Hvad er fænomenet superledning? Superledning er et fænomen med nul elektrisk modstand og frigivelse af magnetiske fluxfelter, der opstår i visse materialer, kaldet superledere, når de afkøles under en karakteristisk kritisk temperatur.
Fænomenet blev opdaget af den hollandske fysiker Heike Kamerling-Onnes den 8. april 1911 i Leiden. Ligesom ferromagnetisme og atomare spektrallinjer er superledning et kvantemekanisk fænomen. Den er kendetegnet ved Meissner-effekten - en fuldstændig udstødning af magnetfeltlinjer inde fra superlederen under dens overgang til superledende tilstand.
Dette er essensen af fænomenet superledning. Fremkomsten af Meissner-effekten indikerer, at superledning ikke blot kan forstås som en idealisering af ideel ledningsevne i klassisk fysik.
Hvad er fænomenet superledning
Den elektriske modstand af en metalleder falder gradvist somsænke temperaturen. I almindelige ledere som kobber eller sølv er denne reduktion begrænset af urenheder og andre defekter. Selv nær det absolutte nul viser en reel prøve af en normal leder en vis modstand. I en superleder falder modstanden kraftigt til nul, når materialet afkøles til under dets kritiske temperatur. Elektrisk strøm gennem en sløjfe af superledende ledning kan opretholdes på ubestemt tid uden en strømkilde. Dette er svaret på spørgsmålet, hvad er fænomenet superledning.
Historie
I 1911, mens de studerede stofs egenskaber ved meget lave temperaturer, opdagede den hollandske fysiker Heike Kamerling Onnes og hans team, at kviksølvs elektriske modstand falder til nul under 4,2 K (-269°C). Dette var den allerførste observation af fænomenet superledning. De fleste kemiske grundstoffer bliver superledende ved lave nok temperaturer.
Under en vis kritisk temperatur går materialer over i en superledende tilstand, karakteriseret ved to hovedegenskaber: For det første modstår de ikke passage af elektrisk strøm. Når modstanden falder til nul, kan strøm cirkulere i materialet uden energitab.
For det andet, forudsat at de er tilstrækkeligt svage, trænger eksterne magnetiske felter ikke ind i superlederen, men forbliver på dens overflade. Dette feltuddrivelsesfænomen blev kendt som Meissner-effekten, efter at det første gang blev observeret af en fysiker i 1933.
Tre navne, tre bogstaver og en ufuldstændig teori
Almindelig fysik giver ikke tilstrækkeligforklaringer på den superledende tilstand, samt den elementære kvanteteori for den faste tilstand, som betragter elektronernes adfærd adskilt fra ioners adfærd i et krystalgitter.
Først i 1957 skabte tre amerikanske forskere - John Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer den mikroskopiske teori om superledning. Ifølge deres BCS-teori samler elektroner sig i par gennem interaktion med gittervibrationer (såkaldte "fononer") og danner således Cooper-par, der bevæger sig uden friktion inde i et fast stof. Et fast stof kan ses som et gitter af positive ioner nedsænket i en sky af elektroner. Når en elektron passerer gennem dette gitter, bevæger ionerne sig lidt, idet de tiltrækkes af elektronens negative ladning. Denne bevægelse genererer et elektrisk positivt område, som igen tiltrækker en anden elektron.
Energien af den elektroniske interaktion er ret svag, og dampe kan let brydes op af termisk energi - så superledning forekommer norm alt ved meget lave temperaturer. BCS-teorien giver dog ikke en forklaring på eksistensen af højtemperatur-superledere ved omkring 80 K (-193 °C) og derover, for hvilke andre elektronbindende mekanismer skal være involveret. Anvendelsen af fænomenet superledning er baseret på ovenstående proces.
Temperatur
I 1986 blev nogle keramiske materialer af kuprat-perovskit fundet at have kritiske temperaturer over 90 K (-183 °C). Denne høje overgangstemperatur er teoretiskumuligt for en konventionel superleder, hvilket fører til, at materialer omtales som højtemperatur-superledere. Tilgængeligt kølende flydende nitrogen koger ved 77 K, og dermed letter superledning ved temperaturer højere end disse mange eksperimenter og anvendelser, der er mindre praktiske ved lavere temperaturer. Dette er svaret på spørgsmålet, ved hvilken temperatur opstår fænomenet superledning.
