Надпровідність

надпровідність - квантове явище протікання електричного струму в твердому тілі без втрат. Явище надпровідності було відкрито в 1911 році голландським ученим Камерлінг-Оннес, лауреатом Нобелівської премії 1913 року. Всього за відкриття в області надпровідності було видано п`ять Нобелівських премій з фізики: в 1913, 1972, 1973, 1987 і 2003 роках.
Явище надпровідності існує для ряду матеріалів, не обов`язково добрих провідників при звичайних температурах. Перехід до надпровідного стану відбувається при певній температурі, яку називають критичною температурою надпровідного переходу. Надпровіднсть, однак, може бути зруйнована, якщо помістити зразок у зовнішнє магнітне поле, що перевищує певний критичне значення. це критичне магнітне поле зменшується при збільшенні температури.
передумови відкриття
Середина XIX-го століття і його кінець відзначилися освоєнням області наднизьких температур. Досліджуючи явища, що відбуваються в газах, фізики ввели поняття «абсолютний нуль» температури. Це така температура, при якій тиск ідеального газу відповідно до закону Гей-Люссака, дорівнював би нулю. Обчисливши, в яку мінусовій температурі потрібно охолодити газ, щоб в ньому зупинився будь тепловий рух молекул, вони отримали, що ця температура повинна бути -273,15 ° C. Пізніше поняття абсолютного нуля були узагальнені на їхні капітали речовини: тверді і рідкі. Це температура, коли весь кінетичний рух частинок матерії припиняється (в класичному розумінні) і, таким чином, матерія не має теплової енергії. Ця точка є початком відліку температур за термодинамічної шкалою (шкалою Кельвіна).
Будь-яке охолодження речовини - це відбір в нього енергії. При охолодженні енергії в тіла залишається все менше, а значить знижується його температура, яка є мірилом кінетичної енергії руху атомів. При цьому сповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується амплітуда коливань атомів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в рідинах і газах) і вільних електронів (в металах і напівпровідниках. Останні приєднуються до іонізованих позитивних атомів. Вважалося, що при досягненні абсолютного нуля вся потенційна енергія в речовини відібрана і більше енергії відібрати не можна. при цьому будь-який рух в тілі припиняється (за винятком обертання електронів навколо ядра в атомі). Іншими словами, при 0ДО молекули і атоми речовини мають найменшу енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла ніяким охолодженням.
Дослідження властивостей тіл при температурах, близьких до абсолютного нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що вивчає цю галузь, називається кріофізікі. Шлях до кріогенних температур лежить через скраплення газів. Зріджений газ при випаровуванні відбирає енергію у тіла, занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових холодильниках, де скраплений газ фреон випаровується в морозильнику.
В кінці XIX - початку XX століття вже були зріджені багато газів: кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався зрідження гелій, при цьому очікувалося, що він допоможе досягти низької температури.
Успіху в скраплення гелію досяг Камерлінг-Оннес, який працював в Лейденському університеті (Голландія). Зріджений гелій дозволив досягти рекордно низької температури - близько 4 К. Отримавши рідкий гелій, Камерлинг-Оннес почав займатися вивченням властивостей різних матеріалів при гелієвих температурах.
Одним з питань, які цікавили вченого, було вивчення опору металів при наднизьких температурах. Було відомо, що з ростом температури R (опір) зростає. Отже, можна очікувати, що зі зменшенням температури R (опір) буде зменшуватися. А ось до якої межі?
Тут могло б бути три варіанти.

