kurang praktikal pada suhu yang lebih rendah. Ini adalah jawapan kepada soalan pada suhu berapakah fenomena superkonduktiviti berlaku.
Klasifikasi
Superkonduktor boleh dikelaskan mengikut beberapa kriteria yang bergantung pada minat kita terhadap sifat fizikalnya, pada pemahaman yang kita ada tentangnya, betapa mahalnya untuk menyejukkannya, atau pada bahan yang diperbuat daripada.
Dengan sifat magnetnya
Superkonduktor Jenis I: superkonduktor yang hanya mempunyai satu medan kritikal, Hc dan secara tiba-tiba beralih dari satu keadaan ke keadaan lain apabila ia dicapai.
Superkonduktor Jenis II: mempunyai dua medan kritikal, Hc1 dan Hc2, menjadi superkonduktor sempurna di bawah medan kritikal bawah (Hc1) dan meninggalkan sepenuhnya keadaan superkonduktor di atas medan kritikal atas (Hc2), berada dalam keadaan bercampur antara medan kritikal.
Seperti yang kita fahami tentang mereka
Superkonduktor biasa: superkonduktor yang boleh dijelaskan sepenuhnya oleh teori BCS atau teori berkaitan.
Superkonduktor tidak konvensional: yang tidak dapat dijelaskan menggunakan teori sedemikian, contohnya: fermionik beratsuperkonduktor.
Kriteria ini penting kerana teori BCS telah menerangkan sifat superkonduktor konvensional sejak 1957, tetapi sebaliknya, tiada teori yang memuaskan untuk menjelaskan superkonduktor yang tidak konvensional sepenuhnya. Dalam kebanyakan kes, superkonduktor Jenis I adalah biasa, tetapi terdapat beberapa pengecualian, seperti niobium, yang biasa dan Jenis II.
Mengikut suhu kritikalnya
Superkonduktor suhu rendah, atau LTS: mereka yang suhu kritikalnya di bawah 30 K.
Superkonduktor suhu tinggi, atau HTS: mereka yang mempunyai suhu kritikal melebihi 30 K. Sesetengahnya kini menggunakan 77 K sebagai pengasingan untuk menekankan sama ada kita boleh menyejukkan sampel dengan nitrogen cecair (yang takat didihnya ialah 77 K), yang adalah lebih boleh dilaksanakan daripada helium cecair (alternatif untuk mencapai suhu yang diperlukan untuk menghasilkan superkonduktor suhu rendah).
Butiran lain
Superkonduktor boleh menjadi jenis I, yang bermaksud ia mempunyai satu medan kritikal, di atasnya semua superkonduktiviti hilang, dan di bawahnya medan magnet dihapuskan sepenuhnya daripada superkonduktor. Jenis II, bermakna ia mempunyai dua medan kritikal di antaranya ia membenarkan penembusan separa medan magnet melalui titik terpencil. Titik ini dipanggil vorteks. Di samping itu, dalam superkonduktor berbilang komponen, gabungan dua tingkah laku adalah mungkin. Dalam kes ini, superkonduktor adalah jenis 1, 5.
Properties
Kebanyakan sifat fizikal superkonduktor berbeza dari bahan ke bahan, seperti kapasiti haba dan suhu kritikal, medan genting dan ketumpatan arus kritikal di mana superkonduktiviti terurai.
Sebaliknya, terdapat kelas sifat yang bebas daripada bahan asas. Sebagai contoh, semua superkonduktor mempunyai kerintangan sifar mutlak pada arus yang dikenakan rendah, apabila tiada medan magnet atau apabila medan yang digunakan tidak melebihi nilai kritikal.
Kehadiran sifat universal ini membayangkan bahawa superkonduktiviti ialah fasa termodinamik dan oleh itu mempunyai sifat tersendiri tertentu yang sebahagian besarnya bebas daripada butiran mikroskopik.
Situasi berbeza dalam superkonduktor. Dalam superkonduktor konvensional, cecair elektron tidak boleh dipisahkan kepada elektron individu. Sebaliknya, ia terdiri daripada pasangan elektron terikat yang dikenali sebagai pasangan Cooper. Pasangan ini disebabkan oleh daya tarikan antara elektron yang terhasil daripada pertukaran fonon. Disebabkan oleh mekanik kuantum, spektrum tenaga cecair pasangan Cooper ini mempunyai jurang tenaga, iaitu, terdapat jumlah minimum tenaga ΔE yang mesti dibekalkan untuk merangsang cecair.
Oleh itu, jika ΔE lebih besar daripada tenaga haba parut yang diberikan oleh kT, di mana k ialah pemalar Boltzmann dan T ialah suhu, cecair tidak akan diserakkan oleh parut. JadiOleh itu, cecair wap Cooper adalah cecair super, yang bermaksud ia boleh mengalir tanpa menghilangkan tenaga.