Klassificering
Superledere kan klassificeres efter flere kriterier, der afhænger af vores interesse for deres fysiske egenskaber, af den forståelse, vi har om dem, af hvor dyrt det er at køle dem, eller af det materiale, de er lavet af.
Ved sine magnetiske egenskaber
Type I-superledere: dem, der kun har ét kritisk felt, Hc, og pludselig går fra en tilstand til en anden, når den nås.
Type II-superledere: med to kritiske felter, Hc1 og Hc2, der er perfekte superledere under det nedre kritiske felt (Hc1) og fuldstændigt forlader den superledende tilstand over det øvre kritiske felt (Hc2), idet de er i en blandet tilstand mellem de kritiske felter.
Som vi forstår dem om dem
Almindelige superledere: dem, der fuldt ud kan forklares af BCS-teori eller relaterede teorier.
Ukonventionelle superledere: dem, der ikke kunne forklares ved hjælp af sådanne teorier, for eksempel: tunge fermioniskesuperledere.
Dette kriterium er vigtigt, fordi BCS-teorien har forklaret konventionelle superlederes egenskaber siden 1957, men på den anden side har der ikke været nogen tilfredsstillende teori til at forklare de helt ukonventionelle superledere. I de fleste tilfælde er Type I-superledere almindelige, men der er nogle få undtagelser, såsom niobium, som både er almindeligt og Type II.
Ved deres kritiske temperatur
Lavtemperatur-superledere eller LTS: dem, hvis kritiske temperatur er under 30 K.
Højtemperatursuperledere eller HTS: dem, hvis kritiske temperatur er over 30 K. Nogle bruger nu 77 K som en adskillelse for at understrege, om vi kan afkøle prøven med flydende nitrogen (hvis kogepunkt er 77 K), hvilket er meget mere gennemførligt end flydende helium (et alternativ til at nå de temperaturer, der er nødvendige for at producere lavtemperatur-superledere).
Andre detaljer
En superleder kan være type I, hvilket betyder, at den har et enkelt kritisk felt, over hvilket al superledning går tabt, og under hvilket magnetfeltet er fuldstændig elimineret fra superlederen. Type II, hvilket betyder, at den har to kritiske felter, mellem hvilke den tillader delvis indtrængning af magnetfeltet gennem isolerede punkter. Disse punkter kaldes hvirvler. I multikomponent superledere er en kombination af to adfærd desuden mulig. I dette tilfælde er superlederen af type 1, 5.
Properties
De fleste af de fysiske egenskaber ved superledere varierer fra materiale til materiale, såsom varmekapacitet og kritisk temperatur, kritisk felt og kritisk strømtæthed, ved hvilken superledning bryder sammen.
På den anden side er der en klasse af egenskaber, der er uafhængige af grundmaterialet. For eksempel har alle superledere absolut nul resistivitet ved lave påførte strømme, når der ikke er noget magnetfelt, eller når det påførte felt ikke overstiger en kritisk værdi.
Tilstedeværelsen af disse universelle egenskaber indebærer, at superledning er en termodynamisk fase og derfor har visse karakteristiske egenskaber, der stort set er uafhængige af mikroskopiske detaljer.
Situationen er anderledes i superlederen. I en konventionel superleder kan elektronvæsken ikke adskilles i individuelle elektroner. I stedet består den af bundne elektronpar kendt som Cooper-par. Denne parring er forårsaget af den tiltrækningskraft mellem elektroner, der er et resultat af udvekslingen af fononer. På grund af kvantemekanikken har energispektret for denne væske i Cooper-parret et energigab, det vil sige, at der er en minimumsmængde af energi ΔE, der skal tilføres for at excitere væsken.
Derfor, hvis ΔE er større end den termiske energi af gitteret givet af kT, hvor k er Boltzmann-konstanten og T er temperaturen, vil væsken ikke blive spredt af gitteret. SåCooper dampvæsken er således superflydende, hvilket betyder, at den kan flyde uden at sprede energi.