При абсолютному нулі R -gt; 0. Дійсно, струм - це потік електронів, що проходить через кристалічну решітку провідника. При ненульових температурах атоми в решітці роблять коливання навколо центру рівноваги, між вільними електронами і атомами відбувається зіткнення (розсіювання). Звернемо увагу на два наслідки такого зіткнення. По-перше, електрони втрачають свою енергію, отриману від електричного поля джерела ЕРС. По-друге, вони відхиляються від первісного напрямку. Ці два наслідки відображаються в зменшенні струму, тобто у виникненні опору. При зниженні температури амплітуда коливань атомів зменшується, а значить, зменшується і ймовірність розсіювання на них електронів, тобто падає опір. Така модель довгий час задовольняла фізиків і якби залежність R (Т) пішла б за цим варіантом, то це сприйнялося б з розумінням.
Однак критики попередньої теорії звертали увагу на те, що опір R обумовлений зіткненням електронів не тільки з атомами, які коливаються. Електрони з успіхом можуть розсіюватися і на нерухомих атомах. Тобто, розсіювання зменшиться, але зовсім не зникне, тому R? 0. Крім того існує можливість розсіювання електронів на дефектах решітки.
Третій варіант: електрони «заморожуються» на атомних орбітах. Електронів провідності не залишається, опір зростає до нескінченності (?).

Отже, теоретично можна було припустити різні варіанти, але реальність, як часто буває, суперечить всім планам і теоріям.
Відкриття надпровідності Камерлінг-Оннес
Експериментуючи з ртуттю Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і продовжив знижувати температуру. При досягненні Т = 4,2 ° К прилад перестав фіксувати опір. Оннес міняв прилади в дослідній установці, оскільки побоювався їх несправності, але прилади незмінно показували нульовий опір, незважаючи на те, що до абсолютного нуля не вистачало ще 4 К.


Після відкриття надпровідності в ртуті з`явилася велика кількість питань:
Оннес запропонував оригінальний досвід непрямого визначення, до якого рівня знижується опір. У надпровідному колі збуджувався електричний струм, який, як було встановлено за відхиленням магнітної стрілки, не згасав багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника склав близько 10 -25 Ом • м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді -? Cu = 1.5010 -8 Ом • м, видно, що питомий опір надпровідника на 17 порядків менше, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0. Якщо в замкнутому контурі, що знаходиться в надпровідного стану створити електричний струм, то він буде протікати тижні і навіть роки, не зменшуючись.
Поведінка теплоємності (синя крива) і опору (зелена крива) при переході до надпровідного стану

