Mis on ülijuhtivuse fenomen? Ülijuhtivus on nähtus, mille elektritakistus on null ja magnetvooväljade vabanemine teatud materjalides, mida nimetatakse ülijuhtideks, jahutamisel alla iseloomuliku kriitilise temperatuuri.
Nähtuse avastas Hollandi füüsik Heike Kamerling-Onnes 8. aprillil 1911 Leidenis. Nagu ferromagnetism ja aatomi spektrijooned, on ülijuhtivus kvantmehaaniline nähtus. Seda iseloomustab Meissneri efekt – magnetvälja joonte täielik väljutamine ülijuhi seest ülijuhtivasse olekusse ülemineku ajal.
See on ülijuhtivuse nähtuse olemus. Meissneri efekti ilmnemine näitab, et ülijuhtivust ei saa mõista lihts alt ideaalse juhtivuse idealiseerimisena klassikalises füüsikas.
Mis on ülijuhtivuse fenomen
Metalljuhi elektritakistus väheneb järk-järgulttemperatuuri langetamine. Tavalistes juhtmetes, nagu vask või hõbe, piiravad seda vähenemist lisandid ja muud vead. Isegi absoluutse nulli lähedal näitab normaalse juhi tegelik näidis teatud takistust. Ülijuhis langeb takistus järsult nullini, kui materjal jahutatakse alla selle kriitilise temperatuuri. Elektrivoolu ülijuhtiva traadi silmuse kaudu saab ilma toiteallikata säilitada lõputult. See on vastus küsimusele, mis on ülijuhtivuse fenomen.
Ajalugu
Aastal 1911, uurides aine omadusi väga madalatel temperatuuridel, avastasid Hollandi füüsik Heike Kamerling Onnes ja tema meeskond, et elavhõbeda elektritakistus langeb nullini alla 4,2 K (-269 °C). See oli ülijuhtivuse nähtuse esimene vaatlus. Enamik keemilisi elemente muutub ülijuhtivaks piisav alt madalatel temperatuuridel.
Alla teatud kriitilist temperatuuri lähevad materjalid ülijuhtivasse olekusse, mida iseloomustavad kaks peamist omadust: esiteks ei pea nad vastu elektrivoolu läbimisele. Kui takistus langeb nullini, võib vool materjalis ringelda ilma energia hajumiseta.
Teiseks, eeldusel, et need on piisav alt nõrgad, ei tungi välised magnetväljad ülijuhist läbi, vaid jäävad selle pinnale. Seda väljatõrjumise nähtust hakati nimetama Meissneri efektiks pärast seda, kui füüsik seda esimest korda 1933. aastal täheldas.
Kolm nime, kolm tähte ja puudulik teooria
Tavaline füüsika ei anna adekvaatsetülijuhtiva oleku seletused, samuti tahke oleku elementaarne kvantteooria, mis käsitleb elektronide käitumist ioonide käitumisest kristallvõres eraldi.
Alles 1957. aastal lõid kolm Ameerika teadlast – John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer mikroskoopilise ülijuhtivuse teooria. Nende BCS-teooria kohaselt koonduvad elektronid paarideks interaktsiooni kaudu võre vibratsioonidega (nn "fonoonid"), moodustades seega Cooperi paare, mis liiguvad tahke aine sees hõõrdumiseta. Tahket ainet võib vaadelda positiivsete ioonide võrena, mis on sukeldatud elektronide pilve. Kui elektron läbib selle võre, liiguvad ioonid veidi, neid tõmbab elektroni negatiivne laeng. See liikumine tekitab elektriliselt positiivse piirkonna, mis omakorda tõmbab ligi teise elektroni.
Elektroonilise interaktsiooni energia on üsna nõrk ja aurud võivad soojusenergia abil kergesti laguneda – seega tekib ülijuhtivus tavaliselt väga madalatel temperatuuridel. Kuid BCS-teooria ei anna selgitust kõrge temperatuuriga ülijuhtide olemasolule temperatuuril umbes 80 K (-193 ° C) ja kõrgemal, mille jaoks peavad olema kaasatud muud elektronide sidumismehhanismid. Ülijuhtivuse fenomeni rakendamine põhineb ül altoodud protsessil.
Temperatuur
1986. aastal leiti, et mõnede kupraat-perovskiitkeraamiliste materjalide kriitiline temperatuur oli üle 90 K (-183 °C). See kõrge ristmiku temperatuur on teoreetiliselttavapärase ülijuhi jaoks võimatu, mistõttu materjale nimetatakse kõrgtemperatuurilisteks ülijuhtideks. Saadaolev jahutus vedel lämmastik keeb temperatuuril 77 K ja seega hõlbustab ülijuhtivus kõrgematel temperatuuridel paljusid katseid ja rakendusi, mis on madalamatel temperatuuridel vähem praktilised. See on vastus küsimusele, millisel temperatuuril ülijuhtivuse nähtus ilmneb.