Superledningsegenskaber
I superledende materialer vises superledningsegenskaber, når temperaturen T falder til under den kritiske temperatur Tc. Værdien af denne kritiske temperatur varierer fra materiale til materiale. Konventionelle superledere har typisk kritiske temperaturer fra omkring 20 K til mindre end 1 K.
For eksempel har fast kviksølv en kritisk temperatur på 4,2 K. Fra 2015 er den højeste kritiske temperatur fundet for en konventionel superleder 203 K for H2S, selvom et højt tryk på omkring 90 gigapascal var påkrævet. Cuprat-superledere kan have meget højere kritiske temperaturer: YBa2Cu3O7, en af de første opdagede cuprat-superledere, har en kritisk temperatur på 92 K, og der er fundet kviksølvbaserede kuprater med kritiske temperaturer på over 130 K. Forklaringen på disse høje kritiske temperaturer er fortsat ukendt.
Elektronparring på grund af fononudvekslinger forklarer superledning i konventionelle superledere, men forklarer ikke superledning i nyere superledere, som har en meget høj kritisk temperatur.
Magnetiske felter
Tilsvarende stopper superledende materialer ved en fast temperatur under den kritiske temperatur med at superledende, når der påføres et eksternt magnetfelt, der er større endkritisk magnetfelt. Dette skyldes, at den superledende fases Gibbs frie energi øges kvadratisk med magnetfeltet, mens normalfasens frie energi tilnærmelsesvis er uafhængig af magnetfeltet.
Hvis materialet er superledende i fravær af et felt, så er den frie energi i den superledende fase mindre end den for normalfasen, og derfor for en eller anden endelig værdi af magnetfeltet (proportional med kvadratet) roden af forskellen i frie energier ved nul), vil de to frie energier være lige store, og der vil være en faseovergang til den normale fase. Mere generelt resulterer en højere temperatur og et stærkere magnetfelt i en mindre andel af superledende elektroner og derfor en større dybde af penetration i London af eksterne magnetfelter og strømme. Indtrængningsdybden bliver uendelig ved faseovergangen.
Fysisk
Begyndelsen af superledning er ledsaget af pludselige ændringer i forskellige fysiske egenskaber, hvilket er kendetegnende for en faseovergang. For eksempel er elektronvarmekapaciteten proportional med temperaturen i det normale (ikke superledende) regime. Ved den superledende overgang oplever den et hop, og derefter holder den op med at være lineær. Ved lave temperaturer ændres den i stedet for e−α/T for en eller anden konstant α. Denne eksponentielle adfærd er et af beviserne for eksistensen af et energigab.
Faseovergang
Forklaringen på fænomenet superledning er ganskenaturligvis. Rækkefølgen af den superledende faseovergang har været diskuteret i lang tid. Eksperimenter viser, at der ikke er nogen andenordens overgang, det vil sige latent varme. Men i nærvær af et eksternt magnetfelt er der latent varme, fordi den superledende fase har en lavere entropi, lavere end den kritiske temperatur, end den normale fase.
Eksperimentelt demonstreret følgende: når magnetfeltet stiger og går ud over det kritiske felt, fører den resulterende faseovergang til et fald i temperaturen af det superledende materiale. Fænomenet superledning er blevet kort beskrevet ovenfor, nu er det tid til at fortælle dig noget om nuancerne af denne vigtige effekt.
Beregninger foretaget i 1970'erne viste, at den faktisk kunne være svagere end den første orden på grund af indflydelsen fra langdistanceudsving i det elektromagnetiske felt. I 1980'erne blev det teoretisk vist ved hjælp af lidelsesfeltteori, hvor superlederhvirvellinjer spiller en stor rolle, at overgangen er anden orden i type II-mode og første orden (dvs. latent varme) i type I-mode, og at de to regioner er adskilt af et trikritisk punkt.
Resultaterne blev stærkt bekræftet af computersimuleringer i Monte Carlo. Dette spillede en vigtig rolle i studiet af fænomenet superledning. Arbejdet fortsætter på nuværende tidspunkt. Essensen af fænomenet superledning er ikke fuldt ud forstået og forklaret fra den moderne videnskabs synspunkt.
