Supravodivost
Supravodivost je fenomén, který se objevuje v jistý materiály u nízkých teplot, charakterizovaný kompletní nepřítomností elektrického odporu a zmírnění vnitřku magnetické pole ( Meissner účinek.)
Supravodivost se vyskytuje v široké paletě materiálů, včetně jednoduchých elementů jako cín a hliník, různý kovový slitiny, někteří těžce-dopoval polovodiče, a jistý keramika smíchá obsahující letadla mědi a kyslík atomy. Druhá třída separací, známý jako cuprates, být vysoký-superconducters teploty. Supravodivost se nevyskytuje v ušlechtilých kovech jako zlato a stříbro, ani v kovech ferromagnetic takový jako železo (ačkoli železo může být obrácené do supravodiče tím, že podřizuje to velmi vysokým tlakům).
V konvenčních supravodičích, supravodivost je způsobena sílou přitažlivosti mezitím jistý electronss vedení se vynořit z výměny fononů, který způsobí tekutinu elektronů vedení vystavit superfluid fáze skládala sladil páry elektronů. Tam také existuje třída materiálů, známý jako nekonvenční supravodiče, ta supravodivost exponátu ale jehož fyzikální vlastnosti odporovat teorii konvenčních supravodičů. Zvláště, takzvaný vysoce-supravodiče teploty superconduct u teplot hodně vyšší než should být možný shodovat se ke konvenční teorii (ačkoli ještě daleký pod pokojovou teplotou.) tam je současně žádná kompletní teorie vysoce-supravodivost teploty.
| Tabulka s obsahem |
| 1 základní vlastnosti supravodičů 2 teorie supravodivosti 3 minulost supravodivosti 4 technologické aplikace supravodivosti 5 odkazů |
Základní vlastnosti supravodičů
Většina z fyzikálních vlastností supravodičů se lišit od materiálu k materiálu, takový jako tepelná kapacita a kritická teplota u kterého supravodivost je zničena. Na druhé straně, tam je třída vlastností, které jsou nezávislé na základovém materiálu. Například, všechny supravodiče mají přesně resistivity nuly k minimu aplikoval proudy, když není tam žádný dar magnetického pole. Existence těchto “univerzální” vlastnosti znamenají, že supravodivost je fáze thermodynamic, a tak posednout jisté odlišující vlastnosti, které jsou velmi nezávislé na mikroskopických detailech.
Předpokládejte, že my jsme měli pokoušet se změřit elektrický odpor kusu supravodiče. Nejjednodušší metoda má dát vzorek do elektrického obvodu, v sériích se zdrojem napětí V (takový jako baterie), a změřit výsledný proud. Jestliže my opatrně odpovídáme za odpor R zbývajících obvodových elementů (takový jako spojování vedení vzorek ke zbytku obvodu), my bychom shledali, že proud je jednoduše V/R. Shodovat se k Ohm právu, toto znamená, že odpor supravodivého vzorku je nulový.
V normálním dirigentovi, elektrický proud může být zobrazil jako tekutina pohybování elektronů napříč těžký iontová mříž. Elektrony stále se srazí s ionty v mříži, a během každé srážky některá ta energie vysílala proudem je zaujatý mříží a přeměnil na teplo (který je nezbytně vibrational kinetická energie iontů mříže.) jako výsledek, energie nesená proudem stále je prostopášná. Toto je jev elektrického odporu.
Situace je různá v supravodiči. V tradičním supravodiči, elektronická tekutina nemůže být rozdělena do individuálních elektronů, místo toho sestávat z svázal páry elektronů známých jako Cooper páry. Tento pár je způsoben přitažlivou sílou mezi elektrony od výměny fononů. Náležitý k kvantové mechanice, spektrum energie tohoto páru Coopera tekutina posedne zakázaný pás, význam tam je minimální množství energie a Delta; E to musí být dodáváno aby rozrušil tekutinu. Proto, jestliže a Delta; E je větší než tepelná energie mříže (daný kT, kde k je Boltzmann konstanta a T je teplota), tekutina nebude být rozhazována mříží. Cooper párová tekutina je tak superfluid, znamenat, že to může téct bez ztráty energie. Experimenty mají ve skutečnosti demonstroval, že proudy v supravodivých prstenech přetrvávají po celá léta bez nějaké měřitelné degradace.
(Poznámka: vlastně, ve třídě supravodičů známých jako typ II supravodiče, malé množství resistivity se objeví, když silné magnetické pole a elektrický proud jsou aplikováni. Toto je způsobené pohybem vírů v elektronickém superfluid, který rozptýlí některé energie nesené proudem. Jestliže proud je dostatečně malý, víry jsou pevné a resistivity zmizí.)
