Nadprzewodnictwo: Różnice pomiędzy wersjami
| [wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
m drobne redakcyjne |
+ ref |
||
| Linia 2: | Linia 2: | ||
'''Nadprzewodnictwo''' – stan materiału polegający na zerowej [[rezystancja|rezystancji]], osiągany w niskiej temperaturze. |
'''Nadprzewodnictwo''' – stan materiału polegający na zerowej [[rezystancja|rezystancji]], osiągany w niskiej temperaturze. |
||
Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez [[Heike Kamerlingh Onnes|Kamerlingha Onnesa]]<ref>{{Cytuj pismo | autor = H. K. Onnes | tytuł = The resistance of pure mercury at helium temperatures | czasopismo = Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden | wolumin = 12 | strony = 120 | rok = 1911}}</ref>. |
Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez [[Heike Kamerlingh Onnes|Kamerlingha Onnesa]]<ref name=ko>{{Cytuj pismo | autor = H. K. Onnes | tytuł = The resistance of pure mercury at helium temperatures | czasopismo = Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden | wolumin = 12 | strony = 120 | rok = 1911}}</ref>. |
||
Jest to [[efekt kwantowy|zjawisko kwantowe]], niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie [[fizyka klasyczna|fizyki klasycznej]]. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]] ([[efekt Meissnera]]). |
Jest to [[efekt kwantowy|zjawisko kwantowe]], niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie [[fizyka klasyczna|fizyki klasycznej]]. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]] ([[efekt Meissnera]]). |
||
| Linia 40: | Linia 40: | ||
== Historia == |
== Historia == |
||
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało wykryte w 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badań właściwości materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badań wykorzystano rtęć, gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywać w stanie o bardzo dużej czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze 4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości. |
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało wykryte w 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badań właściwości materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badań wykorzystano rtęć, gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywać w stanie o bardzo dużej czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze 4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości<ref name=ko />. |
||
W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy tym czułość zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne. |
W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy tym czułość zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne. |
||
W 1933 niemieccy fizycy [[Fritz Walther Meissner|Fritz Meissner]] i [[Robert Ochsenfeld]] odkryli efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika |
W 1933 niemieccy fizycy [[Fritz Walther Meissner|Fritz Meissner]] i [[Robert Ochsenfeld]] odkryli efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika<ref> |
||
{{Cytuj pismo | autor = W. Meissner und R. Ochsenfeld | tytuł = Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit | czasopismo = Naturwissenschaften | wolumin = 21 | strony = 787 | rok = 1933 | doi = 10.1007/BF01504252}}</ref>. |
|||
W 1952 [[Witalij Łazarewicz Ginzburg|Witalij Ginzburg]] zaproponował do wyjaśnienia procesu nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie. |
W 1952 [[Witalij Łazarewicz Ginzburg|Witalij Ginzburg]] zaproponował do wyjaśnienia procesu nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie. |
||
Wersja z 19:56, 22 mar 2010
Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na zerowej rezystancji, osiągany w niskiej temperaturze.
Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez Kamerlingha Onnesa[1]. Jest to zjawisko kwantowe, niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości pola magnetycznego (efekt Meissnera).
Nadprzewodnictwo było obserwowane w różnych materiałach: niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie, rtęci i ołowiu), stopach, ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.
Rodzaje nadprzewodników
Na podstawie różnych kryteriów można wydzielić różne grupy nadprzewodników:
- Ze względu na właściwości fizyczne:
- nadprzewodniki I rodzaju, w których przy określonym krytycznym polu magnetycznym BC dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego,
- nadprzewodniki II rodzaju, w których przy określonym polu magnetycznym BC1 dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i utworzenia stanu mieszanego, a powyżej pola BC2 zachodzi zniszczenie stanu nadprzewodzącego.
