Өтө өткөргүчтүк деген эмне? Өтө өткөргүчтүк – бул өзгөчө критикалык температурадан төмөн муздаганда, супер өткөргүчтөр деп аталган белгилүү бир материалдарда пайда болгон электрдик каршылыгы нөлдүк жана магниттик агым талаасынын чыгышы менен кубулуш.
Кубулуш 1911-жылы 8-апрелде Лейденде голландиялык физик Хайке Камерлинг-Оннес тарабынан ачылган. Ферромагнетизм жана атомдук спектрдик сызыктар сыяктуу эле, өтө өткөргүчтүк да кванттык механикалык кубулуш болуп саналат. Ал Мейснер эффектиси менен мүнөздөлөт - анын супер өткөргүч абалына өтүү учурунда анын ичинен магнит талаасынын сызыктарынын толук чыгарылышы.
Өтө өткөргүчтүк кубулушунун маңызы мына ушунда. Мейснер эффектинин пайда болушу супер өткөргүчтүктү классикалык физикада идеалдуу өткөргүчтүктү идеалдаштыруу катары түшүнүүгө болбостугун көрсөтөт.
Өтө өткөргүчтүк деген эмне
Металл өткөргүчтүн электр каршылыгы акырындык менен төмөндөйттемператураны төмөндөтүү. жез же күмүш сыяктуу жалпы өткөргүчтөрдүн, бул кыскартуу аралашмалар жана башка кемчиликтер менен чектелет. Абсолюттук нөлгө жакын болсо да, кадимки өткөргүчтүн чыныгы үлгүсү кандайдыр бир каршылык көрсөтөт. Өтө өткөргүчтө материал критикалык температурадан төмөн муздаганда каршылык нөлгө чейин кескин төмөндөйт. Өтө өткөргүч зым аркылуу электр тогун кубат булагысыз чексиз кармап турууга болот. Бул супер өткөргүчтүк деген эмне деген суроого жооп.
Тарых
1911-жылы заттын касиеттерин өтө төмөн температурада изилдеп жатып, голландиялык физик Хайке Камерлинг Оннес жана анын командасы сымаптын электрдик каршылыгы 4,2 К (-269°C) төмөн нөлгө чейин төмөндөй турганын аныкташкан. Бул өтө өткөргүчтүк кубулушунун эң биринчи байкоосу болгон. Көпчүлүк химиялык элементтер жетишерлик төмөн температурада өтө өткөргүч болуп калат.
Белгилүү бир критикалык температурадан төмөн материалдар эки негизги касиети менен мүнөздөлгөн өтө өткөргүч абалга өтөт: биринчиден, алар электр тогунун өтүүсүнө каршылык көрсөтпөйт. Каршылык нөлгө түшкөндө, ток энергияны сарптабастан материалдын ичинде айлана алат.
Экинчиден, алар жетишерлик алсыз болгон шартта тышкы магниттик талаалар өтө өткөргүчкө кирбей, анын бетинде калат. Бул талаадан чыгаруу кубулушу 1933-жылы физик тарабынан биринчи жолу байкалгандан кийин Мейснер эффектиси деп аталып калган.
Үч ат, үч тамга жана толук эмес теория
Кадимки физика адекваттуу бербейтөтө өткөргүч абалдын түшүндүрмөлөрү, ошондой эле кристаллдык тордогу иондордун жүрүм-турумунан электрондордун жүрүм-турумун өзүнчө караган катуу абалдын элементардык кванттык теориясы.
1957-жылы гана үч америкалык изилдөөчү - Жон Бардин, Леон Купер жана Джон Шриффер супер өткөргүчтүктүн микроскопиялык теориясын түзүшкөн. Алардын BCS теориясына ылайык, электрондор торчо термелүүлөрү ("фонондор" деп аталган) менен өз ара аракеттенүү аркылуу жуптарга биригип, катуу нерсенин ичинде сүрүлүүсүз кыймылдаган Купер жуптарын түзүшөт. Катуу затты электрондор булутуна чөмүлгөн оң иондордун торчосу катары кароого болот. Электрон бул тордон өткөндө иондор электрондун терс зарядына тартылып, бир аз кыймылдайт. Бул кыймыл электрдик оң аймакты жаратат, ал өз кезегинде башка электронду тартат.