Подальший розвиток
Після відкриття Камерлінг-Оннеса надпровідність була встановлена в інших матеріалах і сплавах. Важливим наріжним каменем в дослідженні властивостей надпровідників було відкриття ідеального діамагнетизму надпровідників (або виштовхування зовнішнього магнітного поля з надпровідника), відомого як ефект Мейснера-Оксенфельда в 1933 році. У 1935 році брати Фріц і Хайнц Лондони запропонували першу теорію надпровідності, яка хоча і була повністю феноменологічної, проте пояснювала ефект Мейснера-Оксенфельда. Наступним кроком була запропонована в 1950 році Віталііем Лазаревич Гінзбург і Львом Давидовичем Ландау нова феноменологічна теорія, яка вперше враховувала квантовомеханічну природу явища. В рамках цієї теорії Олексієм Абрикосовим в 1957 році було передбачено існування надпровідників II роду. У тому ж році Джон Бардін, Леон Купер і Джон Роберт Шріффер опублікували роботу, в якій дали мікроскопічне пояснення явища надпровідності, яке отримало назву Теорії Бардіна-Купера-Шріфера.
Надпровідність характеризується абсолютним диамагнетизм. У магнітному полі в надпровідний матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується з надпровідника. Завдяки цій властості виникає явище левітації надпровідника над магнітом (або магніту над поверхнею надпровідника), яке отримало назву труну Магомета. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Однак надпровідники розрізняються по своєю поведінкою по відношенню до сильних магнітних полях, в залежності від поверхневої енергії кордону розділу надпровідної і нормальної фаз. В надпровідників I роду ця поверхнева енергія позитивна, і надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. В надповідніків II роду поверхнева енергія кордону розділу нормальною і надпровідної фаз негативна, тому магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див .. Абрикосівська вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей постійно зростає, і при критичному полі надпровідність руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.
Явище надпровідності - макроскопічне (видиме) прояв квантової природи речовини: атомів і електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати тільки в певних станах, яким відповідають дискретні значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями - квантами. Однак, якщо ми перейдемо до макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 10 22 см -3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрона «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами .
Квазічастинки в кристалах
фонони
Між атомами існують пружні сили, які не дозволяють атомам відділятися або наближатися ближче деякого r крит. Однак, при кімнатних температурах атоми здійснюють коливання навколо положення рівноваги- таким чином, в решітці постійно присутній коливальний рух, а кожен атом можна розглядати як маятник, який здійснює рівномірні коливання навколо точки рівноваги. Скасування від класичного маятника полягає в тому, що атом - це «квантовий маятник». Справа в тому, що дійсно енергія атома може змінюватися тільки порціями - квантами, з енергією, де - це частота поглиненого або излученного кванта. При кімнатній температурі величина близька до kT - повної енергії атома, коливається. При зниженні температури, здавалося б, амплітуда коливань повинна прагнути до нуля. Однак сучасні дослідження показують, що атоми і при Т = 0K будуть здійснювати коливання. Це «нульові коливання атомів». Вони не зникають ніколи.
Пружні сили, що змушують атоми коливатися, можна уявити собі як пружини, що з`єднують атоми. Якщо один з атомів отримає добавку енергії, кажуть, що проходить збудження атома. Додаткові коливання будуть передаватися через пружні зв`язку - пружинки в сусідніх атомів. Порушення буде поширюватися в кристалі у вигляді пружної хвилі.
Однак, за законами квантової механіки збудження атомів передаватимуть енергію порціями квантами. Така порція збудження, що поширюється кристалом, називається квазічастинкою, в разі пружних коливань - фононів. Фонон - квант порушення кристалічної решітки. Кількість фононів зростає з ростом температури. Фонони, рухаючись кристалом, стикаються один з одним, з електронами, з дефектами кристалічної решітки.
електрони
Розглянемо рух електронів в металі при кімнатній температурі. Основний вид руху хаотично-теплової. При цьому середня швидкість? = 107 см / c. Цей рух нагадує броунівський рух молекул газу або рідини. Багато разів в секунду електрон змінює напрямок руху, його енергія і імпульс змінюються при цьому через взаємодію з атомами, тобто з фононами і з іншими електронами. При наявності різниці потенціалів характер руху дещо зміниться: електрони, хаотично рухалися, набувають направленого руху в напрямку позитивного (вищого) потенціалу. Картину можна уявити як хаотичний рух людей в натовпі, повільно пересувається в будь-якої сторону.
Теорія Гінзбурга-Ландау



