Süper iletkenlik olgusu nedir? Süperiletkenlik, sıfır elektrik direnci ve karakteristik kritik bir sıcaklığın altına soğutulduğunda süperiletkenler olarak adlandırılan belirli malzemelerde meydana gelen manyetik akı alanlarının serbest bırakıldığı bir olgudur.
Bu fenomen, Hollandalı fizikçi Heike Kamerling-Onnes tarafından 8 Nisan 1911'de Leiden'de keşfedildi. Ferromanyetizma ve atomik spektral çizgiler gibi süperiletkenlik de kuantum mekaniksel bir olgudur. Meissner etkisi ile karakterize edilir - süperiletken durumuna geçişi sırasında süperiletkenin içinden manyetik alan çizgilerinin tamamen çıkarılması.
Süper iletkenlik olgusunun özü budur. Meissner etkisinin ortaya çıkması, süperiletkenliğin klasik fizikte ideal iletkenliğin idealleştirilmesi olarak basitçe anlaşılamayacağını gösterir.
Süper iletkenlik olgusu nedir
Metal bir iletkenin elektrik direnci yavaş yavaş azalır.sıcaklığı düşürmek. Bakır veya gümüş gibi yaygın iletkenlerde bu azalma, kirlilikler ve diğer kusurlarla sınırlıdır. Mutlak sıfıra yakın bile, normal bir iletkenin gerçek bir örneği bir miktar direnç gösterir. Bir süper iletkende, malzeme kritik sıcaklığının altına soğutulduğunda direnç keskin bir şekilde sıfıra düşer. Bir süper iletken tel döngüsünden geçen elektrik akımı, bir güç kaynağı olmadan süresiz olarak korunabilir. Süperiletkenlik olgusu nedir sorusunun cevabı budur.
Tarih
1911'de, çok düşük sıcaklıklarda maddenin özelliklerini incelerken, Hollandalı fizikçi Heike Kamerling Onnes ve ekibi, civanın elektrik direncinin 4,2 K'nin (-269°C) altında sıfıra düştüğünü keşfetti. Bu, süperiletkenlik fenomeninin ilk gözlemiydi. Çoğu kimyasal element, yeterince düşük sıcaklıklarda süper iletken hale gelir.
Belirli bir kritik sıcaklığın altında, malzemeler iki ana özellikle karakterize edilen süper iletken bir duruma geçerler: birincisi, elektrik akımının geçişine direnmezler. Direnç sıfıra düştüğünde, akım malzeme içinde enerji kaybı olmadan dolaşabilir.
İkincisi, yeterince zayıf olmaları koşuluyla, dış manyetik alanlar süperiletkenin içine girmez, yüzeyinde kalır. Bu alan atılma olayı, 1933'te bir fizikçi tarafından ilk kez gözlemlendikten sonra Meissner etkisi olarak bilinir hale geldi.
Üç isim, üç harf ve eksik bir teori
Sıradan fizik yeterli vermiyorsüperiletken durumun açıklamaları ve elektronların davranışını bir kristal kafes içindeki iyonların davranışından ayrı olarak ele alan katı halin temel kuantum teorisi.
Yalnızca 1957'de, üç Amerikalı araştırmacı - John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer, süperiletkenliğin mikroskobik teorisini yarattılar. BCS teorilerine göre, elektronlar kafes titreşimleri ("fononlar" olarak adlandırılır) ile etkileşim yoluyla çiftler halinde toplanır, böylece bir katı içinde sürtünme olmadan hareket eden Cooper çiftleri oluşturur. Bir katı, bir elektron bulutuna daldırılmış bir pozitif iyon kafesi olarak görülebilir. Bir elektron bu kafesten geçtiğinde, iyonlar elektronun negatif yükü tarafından çekilerek hafifçe hareket eder. Bu hareket elektriksel olarak pozitif bir bölge üretir ve bu da başka bir elektronu çeker.
Elektronik etkileşimin enerjisi oldukça zayıftır ve buharlar termal enerjiyle kolayca parçalanabilir - bu nedenle süperiletkenlik genellikle çok düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Bununla birlikte, BCS teorisi, diğer elektron bağlama mekanizmalarının dahil edilmesi gereken yaklaşık 80 K (-193 °C) ve üzerinde yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerin varlığı için bir açıklama sağlamaz. Süperiletkenlik olgusunun uygulanması yukarıdaki sürece dayanmaktadır.
Sıcaklık
1986'da, bazı kuprat-perovskit seramik malzemelerinin kritik sıcaklıkların 90 K'nin (-183 °C) üzerinde olduğu bulundu. Bu yüksek bağlantı sıcaklığı teorik olarakgeleneksel bir süper iletken için imkansızdır, bu da malzemelerin yüksek sıcaklık süper iletkenleri olarak anılmasına yol açar. Mevcut soğutma sıvısı nitrojeni 77 K'de kaynar ve bu nedenle bu sıcaklıklardan daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik, daha düşük sıcaklıklarda daha az pratik olan birçok deney ve uygulamayı kolaylaştırır. Süperiletkenlik olgusu hangi sıcaklıkta meydana gelir sorusunun cevabı budur.