Klassifikatsioon
Ülijuhte saab klassifitseerida mitme kriteeriumi alusel, mis sõltuvad meie huvist nende füüsikaliste omaduste vastu, sellest, kuidas me nende kohta mõistame, kui kallis on nende jahutamine või materjalist, millest need on valmistatud.
Oma magnetiliste omaduste poolest
I tüüpi ülijuhid: need, millel on ainult üks kriitiline väli, Hc, ja mis lähevad selle saavutamisel järsult üle ühest olekust teise.
II tüüpi ülijuhid: neil on kaks kriitilist välja, Hc1 ja Hc2, mis on täiuslikud ülijuhid alumise kriitilise välja (Hc1) all ja jätavad ülijuhtivuse täielikult ülemise kriitilise välja (Hc2) kohale, olles segatud olekus kriitilised väljad.
Nagu me neist aru saame
Tavalised ülijuhid: need, mida saab täielikult seletada BCS-teooria või sellega seotud teooriatega.
Ebakonventsionaalsed ülijuhid: need, mida ei saa selliste teooriate abil seletada, näiteks: rasked fermioonilisedülijuhid.
See kriteerium on oluline, sest BCS-teooria on tavapäraste ülijuhtide omadusi selgitanud juba aastast 1957, kuid teisest küljest pole olnud rahuldavat teooriat täiesti ebatavaliste ülijuhtide selgitamiseks. Enamikul juhtudel on I tüüpi ülijuhid tavalised, kuid on ka mõned erandid, näiteks nioobium, mis on nii tavaline kui ka II tüüpi ülijuht.
Nende kriitilise temperatuuri järgi
Madala temperatuuriga ülijuhid ehk LTS: need, mille kriitiline temperatuur on alla 30 K.
Kõrge temperatuuriga ülijuhid ehk HTS: need, mille kriitiline temperatuur on üle 30 K. Mõned kasutavad nüüd eraldamiseks 77 K, et rõhutada, kas saame proovi jahutada vedela lämmastikuga (mille keemistemperatuur on 77 K), mis on palju teostatavam kui vedel heelium (alternatiiv madalatemperatuuriliste ülijuhtide tootmiseks vajalike temperatuuride saavutamiseks).
Muud üksikasjad
Ülijuht võib olla I tüüpi, mis tähendab, et sellel on üks kriitiline väli, millest kõrgemal kaob kogu ülijuhtivus ja millest allpool on ülijuhist magnetväli täielikult elimineeritud. II tüüp, mis tähendab, et sellel on kaks kriitilist välja, mille vahel see võimaldab magnetvälja osalist tungimist läbi eraldatud punktide. Neid punkte nimetatakse keeristeks. Lisaks on mitmekomponentsete ülijuhtide puhul võimalik kahe käitumise kombinatsioon. Sel juhul on ülijuht tüüpi 1, 5.
Atribuudid
Enamik ülijuhtide füüsikalisi omadusi on materjaliti erinevad, näiteks soojusmahtuvus ja kriitiline temperatuur, kriitiline väli ja kriitiline voolutihedus, mille juures ülijuhtivus laguneb.
Teisest küljest on olemas omaduste klass, mis on alusmaterjalist sõltumatud. Näiteks on kõikide ülijuhtide takistus absoluutselt null madalate rakendatud voolude korral, kui magnetväli puudub või kui rakendatav väli ei ületa kriitilist väärtust.
Nende universaalsete omaduste olemasolu viitab sellele, et ülijuhtivus on termodünaamiline faas ja seetõttu on sellel teatud iseloomulikud omadused, mis on suures osas sõltumatud mikroskoopilistest detailidest.
Ülijuhi puhul on olukord teistsugune. Tavalises ülijuhis ei saa elektronvedelikku eraldada üksikuteks elektronideks. Selle asemel koosneb see seotud elektronide paaridest, mida tuntakse Cooperi paaridena. Selle sidumise põhjustab elektronide vaheline tõmbejõud, mis tuleneb fonoonide vahetusest. Kvantmehaanika tõttu on selle Cooperi paari vedeliku energiaspektris energiavahe, see tähendab, et vedeliku ergastamiseks tuleb varustada minimaalne energiakogus ΔE.
Seetõttu, kui ΔE on suurem kui võre soojusenergia, mis on antud väärtusega kT, kus k on Boltzmanni konstant ja T on temperatuur, ei haju vedelik võre poolt laiali. NiisiisSeega on Cooperi auruvedelik ülivedelik, mis tähendab, et see võib voolata energiat hajutamata.