Детальніше в статті Рівняння Гінзбурга-Ландау


Побудована в 1950 теорія Гінзбурга-Ландау описує надпровідність феноменологічно, за допомогою параметра порядку, який пізніше пов`язали з хвильової функцією куперовских пар. Теорія дозволила успішно аналізувати поведінку надпровідника в магнітному полі.
теорія БКШ
Фізики напружено працювали над створенням теорії надпровідності і приблизно за 50 років з 1911 до 1957 року загальні риси теорії були сформовані. Спочатку, в 50-х роках виникла феноменологічна теорія надпровідності (див. Рівняння Гінзбурга-Ландау), яка успішно пояснювала поведінку напдровідніків в магнітних полях, а в 1957 році Джон Бардін, Леон Ніл Купер і Джон Роберт Шріффер запропонували мікроскопічну теорію надпровідності, за яку в 1972 році отримали Нобелівську премію.
Основною ідеєю теорії БКШ є те, що електрони провідності (вільні носії заряду) при певних температурах з`єднуються в пари, звані «куперовских». Зв`язок в таких парах достатньо сильний, і пара, рухаючись по решітці, допомагають один одному уникнути розсіювання. Тяжіння між негативно зарядженими електронами важко уявити, оскільки загальновідомо кулонівського відштовхування між однойменно зарядженими частинками. Однак такі відштовхування безумовно виникають між ізольованими електронами. В решітці при низьких температурах, коли коливання атомів у вузлах практично зупинилося, може спостерігатися інше явище.
Під час руху електрона уздовж кристалічної решітки виникає електростатичне відштовхування між ним і негативними електронними оболонками атомів. Ці оболонки деформуються, віддаляючись від електрона, який вільно рухається. Можна сказати, що атоми поляризуються. Тобто у розглянутого електрона формується позитивний заряд. Цей позитивний заряд буде рухатися - супроводжувати збудливий електрон. До сформованого таким чином позитивного просторового заряду залучатися який інший електрон, теж буде рухатися синхронно з позитивним зарядом, а, отже, синхронно з першим електроном. Утворилася так звана «куперовской пара» електронів. Другий електрон в розглянутій парі сам є збудником іншого позитивного заряду в тій області, де він рухається. Електронний газ (так іноді називають вільні електрони в металі) при досягненні надпровідності перетворюється в «куперовских рідина».
Розглянуте явище на квантовому рівні можна описати так: електрони взаємодіють з гратами і приводять її в збуджений стан. Зворотний перехід решітки в нормальний стан супроводжується випромінюванням енергії, що поглинається іншими електронами. Або: перший електрон випромінює фонон, рухаючись в решітці. Другий електрон цей фонон поглинає. Обмін фононами і створює тяжіння між електронами. Які ж електрони мають здібності об`єднуватися в куперовских пари? Тільки ті, у яких рівні по модулю (| P 1 | = | P 2 |) і протилежні імпульси (P 1 = - P 2), і в яких протилежні спини.
З рівності і протилежності імпульсів отримали, що нова квазічастинки «куперовской пара» має Р куп. = 0, і спін, рівний нулю. Не слід думати, що в куперовских парі електрони близько розташовані один від одного. Розмір пари дуже великий 10 -6 м = 1 мкм. Якщо врахувати, що між атомами відстань близько 10 , Тобто 1 нм, то отримаємо, що між куперовских електронами близько 1000 атомних відстаней. Таким чином, куперовской пара знаходиться в мікрооб`ємів, є кубом зі стороною в 1000 атомів. У цьому обсязі поміщається атомів і стільки ж, а то й більше, електронів. Куперовских пари перекриваються один з одним в межах мікрообьему - в межах всього кристала, так що поведінка всієї куперіськоі рідини стає скорельована. При цьому розсіювання електронів стає неможливим. Припиняється втрата енергії електронами при розсіюванні, а також деформація траєкторій руху.
Розсіювання - це не обов`язково пряме зіткнення, це, як правило, відхилення траєкторії під дією будь-яких об`єктів кристалічної решітки. Так наприклад, якщо електрони рухаються повз центру розсіювання в складі пари, або краще сказати в складі «куперовских рідини», то взаємодія електронів з іншими електронами сильніше, ніж взаємодія з центром розсіювання, і електрони обходять центр розсіювання, після чого відновлюють попередню траєкторію руху завдяки взаємодії з іншими електронами. Тобто відбувається рух електронів без розсіювання.
Якщо до такого кристала прикласти електричне поле, то всі пари електронів отримають один і той же імпульс і почнуть рухатися в одному і тому ж напрямку, з деякою дрейфовой швидкістю. При цьому рух усіх куперовских пар буде строго скорельована. Розсіювання електронів буде відсутній, тобто опір провідника дорівнює нулю.
Надпровідність - надзвичайно цікаве і певною мірою загадкове фізичне явище, практичне застосування якого повинна принести людству незліченні досягнення. Надпровідний струм є бездісіпатівнім, тобто при протіканні постійного струму в надпровіднику не виникають звичайні резистивні втрати. Це причина, завдяки якій використання надпровідних пристроїв виявляється одним з найбільш важливих і перспективних шляхів енергозбереження. Оцінки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати при генерації, передачі, трансформації та використанні електроенергії з приблизно 30-35% до 1-2%, що рівнозначно побудові декількох нових потужних електростанцій в Україні.

? HK Onnes. The resistance of pure mercury at helium temperatures / / Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden. - 12. - (1911): 120.
? Мусский д е Kittel, Charles: Introduction to Solid State Physics. 7. Aufl. New York: Wiley, 1996.
? ? F. Schwaigerer, B. Sailer, J. Glaser, HJ Meyer: Strom eiskalt serviert: Supraleitfahigkeit. In Chemie in unserer Zeit. 2002 36, S. 108-124 [1]


Увага, тільки СЬОГОДНІ!