Co je fenomén supravodivosti? Supravodivost je jev s nulovým elektrickým odporem a uvolňováním polí magnetického toku, které se vyskytují v určitých materiálech, nazývaných supravodiče, když jsou ochlazeny pod charakteristickou kritickou teplotu.
Jev objevila nizozemská fyzička Heike Kamerling-Onnes 8. dubna 1911 v Leidenu. Stejně jako feromagnetismus a atomové spektrální čáry je supravodivost kvantově mechanický jev. Vyznačuje se Meissnerovým efektem - úplným vyvržením magnetických siločar z nitra supravodiče při jeho přechodu do supravodivého stavu.
Toto je podstata fenoménu supravodivosti. Vznik Meissnerova jevu naznačuje, že supravodivost nelze chápat jednoduše jako idealizaci ideální vodivosti v klasické fyzice.
Co je fenomén supravodivosti
Elektrický odpor kovového vodiče postupně klesásnížení teploty. U běžných vodičů, jako je měď nebo stříbro, je tato redukce omezena nečistotami a jinými defekty. I blízko absolutní nuly skutečný vzorek normálního vodiče vykazuje určitý odpor. V supravodiči odpor prudce klesne na nulu, když se materiál ochladí pod svou kritickou teplotu. Elektrický proud smyčkou supravodivého drátu může být udržován neomezeně dlouho bez zdroje energie. Toto je odpověď na otázku, co je to fenomén supravodivosti.
Historie
V roce 1911 při studiu vlastností hmoty při velmi nízkých teplotách holandský fyzik Heike Kamerling Onnes a jeho tým objevili, že elektrický odpor rtuti klesá k nule pod 4,2 K (-269 °C). Jednalo se o vůbec první pozorování fenoménu supravodivosti. Většina chemických prvků se stává supravodivou při dostatečně nízkých teplotách.
Pod určitou kritickou teplotou přecházejí materiály do supravodivého stavu, který se vyznačuje dvěma hlavními vlastnostmi: zaprvé neodolávají průchodu elektrického proudu. Když odpor klesne na nulu, proud může cirkulovat v materiálu bez ztráty energie.
Zadruhé, za předpokladu, že jsou dostatečně slabá, vnější magnetická pole neproniknou supravodičem, ale zůstanou na jeho povrchu. Tento fenomén vyhánění pole se stal známým jako Meissnerův jev poté, co jej poprvé pozoroval fyzik v roce 1933.
Tři jména, tři písmena a neúplná teorie
Běžná fyzika nedává adekvátnívysvětlení supravodivého stavu, stejně jako elementární kvantová teorie pevného skupenství, která uvažuje chování elektronů odděleně od chování iontů v krystalové mřížce.
Pouze v roce 1957 vytvořili tři američtí výzkumníci - John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer mikroskopickou teorii supravodivosti. Podle jejich teorie BCS se elektrony shlukují do párů prostřednictvím interakce s vibracemi mřížky (takzvané "fonony"), čímž se vytvářejí Cooperovy páry, které se pohybují bez tření uvnitř pevné látky. Na pevnou látku lze pohlížet jako na mřížku kladných iontů ponořenou do oblaku elektronů. Když elektron prochází touto mřížkou, ionty se mírně pohybují a jsou přitahovány záporným nábojem elektronu. Tento pohyb generuje elektricky pozitivní oblast, která zase přitahuje další elektron.
Energie elektronické interakce je poměrně slabá a páry lze snadno rozbít tepelnou energií - takže k supravodivosti obvykle dochází při velmi nízkých teplotách. Teorie BCS však neposkytuje vysvětlení pro existenci vysokoteplotních supravodičů při teplotě kolem 80 K (-193 °C) a výše, pro které musí být zapojeny jiné mechanismy pro vazbu elektronů. Aplikace fenoménu supravodivosti je založena na výše uvedeném procesu.
Teplota
V roce 1986 bylo zjištěno, že některé kuprát-perovskitové keramické materiály mají kritické teploty nad 90 K (-183 °C). Tato vysoká teplota přechodu je teoretickyPro konvenční supravodič nemožné, což vede k tomu, že materiály jsou označovány jako vysokoteplotní supravodiče. Dostupný chladicí kapalný dusík vře při 77 K, a proto supravodivost při teplotách vyšších, než jsou tyto, usnadňuje mnoho experimentů a aplikací, které jsou při nižších teplotách méně praktické. Toto je odpověď na otázku, při jaké teplotě nastává fenomén supravodivosti.