Электрондук өз ара аракеттенүүнүн энергиясы өтө алсыз жана буулар жылуулук энергиясы менен оңой ажырайт - ошондуктан супер өткөргүчтүк адатта өтө төмөн температурада пайда болот. Бирок, BCS теориясы 80 К (-193 °C) жана андан жогору температурада жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдүн бар экендигин түшүндүрө албайт, алар үчүн башка электрон байланыштыруучу механизмдер тартылышы керек. Өтө өткөргүчтүк кубулушунун колдонулушу жогорудагы процесске негизделген.
Температура
1986-жылы кээ бир купрат-перовскит керамикалык материалдары 90 К (-183 °C) жогору критикалык температурага ээ экени аныкталган. Бул жогорку кошулуу температурасы теориялык болуп саналаткадимки супер өткөргүч үчүн мүмкүн эмес, бул материалдардын жогорку температурадагы супер өткөргүчтөр деп аталышына алып келет. Жеткиликтүү муздаткыч суюк азот 77 К температурада кайнайт, демек, андан жогору температурада өтө өткөргүчтүк көптөгөн эксперименттерди жана төмөнкү температураларда анча практикалык эмес колдонмолорду жеңилдетет. Бул өтө өткөргүчтүк кубулушу кандай температурада пайда болот деген суроого жооп.
Классификация
Супер өткөргүчтөрдү бир нече критерийлер боюнча классификациялоого болот, алар биздин алардын физикалык касиеттерине болгон кызыгуубузга, алар жөнүндө түшүнүгүбүзгө, аларды муздатуу канчалык кымбатка же алардан жасалган материалга жараша болот.
Магниттик касиеттери боюнча
I типтеги супер өткөргүчтөр: бир гана критикалык талаага ээ, Hc жана ага жеткенде бир абалдан экинчи абалга күтүлбөгөн жерден өткөндөр.
II типтеги супер өткөргүчтөр: эки критикалык талаага ээ, Hc1 жана Hc2, төмөнкү критикалык талаанын (Hc1) астында идеалдуу супер өткөргүчтөр жана жогорку критикалык талаанын (Hc2) үстүндөгү супер өткөргүч абалын толугу менен таштап, алардын ортосунда аралаш абалда. критикалык талаалар.
Алар жөнүндө биз түшүнгөндөй
Кадимки супер өткөргүчтөр: BCS теориясы же ага байланыштуу теориялар менен толук түшүндүрүлө тургандар.
Салттуу эмес супер өткөргүчтөр: мындай теорияларды колдонуу менен түшүндүрүүгө мүмкүн болбогондор, мисалы: оор фермиондуксупер өткөргүчтөр.
Бул критерий маанилүү, анткени BCS теориясы кадимки супер өткөргүчтөрдүн касиеттерин 1957-жылдан бери түшүндүрүп келет, бирок экинчи жагынан, толугу менен салттуу эмес супер өткөргүчтөрдү түшүндүрө турган канааттандырарлык теория болгон эмес. Көпчүлүк учурларда, I типтеги супер өткөргүчтөр кеңири таралган, бирок бир нече өзгөчөлүктөр бар, мисалы, ниобий, жалпы жана II типте.
Критикалык температурасы боюнча
Төмөн температурадагы супер өткөргүчтөр же LTS: критикалык температурасы 30 Кден төмөн болгондор.
Жогорку температурадагы супер өткөргүчтөр же HTS: критикалык температурасы 30 К жогору болгондор. Азыр айрымдары үлгүнү суюк азот (кайноо температурасы 77 К) менен муздатууга болобу же жокпу баса белгилөө үчүн бөлүү катары 77 К колдонушат. суюк гелийге караганда алда канча мүмкүн (төмөн температурадагы супер өткөргүчтөрдү өндүрүү үчүн керектүү температурага жетүү үчүн альтернатива).