V supravodivých materiálech, charakteristiky supravodivosti se objeví když teplota T je snížen pod kritickou teplotou c. Hodnota této kritické teploty se liší od materiálu k materiálu. Konvenční supravodiče obvykle mají kritické teploty sahat od méně než 1K kolem 20K. Pevná látka rtuť, například, má kritickou teplotu 4.2K. Jak 2001, nejvyšší kritická teplota najitá pro konvenční supravodič 39K pro magnesium boride (MgB2), ačkoli tento materiál projeví dost exotické vlastnosti to tam je pochybnost okolo klasifikovat to jako “konvenční” supravodič. Cuprate supravodiče mohou mít mnohem vyšší kritické teploty: YBa2Cu3O7, jeden z prvních cuprate supravodičů být objeven, má kritickou teplotu 92K a rtuť-založené cuprates byly najité s kritickými teplotami nad míru 130K. Vysvětlení pro tyto vysoké kritické teploty zůstane neznámem.
Počátek supravodivosti je doprovázen náhlými změnami v různých fyzikálních vlastnostech, který je punc fázového přechodu. Například, elektronická tepelná kapacita je úměrná teplotě v normální (non-supravodivý) režim. U supravodivého přechodu, to snese nesouvislý skok a potom přestane být lineární. U nízkých teplot, to se mění místo toho jak - a alpha; / T pro nějakou konstantu a alpha;. (toto exponenciální chování je jeden z kusů důkazu pro existenci zakázaného pásu.)
Chování tepelné kapacity (C) a resistivity (a rho;) u supravodivého fázového přechodu
Pořadí supravodivého fázového přechodu je ještě věc debaty. To dlouho bylo si myslel, že přechod je sekunda-objednat, mínit není tam žádné skupenské teplo. Nicméně, nedávné vypočítavosti navrhly, že to může vlastně být slabě nejprve-objednat náležitý k účinku dalekonosných fluktuací v elektromagnetickém poli.
Když supravodič je umístěn v slabý externí magnetické pole H, pole pronikne pro jediný krátká vzdálenost a lambda;, volal hloubku vniku, po kterém to se rozkládá rychle k nule. Toto je nazýváno Meissner účinkem. Pro většinu supravodičů, hloubka vniku je na pořadí angstroms tisíce (-7m.)
Meissner účinek je někdy zmaten “dokonalým diamagnetism” jeden by čekal v dokonalém elektrickém vodiči: shodovat se k Lenzovu zákonu, když měnící se magnetické pole je aplikováno na dirigenta, to přiměje elektrický proud v dirigentovi, který vytvoří nepřátelské magnetické pole. V dokonalém dirigentovi, libovolně velký proud může být přiměn a výsledné magnetické pole přesně zruší aplikované pole.
Meissner účinek je odlišný od dokonalého diamagnetism, protože supravodič vyloučí všechny magnetická pole, ne jen ti to se mění. Předpokládat, že my máme materiál v jeho normálním stavu, obsahovat konstantní interní magnetické pole. Když materiál je zchlazen pod kritickou teplotou, my bychom pozorovali to neočekávaný expulsion interního magnetického pole, který my bychom nečekali založený na Lenzově zákonu.
Meissner účinek byl vysvětlen Londýnem a Londýnem, kdo ukázal, že elektromagnetický volná energie v supravodiči je minimalizován poskytovaný
Meissner účinek se porouchá, když aplikované magnetické pole je příliš velké. Supravodiče mohou být rozděleny do dvou tříd shodovat se k jak toto zhroucení nastane. V Psát já supravodiče, supravodivost je neočekávaně zničena, když síla aplikovaného pole se povznese nad kritickou hodnotu c. Se spoléhat na geometrii vzorku, jeden může dostat přechodný stav se sestávat oblastí normálního materiálního přepravování magnetické pole se míchalo s oblastmi supravodivého materiálu obsahovat žádné pole. V Psát II supravodiče, zvyšovat aplikované pole podél kritické hodnoty c1 vede k smíšenému státu ve kterém rostoucí množství magnetického toku pronikne materiál, ale tam zůstane žádným odporem vůči proudu elektrického proudu jak dlouho jak proud není příliš velký. U druhé kritické síly pole c2, supravodivost je zničena. Smíšený stát je vlastně zapříčiněný víry v elektronickém superfluid, někdy volal “fluxons” protože tok nesený těmito víry je quantized. Nejvíce čistý základní supravodiče (kromě niobu) jsou typ já, zatímco téměř všechny nečisté a složené supravodiče jsou typ II.
Variace interního magnetického pole (B) s aplikovaným vnějším magnetickým polem (H) pro typ já a psát II supravodiče
Od objevu supravodivosti, velké snahy byly oddané nálezu ven jak a proč to pracuje. Během padesátých lét, teoretičtí zhuštění záležitostní fyzici přišli k pevnému chápání “konvenční” supravodivosti, přes pár významných a důležitých teorií: fenomenologický Ginzburg-Landau teorie (1950) a mikroskopický BCS teorie (1957).
Supravodivost byla objevena v 1911 Onnes, kdo studoval resistivity pevné látky rtuť u cryogenic používání teplot nedávno-objevil kapalinu hélium jak osvěžující. Při teplotě 4.2K, on poznamenal, že resistivity neočekávaně mizel. Pro tento objev, on získal Nobelovu cenu ve fyzice v 1913.
V následujících dekádách, supravodivost byla nalezená v několika jiných materiálech. V 1913, vedení nalézalo se k superconduct u 7K, a v 1941 nitrid niobu nalézal se k superconduct u 16K.
