Namagnesowany przedmiot
lewituje
nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej temperatury przejścia.
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
Spadek oporu elektrycznego rtęci przy przejściu poniżej temperatury krytycznej (rys. zaczerpnięty z oryginalnej pracy Kamerlingha Onnesa)
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 nadprzewodnikach 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 1950 roku dwie niezależne grupy wykryły efekt izotopowy - zależność temperatury przejścia w stan nadprzewodnictwa od liczby masowej izotopu. Nasunęło to wniosek, że efekt nadprzewodnictwa zależy nie tylko od nośników ładunku, ale także od właściwości jonów sieci krystalicznej[11][12].
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[13]. 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 2
e
.
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
. Zjawisko nadprzewodnictwa wykorzystuje się również w
nadprzewodnikowych zasobnikach energii
.
Metal
| TC | 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
.
Przypisy
- ↑ 1,0 1,1 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
.
- ↑ C.A. Reynolds i inni. Superconductivity of Isotopes of Mercury. „Phys. Rev.”. 78, s. 487 (1950).
doi:10.1103/PhysRev.78.487
.
- ↑ E. Maxwell. Isotope Effect in the Superconductivity of Mercury. „Phys. Rev.”. 78, s. 477 (1950).
doi:10.1103/PhysRev.78.477
.
- ↑ L. Cooper. Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas. „Physical Review”. 104, s. 1189 (1956).
doi:10.1103/PhysRev.104.1189
.
Zobacz też