Superledningsevne er nogle materialers egenskab til at have strengt nul elektrisk modstand, når de når en temperatur under en vis værdi (kritisk temperatur). Flere hundrede forbindelser, rene grundstoffer, legeringer og keramik er kendt for at gå over i den superledende tilstand. Superledning er et kvantefænomen . Det er også karakteriseret ved Meissner-effekten , som består i den fuldstændige forskydning af magnetfeltet fra superlederens volumen. Eksistensen af denne effekt viser, at superledning ikke blot kan beskrives som ideel ledningsevne i klassisk forstand.
Opdagelsen i 1986-1993 af en række højtemperatur-superledere (HTSC'er) rykkede temperaturgrænsen for superledning langt og tillod praktisk brug af superledende materialer ikke kun ved kogepunktet for flydende helium (4,2 K), men også ved kogepunkt for flydende nitrogen (77 K), meget billigere kryogen væske.
Grundlaget for opdagelsen af fænomenet superledning var udviklingen af teknologier til afkøling af materialer til ultralave temperaturer. I 1877 afkølede den franske ingeniør Louis Cayette og den schweiziske fysiker Raoul Pictet uafhængigt ilt til en flydende tilstand. I 1883 udførte Zygmunt Wróblewski og Karol Olszewski flytning af nitrogen . I 1898 lykkedes det også James Dewar at skaffe flydende brint .
I 1893 begyndte den hollandske fysiker Heike Kamerling-Onnes at beskæftige sig med problemet med ultralave temperaturer . Det lykkedes ham at skabe verdens bedste kryogene laboratorium, hvor han modtog flydende helium den 10. juli 1908 . Senere lykkedes det ham at bringe dens temperatur op på 1 Kelvin . Kamerling-Onnes brugte flydende helium til at studere egenskaberne af metaller , især for at måle afhængigheden af deres elektriske modstand af temperaturen [1] . Ifølge de dengang eksisterende klassiske teorier [2] skulle modstanden være faldet jævnt med faldende temperatur, men der var også en opfattelse af, at ved for lave temperaturer ville elektronerne praktisk talt stoppe, og metallet ville helt ophøre med at lede strøm. Eksperimenter udført af Kamerling-Onnes med hans assistenter Cornelis Dorsmann og Gilles Holst bekræftede i første omgang konklusionen om, at modstanden gradvist faldt fra. Den 8. april 1911 opdagede han dog uventet, at ved 3 Kelvin (ca. -270 ° C) er kviksølvs elektriske modstand praktisk talt nul. Det næste eksperiment, der blev udført den 11. maj, viste, at et kraftigt fald i modstand mod nul opstår ved en temperatur på omkring 4,2 K (senere viste mere nøjagtige målinger, at denne temperatur var 4,15 K). Denne effekt var fuldstændig uventet og kunne ikke forklares med de dengang eksisterende teorier.
I 1912 blev yderligere to metaller opdaget, der går over i superledende tilstand ved lave temperaturer: bly og tin . I januar 1914 viste det sig, at superledning blev ødelagt af et stærkt magnetfelt . I 1919 fandt man ud af, at thallium og uran også er superledere [3] [4] .
Nul modstand er ikke det eneste kendetegn ved superledere. En af de vigtigste forskelle mellem superledere og ideelle ledere er Meissner-effekten , opdaget af Walter Meissner og Robert Oksenfeld i 1933 .
Den første teoretiske forklaring på superledning blev givet i 1935 af brødrene Fritz og Heinz London . En mere generel teori blev konstrueret i 1950 af V. L. Ginzburg og L. D. Landau . Den er blevet udbredt og er kendt som Ginzburg-Landau-teorien . Disse teorier var imidlertid fænomenologiske og afslørede ikke de detaljerede mekanismer for superledning. Superledning blev først forklaret på mikroskopisk niveau i 1957 af de amerikanske fysikere John Bardeen , Leon Cooper og John Schrieffer . Det centrale element i deres teori, kaldet BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) teorien, er de såkaldte Cooper-elektronpar .