Ciri superkonduktiviti
Dalam bahan pengalir super, ciri superkonduktiviti muncul apabila suhu T jatuh di bawah suhu kritikal Tc. Nilai suhu kritikal ini berbeza dari bahan ke bahan. Superkonduktor konvensional biasanya mempunyai suhu kritikal antara kira-kira 20 K hingga kurang daripada 1 K.
Sebagai contoh, merkuri pepejal mempunyai suhu kritikal 4.2 K. Sehingga 2015, suhu kritikal tertinggi yang ditemui untuk superkonduktor konvensional ialah 203 K untuk H2S, walaupun tekanan tinggi kira-kira 90 gigapascal diperlukan. Superkonduktor cuprate boleh mempunyai suhu kritikal yang jauh lebih tinggi: YBa2Cu3O7, salah satu superkonduktor cuprate pertama ditemui, mempunyai suhu kritikal 92 K, dan cuprates berasaskan merkuri dengan suhu kritikal melebihi 130 K telah dijumpai. Penjelasan untuk suhu kritikal yang tinggi ini kekal tidak diketahui.
Gandingan elektron akibat pertukaran fonon menerangkan kesuperkondukan dalam superkonduktor konvensional, tetapi tidak menjelaskan kesuperkondukan dalam superkonduktor baharu yang mempunyai suhu kritikal yang sangat tinggi.
Medan magnet
Begitu juga, pada suhu tetap di bawah suhu kritikal, bahan superkonduktor menghentikan superkonduktor apabila medan magnet luar digunakan yang lebih besar daripadamedan magnet kritikal. Ini kerana tenaga bebas Gibbs bagi fasa superkonduktor meningkat secara kuadratik dengan medan magnet, manakala tenaga bebas fasa normal adalah lebih kurang bebas daripada medan magnet.
Jika bahan superkonduktor tanpa ketiadaan medan, maka tenaga bebas fasa superkonduktor adalah kurang daripada fasa biasa, dan oleh itu, untuk beberapa nilai terhingga medan magnet (berkadar dengan kuasa dua punca perbezaan tenaga bebas pada sifar), kedua-dua tenaga bebas akan sama, dan akan berlaku peralihan fasa ke fasa normal. Secara umumnya, suhu yang lebih tinggi dan medan magnet yang lebih kuat menghasilkan bahagian elektron superkonduktor yang lebih kecil dan oleh itu kedalaman penembusan yang lebih besar ke London bagi medan magnet luar dan arus. Kedalaman penembusan menjadi tidak terhingga pada peralihan fasa.
Fizikal
Permulaan superkonduktiviti disertai dengan perubahan mendadak dalam pelbagai sifat fizikal, yang merupakan ciri peralihan fasa. Sebagai contoh, kapasiti haba elektron adalah berkadar dengan suhu dalam rejim normal (bukan superkonduktor). Pada peralihan superkonduktor, ia mengalami lonjakan dan selepas itu ia tidak lagi menjadi linear. Pada suhu rendah, ia berubah dan bukannya e−α/T untuk beberapa pemalar α. Tingkah laku eksponen ini adalah salah satu bukti kewujudan jurang tenaga.
Peralihan fasa
Penjelasan tentang fenomena superkonduktiviti adalah agakjelas sekali. Urutan peralihan fasa superkonduktor telah dibincangkan untuk masa yang lama. Eksperimen menunjukkan bahawa tiada peralihan tertib kedua, iaitu haba pendam. Walau bagaimanapun, dengan kehadiran medan magnet luar, terdapat haba pendam kerana fasa superkonduktor mempunyai entropi yang lebih rendah, lebih rendah daripada suhu kritikal, daripada fasa biasa.
Menunjukkan perkara berikut secara eksperimen: apabila medan magnet meningkat dan melampaui medan kritikal, peralihan fasa yang terhasil membawa kepada penurunan suhu bahan superkonduktor. Fenomena superkonduktiviti telah diterangkan secara ringkas di atas, kini tiba masanya untuk memberitahu anda sesuatu tentang nuansa kesan penting ini.
Pengiraan yang dibuat pada tahun 1970-an menunjukkan bahawa ia sebenarnya boleh menjadi lebih lemah daripada susunan pertama disebabkan oleh pengaruh turun naik jarak jauh dalam medan elektromagnet. Pada tahun 1980-an, secara teorinya ditunjukkan menggunakan teori medan gangguan, di mana garis pusaran superkonduktor memainkan peranan utama, bahawa peralihan adalah tertib kedua dalam mod jenis II dan tertib pertama (iaitu, haba pendam) dalam mod jenis I, dan bahawa kedua-dua wilayah dipisahkan oleh titik kritis.
Hasilnya telah disahkan dengan kuat oleh simulasi komputer di Monte Carlo. Ini memainkan peranan penting dalam kajian fenomena superkonduktiviti. Kerja ini diteruskan pada masa sekarang. Intipati fenomena superkonduktiviti tidak difahami dan dijelaskan sepenuhnya dari sudut pandangan sains moden.