- Ze względu na skład chemiczny i budowę:
- niektóre pierwiastki (na przykład rtęć, kadm, ołów, cynk, cyna, glin, iryd, platyna), inne przechodzą w stan nadprzewodnictwa tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (na przykład tlen, fosfor, siarka, german, żelazo[2], lit[3]) lub w postaci cienkich warstw (wolfram, beryl, chrom[4]); jeszcze innych nie dało się jak dotychczas przeprowadzić w stan nadprzewodnictwa (na przykład srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne[5], wodór[6]),
- stopy i związki międzymetaliczne, takie jak na przykład NbTi,
- związki organiczne, w tym odmiany alotropowe węgla (fulereny, nanorurki[7]),
- tlenkowe związki miedzi i żelaza o strukturze perowskitu zarówno w postaci ceramik, jak i monokryształów.
- Ze względu na stosowaną metodę opisu:
- nadprzewodniki konwencjonalne, które dają się dobrze opisać teorią BCS,
- nadprzewodniki niekonwencjonalne, które jeszcze nie posiadają ogólnie akceptowanej teorii tłumaczącej w zadowalający sposób ich właściwości.
- Ze względu na temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa:
- nadprzewodniki niskotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury ciekłego azotu (77 K),
- nadprzewodniki wysokotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa powyżej temperatury ciekłego azotu. Niegdyś nazywano tak ceramiczne półprzewodniki tlenkowe, ale wobec odkrywania nowych grup materiałów nadprzewodzących taka konwencja przestała być używana.
- Istnieje grupa nadprzewodników ferromagnetycznych, na przykład UGe2[8], URhGe[9].
Właściwości fizyczne nadprzewodników
Podstawową cechą charakteryzującą nadprzewodniki jest spadek do zera ich oporu elektrycznego poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną. Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia i pola magnetycznego.
Zerowa oporność elektryczna nie jest jedyną cechą nadprzewodnictwa. Drugim efektem jest wypychanie z materiału pola magnetycznego, zwane efektem Meissnera (w półprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w "wiry" (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju).
Historia
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało wykryte w 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badań właściwości materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badań wykorzystano rtęć, gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywać w stanie o bardzo dużej czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze 4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości[1].
W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy tym czułość zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne.
W 1933 niemieccy fizycy Fritz Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika[10].
W 1952 Witalij Ginzburg zaproponował do wyjaśnienia procesu nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie.
W 1957 John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer stworzyli teorię BCS, wyjaśniającą mechanizm powstania zjawiska nadprzewodnictwa.
W 1986 Georg Bednorz i Alex Müller odkryli w tlenkowym związku Ba-La-Cu-O nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej 35 K.
Podstawy fizyczne zjawiska
Istotą powstania stanu nadprzewodnictwa jest powstanie par nośników ładunku (pary Coopera). Pary takie mogą powstać w wyniku łączenia się dwóch elektronów posiadających energię bliską energii Fermiego nawet wtedy, gdy energia wiążącego je oddziaływania jest bardzo mała[11]. Zmienia to właściwości elektryczne materiału, gdyż pojedyncze nośniki są fermionami, a pary bozonami.
Do opisu klasycznych nadprzewodników niskotemperaturowych stosuje się teorię BCS opisującą oddziaływanie wiążące nośniki w wyniku odkształceń sieci krystalicznej. Na skutek zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze pojawia się sprzężenie pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci. Sprzężenie to pozwala na "sparowanie" elektronów. W modelu BCS para Coopera to rodzaj wzbudzenia elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią krystaliczną, czyli wymianie fononów.
Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie elektrony, lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd2-xCexCu4-δ).
Pary Coopera, będące bozonami, mogą się skondensować na jednym poziomie energetycznym. Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się "wyswobodzić", bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko drgania harmoniczne.
W efekcie pary są trwałe i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami prądu elektrycznego są w nadprzewodnikach pary elektronowe o ładunku 2e.
Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących
Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są srebro i miedź.