Senere blev det fundet, at superledere er opdelt i to store familier: type I superledere (især hører kviksølv til dem) og type II (som normalt er legeringer af forskellige metaller). L. V. Shubnikovs arbejde i 1930'erne og A. A. Abrikosov i 1950'erne spillede en væsentlig rolle i opdagelsen af type II superledning .
For praktiske anvendelser i højeffektelektromagneter var opdagelsen i 1950'erne af superledere, der var i stand til at modstå stærke magnetiske felter og passere høje strømtætheder , af stor betydning . Så i 1960, under ledelse af J. Künzler, blev materialet Nb 3 Sn opdaget, hvorfra ledningen er i stand til at transmittere en strøm med en tæthed på op til 100 kA/cm² ved en temperatur på 4,2 K, der er i et magnetfelt på 8,8 T.
I 1962 opdagede den engelske fysiker Brian Josephson (senere opkaldt efter ham) effekten af en superledende strøm, der strømmer gennem et tyndt dielektrisk lag , der adskiller to superledere .
I 1986 opdagede Karl Müller og Georg Bednorz en ny type superledere, kaldet højtemperatur [5] . I begyndelsen af 1987 blev det vist, at forbindelser af lanthan , strontium , kobber og oxygen (La-Sr-Cu-O) oplever et spring i modstand til næsten nul ved en temperatur på 36 K. I begyndelsen af marts 1987 blev en superleder først opnået ved en temperatur, der overstiger temperaturen kogende flydende nitrogen (77,4 K): det blev fundet, at en forbindelse af yttrium , barium , kobber og oxygen (Y-Ba-Cu-O) har denne egenskab. Pr. 1. januar 2006 tilhører rekorden den Hg-Ba-Ca-Cu-O(F) keramiske forbindelse, opdaget i 2003, hvis kritiske temperatur er 138 K. Desuden er den samme forbindelse ved et tryk på 400 kbar . er en superleder ved temperaturer op til 166 K [6] .
I 2015 blev der sat ny rekord for den temperatur, hvorved superledning opnås. For H 2 S ( hydrogensulfid ) ved et tryk på 100 GPa blev der registreret en superledende overgang ved en temperatur på 203 K (-70 °C) [7] [8] .
I 2017 blev fænomenet med superledning af grafen med en tykkelse på to atomlag, der var roteret i forhold til hinanden med en vinkel på 1,1 grader , opdaget [9] .
I 2019 blev der opnået superledningsevne for lanthanhydrid LaH₁₀ ved -23 °C (250K) og derunder ved et tryk på 188 GPa. I dette tilfælde blev hysterese observeret: da temperaturen steg over 245 K, forsvandt superledningsevnen af LaH10 [10] [11] . Desuden på Institut for Krystallografi. Shubnikov opnåede superledningsevne i yttriumhydrid YH₆ ved temperaturer på 224K ved 166 GPa og 218K ved 165 GPa (fra februar 2020 er arbejdet ikke blevet gennemgået). Virkningen af superledning i sådanne hydrider skyldes krystalstrukturen, hvor brintatomer "omslutter" tungere atomer, som bestemmer strukturen af krystalgitteret og i en sådan struktur forhindrer ikke dannelsen af et Bose-Einstein-kondensat . Ifølge beregninger er ternære hydrider også lovende: for eksempel skulle Li₂MgH₁₆ have en overgangstemperatur til superledning på 473 K ved et tryk på 2,5 Mbar [11] [12] .
Der er flere kriterier for klassificering af superledere. Her er de vigtigste:
For jævnstrøm er den elektriske modstand af en superleder nul. Dette blev demonstreret under et eksperiment, hvor en elektrisk strøm blev induceret i en lukket superleder, som strømmede i den uden dæmpning i 2,5 år (eksperimentet blev afbrudt af en strejke af arbejdere, der medbragte kryogene væsker).