Ülijuhtivusomadused
Ülijuhtivate materjalide puhul ilmnevad ülijuhtivusnäitajad, kui temperatuur T langeb alla kriitilise temperatuuri Tc. Selle kriitilise temperatuuri väärtus on materjaliti erinev. Tavaliste ülijuhtide kriitilised temperatuurid jäävad tavaliselt vahemikku umbes 20 K kuni alla 1 K.
Näiteks tahke elavhõbeda kriitiline temperatuur on 4,2 K. 2015. aasta seisuga on tavapärase ülijuhi kõrgeim kriitiline temperatuur H2S puhul 203 K, kuigi vaja oli umbes 90 gigapaskali suurust kõrget rõhku. Kupraadist ülijuhtidel võib olla palju kõrgem kriitiline temperatuur: YBa2Cu3O7, üks esimesi avastatud kupraatülijuhte, on 92 K ja on leitud elavhõbedapõhiseid kupraate, mille kriitiline temperatuur ületab 130 K. Nende kõrgete kriitiliste temperatuuride seletus on endiselt olemas teadmata.
Fonoonivahetusest tingitud elektronide sidumine selgitab ülijuhtivust tavalistes ülijuhtides, kuid ei seleta ülijuhtivust uuemates ülijuhtides, mille kriitiline temperatuur on väga kõrge.
Magnetväljad
Samamoodi, fikseeritud temperatuuril alla kriitilise temperatuuri, lõpetavad ülijuhtivad materjalid ülijuhtivuse, kui rakendatakse välist magnetvälja, mis on suurem kuikriitiline magnetväli. Selle põhjuseks on asjaolu, et ülijuhtiva faasi Gibbsi vaba energia suureneb koos magnetväljaga nelinurkselt, samas kui normaalfaasi vaba energia on magnetväljast ligikaudu sõltumatu.
Kui materjal on ülijuhtiv välja puudumisel, on ülijuhtiva faasi vaba energia väiksem kui normaalfaasi oma ja seetõttu on magnetvälja mingi lõpliku väärtuse korral (proportsionaalne ruuduga) vabade energiate erinevuse juur nullis), on kaks vaba energiat võrdsed ja toimub faasiüleminek normaalfaasi. Üldisem alt põhjustab kõrgem temperatuur ja tugevam magnetväli väiksema ülijuhtivate elektronide osakaalu ja seetõttu väliste magnetväljade ja voolude suurema läbitungimise sügavuse Londonisse. Läbitungimissügavus muutub faasisiirde korral lõpmatuks.
Füüsiline
Ülijuhtivuse tekkega kaasnevad järsud muutused erinevates füüsikalistes omadustes, mis on faasisiirde tunnus. Näiteks elektronide soojusmahtuvus on võrdeline temperatuuriga normaalses (mitte ülijuhtivas) režiimis. Ülijuhtiva ülemineku ajal kogeb see hüpet ja pärast seda lakkab olemast lineaarne. Madalatel temperatuuridel muutub see mingi konstantse α korral e−α/T asemel. See eksponentsiaalne käitumine on üks tõendeid energiavahe olemasolu kohta.
Faasiüleminek
Ülijuhtivuse nähtuse seletus on üsnailmselgelt. Ülijuhtivate faaside ülemineku järjekorda on arutatud pikka aega. Katsed näitavad, et teist järku üleminekut ehk varjatud soojust ei toimu. Välise magnetvälja juuresolekul esineb aga varjatud soojust, kuna ülijuhtiva faasi entroopia on madalam, kriitilisest temperatuurist madalam kui tavafaasil.
Eksperimentaalselt tõestati järgmist: kui magnetväli suureneb ja ületab kriitilist välja, põhjustab tekkiv faasisiire ülijuhtiva materjali temperatuuri langust. Ülijuhtivuse nähtust on ülalpool lühid alt kirjeldatud, nüüd on aeg rääkida teile selle olulise efekti nüanssidest.
1970. aastatel tehtud arvutused näitasid, et tegelikult võib see elektromagnetvälja kaugkõikumiste mõju tõttu olla nõrgem kui esimene järk. 1980. aastatel näidati teoreetiliselt häirevälja teooriat kasutades, milles ülijuhtide keerisjooned mängivad suurt rolli, et II tüüpi režiimis on üleminek teist järku ja I tüübi režiimis esimest järku (s.o varjatud soojus) ning et kaks piirkonda on eraldatud kriitilise punktiga.
Tulemusi kinnitasid tugev alt arvutisimulatsioonid Monte Carlos. See mängis ülijuhtivuse fenomeni uurimisel olulist rolli. Töö jätkub praegusel ajal. Ülijuhtivuse fenomeni olemust tänapäeva teaduse seisukohast täielikult ei mõisteta ega seletata.
