Bez żadnego oporu

Bez żadnego oporu

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №8, 2011

W tym roku mija 100 lat od odkrycia nadprzewodnictwa.

Fizycy końca XIX wieku byli bardzo zainteresowani tym, jak przewodność elektryczna metali zachowuje się w bardzo niskich temperaturach. Z tego powodu były różne teorie, ale ich zastosowanie w pobliżu zera absolutnego wydawało się wątpliwe. W grudniu 1910 roku Kamerlingh Onnes wraz z Cornelisem Dorsmanem i Gilles Holstem rozpoczęli eksperymenty. Przede wszystkim zmierzyli zależność temperaturową oporu drutu platynowego chłodzonego ciekłym helem. Okazało się, że spada wraz z temperaturą, ale poniżej 4,25 K staje się stała. Kamerlingh Onnes uważał, że chemicznie czysty metal w pobliżu absolutnego zera musi swobodnie płynąć i wyjaśniać rezydualną odporność na wpływ zanieczyszczeń. W przyszłości zdecydował się na użycie rtęci, którą można oczyścić przez powtarzanie destylacji w próżni. Ciekłą rtęć wlano do cienkich naczyń włosowatych w temperaturze pokojowej i ochłodzono w kriostacie z helem, po czym zmierzono jej oporność. W niezwykły dzień 8 kwietnia 1911 r. Kamerlingh Onnes był przekonany, że po ochłodzeniu z 4,3 do 3 K opór rtęci spada do niemal zera.W powtórzonym eksperymencie z 11 maja odkrył, że rtęć traci swój opór po schłodzeniu do 4,2 K (w rzeczywistości jej skala temperatury nie była całkowicie poprawna, w rzeczywistości czysta rtęć staje się nadprzewodnikiem przy 4,15 K).

Kamerlingh Onnes zdał sobie sprawę, że nagłe zniknięcie oporności elektrycznej rtęci (lub przynajmniej jej spadek do wartości niemierzalnych) nie ma teoretycznego wytłumaczenia. Doszedł do wniosku, że rtęć przechodzi w nowy stan, który nazwał nadprzewodnictwem (temperatura takiego przejścia jest teraz nazywana krytycznym, Tc).

Później pod przewodnictwem Kamerlingha Onnesa w Leiden odkryto cztery kolejne nadprzewodniki – cyna i ołów (1912), tal (1919) i ind (1923). Ale najciekawsze odkrycia jego laboratorium nie były. Już jesienią 1911 r. Zaobserwowano, że nadprzewodnictwo rtęci załamuje się, gdy gęstość prądu wzrasta powyżej pewnej granicy, która wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Dalsze eksperymenty wykazały, że gdy drut nadprzewodzący jest złożony w spiralę, próg ten zmniejsza się kilkakrotnie. Cewki z cynku i ołowiu wykonane do tych eksperymentów były pierwszymi nadprzewodzącymi magnesami na świecie.

Te wyniki sugerują, że nadprzewodnictwo jest niszczone przez pole magnetyczne (które przy tej samej sile prądu wewnątrz solenoidu jest znacznie silniejsze niż w liniowym przewodniku). Co dziwne, Kamerlingh Onnes nie pomyślał o tej możliwości, tłumacząc zniknięcie nadprzewodnictwa przez słabe chłodzenie cewek. Był jednak bardzo zainteresowany wpływem zewnętrznego pola magnetycznego na zachowanie nadprzewodnika. Rozpoczynając te badania w 1914 r., Wkrótce przekonał się, że pole napięcia zaledwie kilkuset okrążeń prowadzi do takich samych efektów jak ogrzewanie, to znaczy eliminuje nadprzewodnictwo. Chociaż Kamerlingh Onnes jednoznacznie sformułował ten wniosek i pokazał, że wartość progowa pola magnetycznego (we współczesnej terminologii, pole krytyczne Hc) wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, podobnie jak wartość progowa gęstości prądu, nie widział związku między tymi zjawiskami. I tylko w 1916 roku amerykański fizyk Francis Brigg Silsby wyraził hipotezę, że w obu przypadkach nadprzewodnictwo jest niszczone przez pole magnetyczne, niezależnie od jego źródła.