Strengt taget gælder udsagnet om, at superlederes modstand er nul, kun for jævnstrøm . I et vekslende elektrisk felt er modstanden af en superleder forskellig fra nul og stiger med stigende feltfrekvens. Denne effekt, på sproget for den to-væske model af en superleder , forklares ved tilstedeværelsen, sammen med den superledende fraktion af elektroner, af almindelige elektroner, hvis antal dog er lille. Når en superleder placeres i et konstant felt, forsvinder dette felt inde i superlederen, da superledende elektroner ellers ville blive accelereret til det uendelige, hvilket er umuligt. Men i tilfælde af et vekselfelt er feltet inde i superlederen ikke-nul og accelererer blandt andet normale elektroner, som er forbundet med både endelig elektrisk modstand og Joule varmetab. Denne effekt er især udtalt for sådanne lysfrekvenser, hvor energien af et kvante er tilstrækkelig til at overføre en superledende elektron til en gruppe normale elektroner. Denne frekvens ligger normalt i det infrarøde område (ca. 10 11 Hz), derfor er superledere i det synlige område praktisk talt ikke forskellige fra almindelige metaller [14] .
Temperaturintervallet for overgangen til den superledende tilstand for rene prøver overstiger ikke tusindedele af en Kelvin , og derfor giver en vis værdi af Tc , overgangstemperaturen til den superledende tilstand, mening. Denne værdi kaldes den kritiske overgangstemperatur . Bredden af overgangsintervallet afhænger af metallets inhomogenitet, primært af tilstedeværelsen af urenheder og indre spændinger. De aktuelt kendte temperaturer Tc varierer fra 0,0005 K for magnesium (Mg) til 23,2 K for den intermetalliske forbindelse af niobium og germanium (Nb 3 Ge, i en film) og 39 K for magnesiumdiborid ( Mg B 2 ) for lav temperatur superledere ( T c under 77 K, kogepunktet for flydende nitrogen), op til ca. 135 K for kviksølvholdige højtemperatur-superledere.
På nuværende tidspunkt har HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fasen den højeste kendte kritiske temperatur, 135 K, og ved et eksternt tryk på 350 tusinde atmosfærer stiger overgangstemperaturen til 164 K, hvilket er kun 19 K mindre end minimumstemperaturen registreret under naturlige forhold på Jordens overflade. Superledere er således i deres udvikling gået fra metallisk kviksølv (4,15 K) til kviksølvholdige højtemperatur-superledere (164 K). I 2000 blev det vist, at let fluorering af ovennævnte kviksølvkeramik gør det muligt at hæve den kritiske temperatur ved almindeligt tryk til 138 K [15] .
Overgangen af et stof til den superledende tilstand er ledsaget af en ændring i dets termiske egenskaber. Denne ændring afhænger dog af den type superledere, der overvejes. Så for superledere af typen Ι, i fravær af et magnetfelt ved overgangstemperaturen T c , forsvinder varmen fra overgangen (absorption eller frigivelse), og følgelig springer varmekapaciteten , hvilket er karakteristisk for fasen overgang af ΙΙ slags . En sådan temperaturafhængighed af varmekapaciteten af superlederens elektroniske delsystem indikerer tilstedeværelsen af et energigab i fordelingen af elektroner mellem superlederens grundtilstand og niveauet af elementære excitationer. Når overgangen fra den superledende tilstand til den normale tilstand udføres ved at ændre det påførte magnetfelt, skal varme absorberes (for eksempel, hvis prøven er termisk isoleret, falder dens temperatur). Og dette svarer til en faseovergang af Ι-ordenen. For superledere af ΙΙ-typen vil overgangen fra superledende til normaltilstand under alle betingelser være en faseovergang af ΙΙ-typen.
En endnu vigtigere egenskab ved en superleder end nul elektrisk modstand er den såkaldte Meissner -effekt , som består i at tvinge et konstant magnetfelt ud af superlederen. Fra denne eksperimentelle observation drages en konklusion om eksistensen af udæmpede strømme nær superlederens overflade, som skaber et indre magnetfelt modsat det eksterne påførte magnetfelt og kompenserer det.
Et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt ved en given temperatur ødelægger stoffets superledende tilstand. Et magnetfelt med en styrke H c , som ved en given temperatur forårsager en overgang af et stof fra en superledende tilstand til en normal tilstand, kaldes kritisk felt . Når temperaturen på superlederen falder, stiger værdien af H c . Temperaturafhængigheden af det kritiske felt beskrives med god nøjagtighed af udtrykket
,
hvor er det kritiske felt ved nul temperatur. Superledning forsvinder også, når en elektrisk strøm med en tæthed større end den kritiske ledes gennem superlederen , da den skaber et magnetfelt, der er større end den kritiske.