Sınıflandırma
Süper iletkenler, fiziksel özelliklerine olan ilgimize, onlar hakkında sahip olduğumuz anlayışa, onları soğutmanın ne kadar pahalı olduğuna veya yapıldıkları malzemeye bağlı olarak çeşitli kriterlere göre sınıflandırılabilir.
Manyetik özellikleriyle
Tip I süperiletkenler: Yalnızca bir kritik alana, Hc'ye sahip olan ve ulaşıldığında bir durumdan diğerine aniden geçiş yapanlardır.
Tip II süperiletkenler: Hc1 ve Hc2 olmak üzere iki kritik alana sahip, alt kritik alan (Hc1) altında mükemmel süper iletkenler ve süperiletken durumu üst kritik alanın (Hc2) üzerinde tamamen bırakarak, aralarında karışık bir durumda kritik alanlar.
Onları anladığımız gibi
Sıradan süperiletkenler: BCS teorisi veya ilgili teorilerle tam olarak açıklanabilenler.
Geleneksel olmayan süper iletkenler: bu tür teoriler kullanılarak açıklanamayanlar, örneğin: ağır fermiyoniksüper iletkenler.
Bu kriter önemlidir çünkü BCS teorisi 1957'den beri geleneksel süperiletkenlerin özelliklerini açıklamaktadır, ancak diğer yandan, tamamen geleneksel olmayan süperiletkenleri açıklayacak tatmin edici bir teori olmamıştır. Çoğu durumda, Tip I süper iletkenler yaygındır, ancak hem yaygın hem de Tip II olan niyobyum gibi birkaç istisna vardır.
Kritik sıcaklıklarına göre
Düşük sıcaklıklı süper iletkenler veya LTS: kritik sıcaklığı 30 K'nin altında olanlar.
Yüksek sıcaklık süper iletkenleri veya HTS: kritik sıcaklığı 30 K'nin üzerinde olanlar. Bazıları şimdi numuneyi sıvı nitrojenle (kaynama noktası 77 K olan) soğutup soğutamayacağımızı vurgulamak için ayırma olarak 77 K kullanıyor. sıvı helyumdan çok daha uygundur (düşük sıcaklıklı süper iletkenler üretmek için gereken sıcaklıklara ulaşmak için bir alternatif).
Diğer ayrıntılar
Bir süperiletken tip I olabilir; bu, onun üzerinde tüm süperiletkenliğin kaybolduğu ve altında manyetik alanın süperiletkenden tamamen ortadan kaldırıldığı tek bir kritik alana sahip olduğu anlamına gelir. Tip II, yani manyetik alanın izole noktalardan kısmi nüfuz etmesine izin verdiği iki kritik alana sahiptir. Bu noktalara girdap denir. Ek olarak, çok bileşenli süperiletkenlerde iki davranışın bir kombinasyonu mümkündür. Bu durumda süperiletken tip 1, 5.'dir.
Özellikler
Süper iletkenlerin fiziksel özelliklerinin çoğu, ısı kapasitesi ve kritik sıcaklık, kritik alan ve süperiletkenliğin bozulduğu kritik akım yoğunluğu gibi malzemeden malzemeye değişir.
Öte yandan, temel malzemeden bağımsız bir özellik sınıfı vardır. Örneğin, tüm süperiletkenler, uygulanan düşük akımlarda, manyetik alan olmadığında veya uygulanan alan kritik bir değeri aşmadığında kesinlikle sıfır dirence sahiptir.
Bu evrensel özelliklerin varlığı, süperiletkenliğin termodinamik bir faz olduğu ve bu nedenle mikroskobik ayrıntılardan büyük ölçüde bağımsız olan belirli ayırt edici özelliklere sahip olduğu anlamına gelir.
Süper iletkende durum farklıdır. Geleneksel bir süperiletkende, elektron sıvısı tek tek elektronlara ayrılamaz. Bunun yerine, Cooper çiftleri olarak bilinen bağlı elektron çiftlerinden oluşur. Bu eşleşme, fononların değiş tokuşundan kaynaklanan elektronlar arasındaki çekici kuvvetten kaynaklanır. Kuantum mekaniği nedeniyle, Cooper çiftinin bu sıvısının enerji spektrumu bir enerji boşluğuna sahiptir, yani sıvıyı uyarmak için sağlanması gereken minimum miktarda enerji ΔE vardır.
Bu nedenle, eğer ΔE, kT tarafından verilen ızgaranın termal enerjisinden büyükse, burada k, Boltzmann sabitidir ve T, sıcaklıktır, sıvı ızgara tarafından saçılmayacaktır. BöyleBu nedenle, Cooper buhar sıvısı süper akışkandır, bu da enerjiyi dağıtmadan akabileceği anlamına gelir.