Башка маалымат
Супер өткөргүч I типте болушу мүмкүн, бул анын жалгыз критикалык талаасы бар, анын үстүндө бардык супер өткөргүчтүк жоголот, андан төмөн болсо магнит талаасы супер өткөргүчтөн толугу менен жок кылынат. II түрү, бул эки критикалык талааны билдирет, алардын ортосунда ал обочолонгон чекиттер аркылуу магнит талаасынын жарым-жартылай киришине мүмкүндүк берет. Бул чекиттер куюндар деп аталат. Мындан тышкары, көп компоненттүү супер өткөргүчтөрдө эки жүрүм-турумдун айкалышы мүмкүн. Бул учурда, супер өткөргүч 1, 5 типте болот.
Касиеттер
Өтө өткөргүчтөрдүн физикалык касиеттеринин көбү материалдан материалга жараша өзгөрүп турат, мисалы, жылуулук сыйымдуулугу жана критикалык температура, критикалык талаа жана өтө өткөргүчтүк бузулуучу токтун критикалык тыгыздыгы.
Ал эми негизги материалдан көз карандысыз касиеттердин классы бар. Мисалы, бардык супер өткөргүчтөр аз колдонулган токтарда, магнит талаасы жок болгондо же колдонулган талаа критикалык мааниден ашпаганда таптакыр нөлдүк каршылыкка ээ.
Бул универсалдуу касиеттердин болушу супер өткөргүчтүктү термодинамикалык фаза экенин жана ошондуктан микроскопиялык деталдардан көз карандысыз белгилүү бир өзгөчөлүктөргө ээ экенин билдирет.
Супер өткөргүчтө абал башкача. Кадимки супер өткөргүчтө электрон суюктугун жеке электрондорго бөлүүгө болбойт. Анын ордуна, ал Купер жуптары деп аталган электрондордун байланган жуптарынан турат. Бул жупташуу фонондордун алмашуусунан келип чыккан электрондордун ортосундагы тартуу күчү менен шартталган. Кванттык механикага байланыштуу Купер жупунун бул суюктугунун энергетикалык спектринде энергетикалык боштук бар, башкача айтканда суюктукту дүүлүктүрүү үчүн берилиши керек болгон энергиянын минималдуу көлөмү ΔE бар.
Ошондуктан, эгерде ΔE кТ тарабынан берилген тордун жылуулук энергиясынан чоң болсо, мында k - Больцман туруктуусу жана T - температура, суюктук тордон чачырап кетпейт. ОшентипОшентип, Купер буу суюктугу ашыкча суюктук болуп саналат, демек ал энергияны таркатпастан агып кете алат.
Өтө өткөргүчтүк мүнөздөмөлөр
Өтө өткөргүч материалдарда өтө өткөргүчтүк мүнөздөмөлөрү T температурасы критикалык температурадан Tc төмөн түшкөндө пайда болот. Бул критикалык температуранын мааниси материалдан материалга жараша өзгөрүп турат. Кадимки супер өткөргүчтөр, адатта, болжол менен 20 Кдан 1 Кге чейинки критикалык температурага ээ.
Мисалы, катуу сымаптын критикалык температурасы 4,2 К. 2015-жылга карата кадимки супер өткөргүч үчүн табылган эң жогорку критикалык температура H2S үчүн 203 К, бирок болжол менен 90 гигапаскаль жогорку басым талап кылынган. Купраттык супер өткөргүчтөр алда канча жогору критикалык температурага ээ болушу мүмкүн: биринчи ачылган купрат супер өткөргүчтөрдүн бири YBa2Cu3O7, анын критикалык температурасы 92 К жана сымап негизиндеги критикалык температурасы 130 К ашкан кубаттар табылган. Бул жогорку критикалык температуралардын түшүндүрмөсү дагы эле белгисиз.
Фонондордун алмашуусунан улам электрондордун жупталышы кадимки супер өткөргүчтөрдөгү супер өткөргүчтүктү түшүндүрөт, бирок өтө жогорку критикалык температурага ээ болгон жаңы супер өткөргүчтөрдөгү супер өткөргүчтүктү түшүндүрбөйт.