Příští důležitý krok v rozumějící supravodivosti vyskytoval se v 1933, když Meissner a Oschenfeld objevil, že supravodiče vyhnaly aplikovaná magnetická pole, jev, který přišel být známý jak Meissner účinek. V 1935, F. a H. London ukázal, že Meissner účinek byl důsledek minimization elektromagnetický volná energie vysílala supravodivým proudem.
V 1950, fenomenologický Ginzburg-Landau teorie supravodivosti byl navržený Landauem a Ginzburg. Tato teorie, který spojil Landauovu teorii sekundy-objednávat fázové přechody s Schrödinger- jako vlnová rovnice, měl velký úspěch v vysvětlovat macroscopic vlastnosti superconducters. Zvláště, Abrikosov ukazoval ten Ginzburg-Landau teorie předpovídá rozdělení supravodičů do dvou kategorií nyní odkazovalo se na jako typ já a psát II. Abrikosov a Ginzburg získal Nobelovu cenu pro tyto práce v 2003.
Také v 1950, Maxwell a Reynolds et. al. shledal, že kritická teplota supravodiče závisí na izotopové hmotě voliče element. Tento důležitý objev směřoval k elektronu-vzájemné ovlivňování fonona jako mikroskopický mechanismus zodpovědný za supravodivost.
Kompletní mikroskopická teorie supravodivosti byla nakonec navrhována v 1957 Bardeen, Cooper, a Schrieffer. Tato BCS teorie vysvětlila supravodivý proud jak superfluid “Cooper párů”, páry elektronů se ovlivňovat přes výměnu fononů. Pro tuto práci, autoři získali Nobelovu cenu v 1972.
BCS teorie byla upnutá na pevnější základ v 1958, když Bogoliubov ukázal, že BCS wavefunction, který původně byl odvozen z argumentu variational, mohl být získán používat kanonickou transformaci elektronický Hamiltonian. V 1959, Gor'kov ukázal, že BCS teorie sesadila na Ginzburg-Landau teorie blízká kritické teplotě.
V 1962, první komerční supravodivý drát, niob-slitina titanu, byl vyvinut výzkumníky u Westinghouse. Ve stejném roku, Josephson dělal důležitou teoretickou předpověď že supercurrent může proudit mezi dvěma kusy supravodiče odděleného tenkou vrstvou izolační látky. Tento jev, nyní volal Josephson účinek, je využíván supravodivýma zařízeními takový jako chobotnice. To je použito v nejpřesnějších dostupných měřeních magnetický tok quantum h/e, a tak (spojený s kvantovým Hall resistivity) pro Planck konstantu h. Josephson získal Nobelovu cenu pro tuto práci v 1973.
V 1986, Bednorz a Mueller objevil supravodivost v lanthanum- založené cuprate perovskite materiál, který měl přechodovou teplotu 35K (Nobelova cena ve fyzice, 1987). To bylo brzy našel to narazení lanthanum s yttrium zvýšil kritickou teplotu k 92K, který byl důležitý protože kapalina dusík mohl pak být používán jak osvěžující (u atmosferického tlaku, bod varu dusíku je 77K.) mnoho jiné cuprate supravodiče mají protože been zjistil, a teorie supravodivosti v těchto materiálech je jeden z hlavních význačných výzev teoretický zhuštěná záležitostní fyzika.
Technologické aplikace supravodivosti
Některé technologické inovace těžit z objevu supravodivosti zahrnovat citlivé magnetometers založené na chobotnicích, digitální obvody (např. založený na RSFQ logice), Magnetický Resonance Imaging, paprsek-kormidlovat magnety v urychlovačích částic, elektrické elektrické přenosové kabely a mikrovlnné filtry (např., pro mobilní telefonní základní stanice). Slibná budoucnost průmyslové a komerční aplikace zahrnují transformátory, užitečný objem, motory na elektřinu a magnetická levitation zařízení. Většina aplikací zaměstná studnu-rozuměl konvenčním supravodičům, ale to je očekával, že vysoce-supravodiče teploty brzy stanou se více ekonomické v mnoha případech.
Viz též: Časová osa technologie nízké teploty.
- H.K. Onnes, Commun. Phys. Laboratoř. 12, 120 (1911)
- W. Meissner a R. Oschenfeld, Naturwiss. \21, 787 (1933)
- F. London a H. London, Proc. R. Soc. Londýn A149, 71 (1935)
- V.L. Ginzburg a L.D. Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20, 1064 (1950)
- E.Maxwell, Phys. Túrovat. 78, 477 (1950)
- C.A. Reynolds et. al., Phys. Túrovat. 78, 487 (1950)
- J. Bardeen, L.N. Cooper, a J.R. Schrieffer, Phys. Túrovat. 108, 1175 (1957)
- N.N. Bogoliubov, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 34, 58 (1958)
- L.P. Gor'kov, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 36, 1364 (1959)
- B.D. Josephson, Phys. Lett. 1, 251 (1962)
- J.G. Bednorz a K.A. Mueller, Z. Phys. B64, 189 (1986)