W 1914 r. Kamerlingh Onnes na nowo zdefiniował pojawienie się prądu nadprzewodzącego.W temperaturze pokojowej cewka z ołowianego drutu została schłodzona w polu magnetycznym do około 2 K, po czym pole wytworzone przez elektromagnes zostało wyłączone. Prąd indukcyjny pojawił się w cewce, która za pomocą swojego pola magnetycznego utrzymywała namagnesowaną igłę zawieszoną nad cewką. Zgodnie z obserwacjami, podczas tych półtorej godziny, podczas których cewka była trzymana w kriostacie, natężenie prądu praktycznie nie zmniejszało się. Gdyby nie był nadprzewodzący, prąd zostałby oczywiście osłabiony w nieznacznym ułamku sekundy.

Nadprzewodnictwo i magnetyzm

Po Kamerlingh Onnes laboratorium kierowali Willem Keez i Vander de Haas. Pod koniec lat dwudziestych okazało się, że nie tylko metale stają się nadprzewodnikami, ale także związki bimetaliczne, a ich próg pola magnetycznego może wynosić wiele tysięcy Oersteds, czyli dziesięć razy więcej niż czystych metali. Udowodnili również, że zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego obniża temperaturę krytyczną.

Do tego czasu badanie nadprzewodnictwa dotyczyło nie tylko Holandii. Drugi kompleks skraplania helu został uruchomiony na University of Toronto w 1923 r., A trzecie dwa lata później w laboratorium kriogenicznym Imperialnego Centrum Fizyki i Technologii na przedmieściach Charlottenburg w Berlinie.W latach 1928-1930 ujawniono tam nadprzewodnictwo tantalu, toru i niobu. W 1933 r. Dyrektor laboratorium Walter Meissner i jego asystent Robert Oxenfeld znaleźli paradoksalną cechę nadprzewodników, która obecnie jest uważana za bardziej fundamentalną niż zdolność do przekazywania prądu elektrycznego bez zakłóceń.

Efekt Meissnera-Oxenfelda, podobnie jak nadprzewodnictwo, został odkryty przypadkiem. W owym czasie nadprzewodniki były postrzegane jedynie jako idealne przewodniki o zerowym oporze. W 1925 r. Gertrud de Haaz-Lorenz (żona Vander de Haas i córka wielkiego holenderskiego fizyka Hendrika Lorenza) teoretycznie odkryła, że ​​w takich materiałach prądy elektryczne płyną tylko w warstwie powierzchniowej o grubości około 50 nm (oszacowanie okazało się niezwykle dokładne – na przykład dla ołowiu liczba ta wynosi 40 nm). Kilka lat później niemieccy fizycy uzyskali podobne wyniki. Meissner chciał przetestować tę teorię eksperymentalnie. Ponieważ nie można było zajrzeć do wnętrza nadprzewodnika, postanowił zbadać pola magnetyczne generowane przez prądy nadprzewodzące. Tutaj czeka go niespodzianka. Okazało się, że nadprzewodniki współdziałają z polem magnetycznym w zupełnie inny sposób niż idealne przewodniki powinny z nim współpracować (patrz pasek boczny).Eksperymenty Meissnera i Oxenfelda wykazały, że wewnątrz nadprzewodnika pole magnetyczne staje się zerowe, to znaczy przejście do stanu nadprzewodzącego prowadzi do doskonałego diamagnetyzmu (substancje, w których zewnętrzne pole magnetyczne jest osłabione, nazywane są diamagnetycznie). Wyniki te wyglądały na całkowicie paradoksalne. Wielokrotne powtarzane eksperymenty potwierdziły, że słabe pola magnetyczne nie wnikają w stałe nadprzewodniki, chociaż przechodzą przez pierścienie i wydrążone cylindry.