Ødelæggelsen af den superledende tilstand under påvirkning af et magnetfelt er forskellig for type I og type II superledere. For type II-superledere er der 2 værdier af det kritiske felt: Hc1 , hvor magnetfeltet trænger ind i superlederen i form af Abrikosov-hvirvler, og Hc2 , hvor superledningsevnen forsvinder.
I 1963 opdagede forskerne Little og Parks, at overgangstemperaturen af en tyndvægget cylinder med lille radius til den superledende tilstand periodisk (med en periode svarende til fluxkvanten ) afhænger af størrelsen af den magnetiske flux . [16] Denne effekt er en af manifestationerne af superledningsevnens makroskopiske kvantenatur. [17] [18]
Den isotopiske effekt i superledere er, at temperaturerne T c er omvendt proportionale med kvadratrødderne af atommasserne af isotoper af det samme superledende element . Som følge heraf adskiller monoisotoppræparater sig noget i kritiske temperaturer fra den naturlige blanding og fra hinanden [19] .
En roterende superleder genererer et magnetfelt, der er præcist justeret med rotationsaksen, det resulterende magnetiske moment kaldes " London-momentet ". Det blev især brugt i den videnskabelige satellit " Gravity Probe B ", hvor magnetfelterne i fire superledende gyroskoper blev målt for at bestemme deres rotationsakse. Da gyroskopernes rotorer var næsten helt glatte kugler , var brugen af London-momentet en af de få måder at bestemme deres rotationsakse på .
En roterende og på samme tid accelererende, det vil sige at øge hastigheden af superlederringen genererer et gravitationsfelt . Eksperimenter relateret til det gravitomagnetiske øjeblik i London blev udført af Martin Taimar fra det østrigske firma ARC Seibersdorf Research og Clovis de Matos fra European Space Agency (ESA) i 2006. Forsøgspersoner målte det gravitomagnetiske felt, der blev skabt kunstigt på denne måde for første gang . Taimar og de Matos mener, at denne effekt forklarer mysteriet i forskellen mellem den tidligere målte masse af Cooper-par med høj nøjagtighed (disse er elektroner , der giver ledningsevne i en superleder) og den samme masse opnået på papir - ifølge kvanteberegningerne teori [20] [21] .
Forskerne kaldte den eksperimentelt opdagede gravitationseffekt for " gravitomagnetisk London-moment ", analogt med en lignende magnetisk effekt: fremkomsten af et magnetfelt under rotationen af en superleder, kaldet " London-momentet " [22] .
Feltet induceret på denne måde var 100 millioner gange svagere end Jordens gravitationsfelt . Og selvom denne effekt blev forudsagt af den generelle relativitetsteori , viste denne feltstyrke sig at være 20 størrelsesordener stærkere end den beregnede værdi [22]
I organisk kemi er der polyatomiske molekyler, der indeholder såkaldte konjugerede bindinger . De udføres ved hjælp af elektroner, der er i stand til at bevæge sig inden for hele molekylet, ligesom elektroner i metaller. Sådanne molekyler er små superledere. Deres egenskaber af superledning er manifesteret i interaktionen af et molekyle med lys, i Meissner-effekten osv. [23]
Kernen i en neutronstjerne kan være i en superledende tilstand med en kritisk temperatur K. I dette tilfælde har bundne neutronpar en bindingsenergi på MeV [23] .
Der er i øjeblikket ingen fuldt tilfredsstillende mikroskopisk teori om superledning [24] .