Магниттик талаалар
Ошондой эле, критикалык температурадан төмөн белгиленген температурада, ашык өткөргүч материалдардан жогору болгон тышкы магнит талаасы колдонулганда, өтө өткөргүчтүгү токтойт.критикалык магнит талаасы. Себеби, супер өткөргүч фазадагы Гиббс бош энергиясы магнит талаасы менен квадраттык түрдө көбөйөт, ал эми нормалдуу фазанын бош энергиясы магнит талаасынан болжол менен көз каранды эмес.
Эгерде материал талаа жок болгон учурда өтө өткөргүч болсо, анда өтө өткөргүч фазанын бош энергиясы нормалдуу фазадан аз, демек, магнит талаасынын кандайдыр бир чектүү мааниси үчүн (квадратка пропорционал) нөлдөгү эркин энергиялардын айырмасынын тамыры), эки эркин энергия тең болуп, нормалдуу фазага фазалык өтүү болот. Жалпысынан алганда, жогорку температура жана күчтүү магнит талаасы супер өткөргүч электрондордун азыраак үлүшүнө алып келет, демек, тышкы магнит талаасынын жана токтун Лондонго тереңирээк киришине алып келет. Фазалык өтүүдө кирүү тереңдиги чексиз болуп калат.
Физикалык
Өтө өткөргүчтүктүн башталышы ар кандай физикалык касиеттердин кескин өзгөрүшү менен коштолот, бул фазалык өтүүнүн белгиси. Мисалы, электрондун жылуулук сыйымдуулугу нормалдуу (өтө өткөргүч эмес) режимдеги температурага пропорционалдуу. Өтө өткөргүч өтүүдө ал секирүүнү башынан өткөрөт жана андан кийин сызыктуу болбой калат. Төмөн температурада ал кандайдыр бир туруктуу α үчүн e−α/T ордуна өзгөрөт. Бул экспоненциалдык жүрүм-турум энергетикалык ажырымдын бар экендигинин далилдеринин бири болуп саналат.
Фазалык өтүү
Өтө өткөргүчтүк кубулушунун түшүндүрмөсү абдан чоңайкын. Өтө өткөргүч фазага өтүү тартиби көптөн бери талкууланып келет. Тажрыйбалар көрсөткөндөй, экинчи тартиптеги өтүү, башкача айтканда, жашыруун жылуулук жок. Бирок, сырткы магнит талаасынын катышуусунда жашыруун жылуулук бар, анткени өтө өткөрүүчү фаза нормалдуу фазага караганда критикалык температурадан төмөн энтропияга ээ.
Эксперименталдык түрдө төмөндөгүлөр көрсөтүлдү: магнит талаасы күчөгөндө жана критикалык талаадан ашып кеткенде, пайда болгон фазалык өтүү өтө өткөргүч материалдын температурасынын төмөндөшүнө алып келет. Өтө өткөргүчтүк феномени жогоруда кыскача сүрөттөлгөн, эми бул маанилүү эффекттин нюанстары жөнүндө айтып берүүгө убакыт келди.
1970-жылдары жасалган эсептөөлөр ал чындыгында электромагниттик талаадагы узак аралыктагы термелүүлөрдүн таасиринен улам биринчи тартипке караганда алсыз болушу мүмкүн экенин көрсөттү. 1980-жылдары өтө өткөргүчтүү сызыктар негизги ролду ойногон тартипсиздик талаасынын теориясын колдонуу менен теориялык жактан II типтеги режимде өтүү экинчи тартипте жана I типте биринчи тартипте (б.а. жашыруун жылуулук) жана эки аймак үч критикалык чекит менен бөлүнгөн.
Натыйжалар Монте-Карлодогу компьютердик симуляциялар менен бекем тастыкталды. Бул өтө өткөргүчтүк кубулуштарды изилдөөдө маанилүү роль ойногон. Учурда иш уланууда. Өтө өткөргүчтүк кубулушунун маңызы азыркы илимдин көз карашынан толук түшүнүлө элек жана түшүндүрүлгөн эмес.