Podczas analizy właściwości metali i stopów zauważono, że ich rezystywność maleje wraz ze spadkiem temperatury. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre substancje stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą aluminium, cyna oraz wiele innych metali i niektóre półprzewodniki. Dobre właściwości mają również spieki i związki miedzi i tlenu. Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro) i ferromagnetykach (żelazo i jego stopy).
Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20 °C).
Tym niemniej nadprzewodniki działające w temperaturze ciekłego helu są już praktycznie wykorzystywane w szczególnych sytuacjach. Przykładem są tu nadprzewodnikowe elektromagnesy stosowane w aparatach NMR, w których generują one bardzo silne pola magnetyczne przy niewielkim poborze mocy, potrzebnym głównie do utrzymywania nadprzewodnika w niskiej temperaturze (jak np. minimalizacja strat ciekłego helu, w którym jest zanurzony). Podobne elektromagnesy są też stosowane w przemysłowych generatorach plazmy oraz w akceleratorach cząstek elementarnych.
| Metal | TC [K] | TC [°C] |
| Al | 1,2 | -271,95 |
| In | 3,4 | -269,75 |
| Sn | 3,7 | -269,45 |
| Hg | 4,2 | -268,95 |
| Ta | 4,5 | -268,65 |
| V | 5,4 | -267,75 |
| Pb | 7,2 | -265,95 |
| Nb | 9,3 | -263,85 |
Podjęto próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice. Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe, takie jak np. skraplanie się gazu. W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginzburga-Landaua.
- ↑ a b H. K. Onnes. The resistance of pure mercury at helium temperatures. „Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden”. 12, s. 120, 1911.
- ↑ K. Shimizu i inni. Superconductivity in the non-magnetic state of iron under pressure. „Nature”. 412, s. 316, 2001. DOI: 10.1038/35085536. Przy wysokim ciśnieniu żelazo traci właściwości ferromagnetyczne i po osiągnięciu 20GPa przechodzi w stan nadprzewodnictwa w temperaturze 1.8K.
- ↑ K. Shimizu i inni. Superconductivity in compressed lithium at 20 K. „Nature”. 419, s. 597, 2002. DOI: 10.1038/nature01098. Przy ciśnieniu 48GPa lit przechodzi w stan nadprzewodnictwa w temperaturze 20K, co jak dotychczas jest najwyższą temperaturą krytyczną osiągniętą dla pierwiastka.
- ↑ M. B. Brodsky. Superconductivity in Au/Cr/Au epitaxial metal film sandwiches (EMFS). „Solid State Communications”. 42, s. 675, 1981. DOI: 10.1016/0038-1098(82)90815-8.
- ↑ Ksenon przy ciśnieniu 155GPa przechodzi w stan metaliczny, ale jak dotychczas nie zaobserwowano śladów nadprzewodnictwa. M.I. Eremets i inni. Electrical Conductivity of Xenon at Megabar Pressures. „Physical Review Letters”. 85, s. 2797, 2000. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.2797.
- ↑ Pod dużym ciśnieniem wykryto w wodorze ciekłą fazę metaliczną, ale jak dotychczas nie zaobserwowano efektów nadprzewodnictwa. W. J. Nellis i inni. Minimum metallic conductivity of fluid hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar). „Physical Review B”. 59, s. 3434, 1999. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.3434.
- ↑ Z. K. Tang i inni. Superconductivity in 4 Angstrom Single-Walled Carbon Nanotubes. „Science”. 292, s. 2462, 2001. DOI: 10.1126/science.1060470.
- ↑ S. S. Saxena i inni. Superconductivity on the border of itinerant-electron ferromagnetism in UGe2. „Nature”. 406, s. 587, 2000. DOI: 10.1038/35020500.
- ↑ Dai Aoki i inni. Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in URhGe. „Nature”. 413, s. 613, 2001. DOI: 10.1038/35098048.
- ↑ W. Meissner und R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. „Naturwissenschaften”. 21, s. 787, 1933. DOI: 10.1007/BF01504252.
- ↑ L. Cooper. Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas. „Physical Review”. 104, s. 1189, 1956. DOI: 10.1103/PhysRev.104.1189.