Allerede på et relativt tidligt stadium i studiet af superledning, i hvert fald efter skabelsen af Ginzburg-Landau teorien , blev det indlysende, at superledning er en konsekvens af foreningen af det makroskopiske antal ledningselektroner til en enkelt kvantemekanisk tilstand. Et træk ved elektroner bundet i et sådant ensemble er, at de ikke kan udveksle energi med gitteret i små portioner, mindre end deres bindingsenergi i ensemblet. Det betyder, at når elektroner bevæger sig i et krystalgitter, ændres elektronernes energi ikke, og stoffet opfører sig som en superleder med nul modstand. Kvantemekaniske overvejelser viser, at der i dette tilfælde ikke er nogen spredning af elektronbølger ved termiske vibrationer af gitteret eller urenheder. Og det betyder fraværet af elektrisk modstand. En sådan forening af partikler er umulig i et ensemble af fermioner. Det er karakteristisk for et ensemble af identiske bosoner. At elektroner i superledere kombineres til bosoniske par, følger af eksperimenter med måling af størrelsen af et magnetisk fluxkvante, som er "frosset" i hule superledende cylindre. Derfor var hovedopgaven med at skabe teorien om superledning allerede i midten af det 20. århundrede udviklingen af en mekanisme til elektronparring. Den første teori, der hævdede at være en mikroskopisk forklaring på årsagerne til superledning, var Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorien , skabt af dem i 1950'erne. Denne teori modtog universel anerkendelse under navnet BCS og blev tildelt Nobelprisen i 1972 . Når de skabte deres teori, stolede forfatterne på isotopeffekten , det vil sige indflydelsen af en isotops masse på den kritiske temperatur af en superleder. Det blev antaget, at dets eksistens direkte indikerer dannelsen af en superledende tilstand på grund af driften af fononmekanismen .
BCS-teorien efterlod nogle spørgsmål ubesvarede. På dets grundlag viste det sig at være umuligt at løse hovedproblemet - at forklare, hvorfor specifikke superledere har en eller anden kritisk temperatur. Derudover viste yderligere eksperimenter med isotopsubstitutioner, at der på grund af anharmoniciteten af nulpunktsvibrationer af ioner i metaller er en direkte effekt af ionens masse på de indre afstande i gitteret og dermed direkte på værdien af metallets Fermi-energi . Derfor blev det klart, at eksistensen af isotopeffekten ikke er bevis for fononmekanismen, som den eneste mulige ansvarlig for parringen af elektroner og fremkomsten af superledning. Utilfredshed med BCS-teorien i senere år førte til forsøg på at skabe andre modeller, såsom spin-fluktuationsmodellen og bipolaron-modellen. Men selvom de overvejede forskellige mekanismer til at kombinere elektroner i par, førte disse udviklinger heller ikke til fremskridt i forståelsen af fænomenet superledning.
Hovedproblemet for BCS-teorien er eksistensen af højtemperatur-superledning , som ikke kan beskrives af denne teori.
Der er gjort betydelige fremskridt med at opnå superledning ved høj temperatur . På basis af cermets, for eksempel sammensætningen af YBa 2 Cu 3 O x , opnås stoffer, for hvilke temperaturen T c af overgangen til den superledende tilstand overstiger 77 K (temperaturen for nitrogen fortætning ). Desværre er næsten alle højtemperatur-superledere ikke teknologisk avancerede (skøre, har ikke stabile egenskaber osv.), som et resultat af, at superledere baseret på niobiumlegeringer stadig hovedsageligt anvendes i teknologien.
Fænomenet superledning bruges til at opnå stærke magnetiske felter (for eksempel i cyklotroner), da der ikke er varmetab under passagen af stærke strømme gennem superlederen, der skaber stærke magnetfelter. Men på grund af det faktum, at magnetfeltet ødelægger superledningstilstanden, bruges såkaldte magnetiske felter til at opnå stærke magnetfelter. superledere af den anden slags, hvor sameksistensen af superledning og magnetfelt er mulig. I sådanne superledere forårsager magnetfeltet udseendet af tynde tråde af normalt metal, der trænger ind i prøven, som hver bærer en kvante af magnetisk flux ( Abrikosov-hvirvler ). Stoffet mellem trådene forbliver superledende. Da der ikke er nogen fuld Meissner-effekt i en type II- superleder , eksisterer superledning op til meget højere værdier af magnetfeltet Hc2 . I teknologi til fremstilling af superledende magneter anvendes følgende superledere hovedsageligt:
Forbindelse | Tc , K | jc , A/cm2 ( T), ved 4,2 K | B c , T (T, K) |
---|---|---|---|
NbTi | 9,5-10,5 | (3-8)⋅10 4 (5) | 12,5-16,5 (1,2) 12 (4,2) |
Nb 3 Sn | 18.1-18.5 | (1-8)⋅10 5 (0) | 24,5-28 (0) |
NbN | 14.5—17.8 | (2—5)⋅10 7 (18) | 25 (1,2) 8-13 (4,2) |
Der findes fotondetektorer baseret på superledere. Nogle bruger tilstedeværelsen af en kritisk strøm, de bruger også Josephson-effekten , Andreev-reflektion osv. Der findes således superledende enkeltfoton-detektorer (SSPD) [25] til detektering af enkeltfotoner i IR-området, som har en række fordele i forhold til detektorer af en lignende rækkevidde ( PMT , osv. .) ved brug af andre registreringsmetoder.