Süper iletkenlik özellikleri
Süper iletken malzemelerde, süperiletkenlik özellikleri, T sıcaklığı kritik sıcaklık Tc'nin altına düştüğünde ortaya çıkar. Bu kritik sıcaklığın değeri malzemeden malzemeye değişir. Geleneksel süperiletkenler tipik olarak yaklaşık 20 K ile 1 K arasında değişen kritik sıcaklıklara sahiptir.
Örneğin, katı cıvanın kritik sıcaklığı 4,2 K'dır. 2015 itibariyle, geleneksel bir süperiletken için bulunan en yüksek kritik sıcaklık, H2S için 203 K'dir, ancak yaklaşık 90 gigapaskal yüksek bir basınç gerekliydi. Cuprate süperiletkenler çok daha yüksek kritik sıcaklıklara sahip olabilir: Keşfedilen ilk cuprate süperiletkenlerden biri olan YBa2Cu3O7, 92 K kritik sıcaklığa sahiptir ve 130 K'yi aşan kritik sıcaklıklara sahip cıva bazlı kupratlar bulunmuştur. Bu yüksek kritik sıcaklıkların açıklaması devam etmektedir. bilinmeyen.
Fonon değiş tokuşu nedeniyle elektron eşleşmesi, geleneksel süperiletkenlerdeki süperiletkenliği açıklar, ancak çok yüksek kritik sıcaklığa sahip yeni süperiletkenlerdeki süperiletkenliği açıklamaz.
Manyetik alanlar
Benzer şekilde, kritik sıcaklığın altındaki sabit bir sıcaklıkta, süper iletken malzemeler, daha büyük bir harici manyetik alan uygulandığında süper iletkenliği durdurur.kritik manyetik alan. Bunun nedeni, süperiletken fazın Gibbs serbest enerjisinin manyetik alanla kuadratik olarak artması, normal fazın serbest enerjisinin ise yaklaşık olarak manyetik alandan bağımsız olmasıdır.
Malzeme bir alanın yokluğunda süper iletken ise, süperiletken fazın serbest enerjisi normal fazınkinden daha azdır ve bu nedenle manyetik alanın bazı sonlu değeri için (kareyle orantılıdır) sıfırdaki serbest enerjilerdeki farkın kökü), iki serbest enerji eşit olacak ve normal faza bir faz geçişi olacak. Daha genel olarak, daha yüksek bir sıcaklık ve daha güçlü bir manyetik alan, daha küçük bir süperiletken elektron oranı ve dolayısıyla Londra'ya dış manyetik alanların ve akımların daha büyük bir nüfuz derinliği ile sonuçlanır. Faz geçişinde penetrasyon derinliği sonsuz hale gelir.
Fiziksel
Süperiletkenliğin başlangıcına, bir faz geçişinin ayırt edici özelliği olan çeşitli fiziksel özelliklerde ani değişiklikler eşlik eder. Örneğin, elektron ısı kapasitesi normal (süper iletken olmayan) rejimdeki sıcaklıkla orantılıdır. Süperiletken geçişte bir sıçrama yaşar ve bundan sonra lineer olmayı bırakır. Düşük sıcaklıklarda, bazı sabit α için e−α/T yerine değişir. Bu üstel davranış, bir enerji boşluğunun varlığının kanıtlarından biridir.
Faz geçişi
Süperiletkenlik olgusunun açıklaması oldukçaaçıkça. Süperiletken faz geçişinin sırası uzun süredir tartışılmaktadır. Deneyler, ikinci dereceden bir geçiş, yani gizli ısı olmadığını göstermektedir. Bununla birlikte, harici bir manyetik alanın varlığında, süperiletken faz, normal fazdan daha düşük kritik sıcaklıktan daha düşük bir entropiye sahip olduğu için gizli ısı vardır.
Deneysel olarak aşağıdakileri gösterdi: manyetik alan arttığında ve kritik alanın ötesine geçtiğinde, ortaya çıkan faz geçişi süper iletken malzemenin sıcaklığında bir azalmaya yol açar. Süperiletkenlik olgusu yukarıda kısaca açıklanmıştır, şimdi size bu önemli etkinin nüansları hakkında bir şeyler söylemenin zamanı geldi.
70'li yıllarda yapılan hesaplamalar, elektromanyetik alandaki uzun menzilli dalgalanmaların etkisi nedeniyle aslında birinci dereceden daha zayıf olabileceğini gösterdi. 1980'lerde, süperiletken girdap çizgilerinin önemli bir rol oynadığı düzensiz alan teorisi kullanılarak teorik olarak, geçişin tip II modunda ikinci dereceden ve tip I modunda birinci dereceden (yani gizli ısı) olduğu gösterildi ve iki bölgenin üç kritik nokta ile ayrıldığını.
Sonuçlar, Monte Carlo'daki bilgisayar simülasyonları tarafından güçlü bir şekilde doğrulandı. Bu, süperiletkenlik olgusunun incelenmesinde önemli bir rol oynadı. Çalışma şu anda devam ediyor. Süperiletkenlik olgusunun özü, modern bilimin bakış açısından tam olarak anlaşılmamış ve açıklanmamıştır.