Klasifikace
Supravodiče lze klasifikovat podle několika kritérií, která závisí na našem zájmu o jejich fyzikální vlastnosti, na tom, jak jim rozumíme, na tom, jak drahé je jejich chlazení, nebo na materiálu, ze kterého jsou vyrobeny.
Svým magnetickým vlastnostem
Supravodiče typu I: ty, které mají pouze jedno kritické pole, Hc, a po jeho dosažení náhle přecházejí z jednoho stavu do druhého.
Supravodiče typu II: mají dvě kritická pole, Hc1 a Hc2, jsou dokonalé supravodiče pod spodním kritickým polem (Hc1) a zcela opouštějí supravodivý stav nad horním kritickým polem (Hc2), jsou ve smíšeném stavu mezi kritická pole.
Jak jim o nich rozumíme
Obyčejné supravodiče: ty, které lze plně vysvětlit teorií BCS nebo souvisejícími teoriemi.
Nekonvenční supravodiče: ty, které nebylo možné vysvětlit pomocí takových teorií, například: těžké fermionickésupravodiče.
Toto kritérium je důležité, protože teorie BCS vysvětluje vlastnosti konvenčních supravodičů již od roku 1957, ale na druhou stranu neexistuje žádná uspokojivá teorie, která by vysvětlila zcela nekonvenční supravodiče. Ve většině případů jsou supravodiče typu I běžné, ale existuje několik výjimek, jako je niob, který je běžný i typ II.
Podle jejich kritické teploty
Nízkoteplotní supravodiče neboli LTS: ty, jejichž kritická teplota je nižší než 30 K.
Vysokoteplotní supravodiče neboli HTS: ty, jejichž kritická teplota je vyšší než 30 K. Někteří nyní používají 77 K jako separaci, aby zdůraznili, zda můžeme vzorek ochladit kapalným dusíkem (jehož bod varu je 77 K), který je mnohem schůdnější než kapalné helium (alternativa k dosažení teplot potřebných k výrobě nízkoteplotních supravodičů).
Další podrobnosti
Supravodič může být typu I, což znamená, že má jediné kritické pole, nad kterým se ztrácí veškerá supravodivost a pod kterým je magnetické pole ze supravodiče zcela eliminováno. Typ II, což znamená, že má dvě kritická pole, mezi kterými umožňuje částečné pronikání magnetického pole přes izolované body. Tyto body se nazývají víry. U vícesložkových supravodičů je navíc možná kombinace dvou chování. V tomto případě je supravodič typu 1, 5.
Vlastnosti
Většina fyzikálních vlastností supravodičů se liší materiál od materiálu, jako je tepelná kapacita a kritická teplota, kritické pole a kritická hustota proudu, při které se supravodivost rozpadá.
Na druhé straně existuje třída vlastností, které jsou nezávislé na základním materiálu. Například všechny supravodiče mají absolutně nulový odpor při nízkých aplikovaných proudech, když neexistuje žádné magnetické pole nebo když aplikované pole nepřekračuje kritickou hodnotu.
Přítomnost těchto univerzálních vlastností znamená, že supravodivost je termodynamická fáze, a proto má určité charakteristické vlastnosti, které jsou do značné míry nezávislé na mikroskopických detailech.
U supravodiče je situace jiná. V běžném supravodiči nelze elektronovou kapalinu rozdělit na jednotlivé elektrony. Místo toho se skládá z vázaných párů elektronů známých jako Cooperovy páry. Toto párování je způsobeno přitažlivou silou mezi elektrony vyplývající z výměny fononů. V důsledku kvantové mechaniky má energetické spektrum této kapaliny z Cooperova páru energetickou mezeru, to znamená, že existuje minimální množství energie ΔE, které je nutné dodat k vybuzení kapaliny.
Pokud je tedy ΔE větší než tepelná energie mřížky daná pomocí kT, kde k je Boltzmannova konstanta a T je teplota, kapalina nebude mřížkou rozptylována. TakKapalina Cooperových par je tedy supratekutá, což znamená, že může proudit bez ztráty energie.