Sammenlignende egenskaber for de mest almindelige IR-detektorer, både ikke-superledende (fire første) og superledende (sidste tre):
Type detektor | Maksimal tællehastighed, s −1 | Kvanteeffektivitet, % | , s− 1 [26] | NEP, W [27] |
---|---|---|---|---|
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu) | 1⋅10 6 | ≈20 | ≈6⋅10 3 | ≈1⋅10 -17 |
R5509-43 PMT (Hamamatsu) | 9⋅10 6 | en | 1,6⋅10 4 | ≈1⋅10 -16 |
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G) | 5⋅10 6 | 0,01 | ≈1⋅10 -16 | - |
Mepsicron II (Quantar) | 1⋅10 6 | 0,001 | 0,1 | - |
STJ | 5⋅10 3 | 60 | - | - |
TES | 5⋅10 3 | 90 | mindre end 1⋅10 -3 | mindre end 1⋅10 -19 |
SSPD | 7⋅10 7 | tredive | mindre end 1⋅10 -3 | 6⋅10 -18 |
Hvirvler i type II superledere kan bruges som hukommelsesceller. Nogle magnetiske solitoner har allerede fundet lignende applikationer . Der er også mere komplekse to- og tredimensionelle magnetiske solitoner, der minder om hvirvler i væsker, kun rollen som strømlinjer i dem spilles af linjer, langs hvilke elementære magneter (domæner) stiller sig op.
Fraværet af varmetab under passagen af jævnstrøm gennem en superleder gør brugen af superledende kabler til levering af elektricitet attraktiv, da et enkelt tyndt jordkabel er i stand til at transmittere strøm, hvilket i den traditionelle metode kræver et kraftledningskredsløb med flere kabler af meget større tykkelse. Problemer, der forhindrer udbredt brug, er omkostningerne til kabler og deres vedligeholdelse - flydende nitrogen skal konstant pumpes gennem superledende ledninger. Den første kommercielle superledende transmissionslinje blev sat i drift af American Superconductor på Long Island , New York i slutningen af juni 2008 [28] . Strømsystemerne i Sydkorea skulle i 2015 skabe superledende elledninger med en samlet længde på 3000 km [29] .
En vigtig applikation findes i miniature superledende ringenheder - SQUIDs , hvis drift er baseret på forholdet mellem ændringer i magnetisk flux og spænding. De er en del af superfølsomme magnetometre, der måler Jordens magnetfelt , og bruges også i medicin til at opnå magnetogrammer af forskellige organer [30] .
Superledere bruges også i maglevs .
Fænomenet med afhængigheden af temperaturen af overgangen til den superledende tilstand på størrelsen af det magnetiske felt bruges i kryotroner - kontrollerede modstande.
I USSR blev turbogeneratorerne KGT-20 og KGT-1000 skabt på basis af superledere i begyndelsen af 1980'erne [31] , [32] . Senere blev verdens første kryogene turbogenerator med en kapacitet på 20 MW skabt på Leningrad Institute of Electrical Engineering (efter at testen var afsluttet, blev den inkluderet i Leningrads strømsystem) [33] .
En lovende retning er skabelsen af superledende elektriske maskiner .
Ordbøger og encyklopædier | ||||
---|---|---|---|---|
|
Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
Faseovergange |
| ||||||||||||||||
Spred systemer | |||||||||||||||||
se også |