Supravodivé charakteristiky
V supravodivých materiálech se charakteristiky supravodivosti objevují, když teplota T klesne pod kritickou teplotu Tc. Hodnota této kritické teploty se materiál od materiálu liší. Konvenční supravodiče mají typicky kritické teploty v rozmezí od asi 20 K do méně než 1 K.
Například pevná rtuť má kritickou teplotu 4,2 K. Od roku 2015 je nejvyšší kritická teplota zjištěná pro konvenční supravodič 203 K pro H2S, ačkoli byl vyžadován vysoký tlak asi 90 gigapascalů. Měďnaté supravodiče mohou mít mnohem vyšší kritické teploty: YBa2Cu3O7, jeden z prvních objevených měďnatých supravodičů, má kritickou teplotu 92 K, a byly nalezeny měďnany na bázi rtuti s kritickými teplotami přesahujícími 130 K. Vysvětlení těchto vysokých kritických teplot zůstává neznámo.
Párování elektronů díky fononovým výměnám vysvětluje supravodivost v konvenčních supravodičích, ale nevysvětluje supravodivost v novějších supravodičích, které mají velmi vysokou kritickou teplotu.
Magnetická pole
Podobně platí, že při pevné teplotě pod kritickou teplotou přestanou supravodivé materiály supravodivé, když je aplikováno vnější magnetické pole větší nežkritické magnetické pole. Je to proto, že Gibbsova volná energie supravodivé fáze roste kvadraticky s magnetickým polem, zatímco volná energie normální fáze je přibližně nezávislá na magnetickém poli.
Pokud je materiál supravodivý v nepřítomnosti pole, pak je volná energie supravodivé fáze menší než energie normální fáze, a proto pro určitou konečnou hodnotu magnetického pole (úměrnou čtverci kořen rozdílu ve volných energiích při nule), dvě volné energie se budou rovnat a dojde k fázovému přechodu do normální fáze. Obecněji řečeno, vyšší teplota a silnější magnetické pole má za následek menší podíl supravodivých elektronů, a tedy větší hloubku pronikání vnějších magnetických polí a proudů do Londýna. Hloubka průniku se při fázovém přechodu stává nekonečnou.
Fyzické
Nástup supravodivosti je doprovázen náhlými změnami různých fyzikálních vlastností, což je charakteristickým znakem fázového přechodu. Například tepelná kapacita elektronů je úměrná teplotě v normálním (nikoli supravodivém) režimu. Při supravodivém přechodu zažije skok a poté přestane být lineární. Při nízkých teplotách se mění místo e−α/T pro nějakou konstantu α. Toto exponenciální chování je jedním z důkazů existence energetické mezery.
Fázový přechod
Vysvětlení fenoménu supravodivosti je docela jasnéočividně. O pořadí supravodivého fázového přechodu se diskutuje již dlouho. Experimenty ukazují, že neexistuje žádný přechod druhého řádu, tedy latentní teplo. V přítomnosti vnějšího magnetického pole však existuje latentní teplo, protože supravodivá fáze má nižší entropii, nižší než je kritická teplota, než normální fáze.
Experimentálně demonstrováno následující: když se magnetické pole zvýší a překročí kritické pole, výsledný fázový přechod vede ke snížení teploty supravodivého materiálu. Fenomén supravodivosti byl stručně popsán výše, nyní je čas říci vám něco o nuancích tohoto důležitého efektu.
Výpočty provedené v 70. letech ukázaly, že by ve skutečnosti mohla být slabší než první řád kvůli vlivu fluktuací elektromagnetického pole na velké vzdálenosti. V 80. letech 20. století bylo teoreticky pomocí teorie pole poruchy, ve které hrají hlavní roli supravodičové vírové čáry, prokázáno, že přechod je druhého řádu v režimu typu II a prvního řádu (tj. latentní teplo) v režimu typu I a že tyto dvě oblasti jsou odděleny trikritickým bodem.
Výsledky byly silně potvrzeny počítačovými simulacemi v Monte Carlu. To sehrálo důležitou roli při studiu fenoménu supravodivosti. Práce pokračují i v současné době. Podstata fenoménu supravodivosti není z pohledu moderní vědy plně pochopena a vysvětlena.