Efekt Meissnera-Oxenfelda

W jaki sposób idealne przewodniki powinny zachowywać się w polu magnetycznym? Weź próbkę metalu o prostej geometrii (kulka lub cienki długi cylinder) i umieść go w stałym, jednolitym polu magnetycznym w temperaturze pokojowej. Jak wiadomo ze szkolnego kursu fizyki, pole przeniknie do próbki na całej jej grubości. Zredukuj temperaturę poniżej wartości krytycznej, aby próbka znajdowała się w idealnym przewodniku. Takie przejście w żaden sposób nie wpływa na pole magnetyczne, które wciąż penetruje próbkę. Po rozłączeniu pola wewnątrz idealnego przewodnika magnetyzm zostaje zachowany z powodu pojawienia się prądów indukcyjnych (przywołując zasadę Lenza), ale pole zewnętrzne zmienia się naturalnie.

Teraz wykonamy podobne operacje w odwrotnej kolejności: najpierw schłodzić próbkę, a następnie włączyć pole magnetyczne. Idealny przewodnik całkowicie wypchnie linie magnetyczne siły i wygeneruje prądy indukcyjne ekranujące na swojej powierzchni. Jednak po podniesieniu temperatury i przekształceniu idealnego przewodnika w zwykły metal, pole magnetyczne ponownie wniknie w próbkę.

Meissner i Oxenfeld w eksperymentach z cylindrami cynowymi i ołowiowymi stwierdzili, że ta prognoza jest tylko w połowie spełniona. W drugiej wersji doświadczenia nadprzewodnik zachowuje się tak, jak powinien, dla idealnego przewodnika. Jednak pierwsza wersja (chłodzenie w stałym polu magnetycznym) prowadzi do zupełnie nieoczekiwanego wyniku. Po przejściu do stanu nadprzewodzącego próbka całkowicie popycha strumień magnetyczny, tak że indukcja magnetyczna w jego wnętrzu okazuje się być zerowa. Wydaje się, że w tym przypadku prądy ciągłe powstają na powierzchni nadprzewodnika, który osłania jego wewnętrzną część przed zewnętrznym polem magnetycznym. Eksperymentatorzy również znaleźliże po kolejnym odłączeniu pola próbka traci swoje namagnesowanie. Wynika z tego, że prądy znikają, chociaż muszą być zachowane w idealnym przewodniku.

Klasyczny martwy koniec

Po śmierci Onnesa opracowano kwantową teorię metali i stopów, która zapowiadała nadzieję na wyjaśnienie nadprzewodnictwa. Wyszukali go światowej klasy teoretycy, tacy jak Werner Heisenberg i Wolfgang Pauli, Niels Bor i Hans Bethe, Lev Landau i Jacob Frenkel, Neville Mott i Hendrik Casimir, ale nie jest to pełna lista. Jednak nadprzewodnictwo pozostało tajemnicą nie do zdobycia przez długi czas. Jeden z twórców kwantowej teorii ciał stałych, Felix Bloch, na początku lat 30. XX wieku przewidywał, że jakakolwiek teoria nadprzewodnictwa zostanie z czasem obalona. Prognoza ta trwała 20 lat.

W 1932 r. Holenderski teoretyk Ralph Kronig zaproponował model, w którym elektrony w nadprzewodniku tworzą rodzaj krystalicznej sieci, w której jednowymiarowe elektroniczne łańcuchy, które przenoszą prąd elektryczny swobodnie przesuwają się. Dwa lata później Cornelis Gorter i Hendrik Casimir opracowali ten pomysł w teorii.Twierdzi, że w pobliżu zera absolutnego skropleniu w „faza krystaliczna” nadprzewodnika w prawie wszystkich elektronami, ale mała jej część pozostaje w postaci wolnego gazu. „Crystallized” elektrony przenosi prąd transportowego bez oporu, oraz „gaz” są jeszcze rozproszenie fluktuacji termicznych i defektów sieci krystalicznej. Po ogrzaniu frakcja gazowa wzrasta i osiąga 100% w krytycznej temperaturze. Gorter i Kazimierz oparto na klasycznej termodynamiki i elektrodynamiki, mechaniki kwantowej nie jest używany. Model ten mógłby nawet częściowo odpowiadać wynikom eksperymentów, ale nadal wyglądał niezwykle sztucznie.

Zadanie teoretyków i tak naprawdę nie było łatwe. Muszę przyznać, że undamped prądy powierzchniowe występują w przejściu do stanu nadprzewodzącego w statycznym polu magnetycznym w próbce za rozsądną interpretacji efektu Meissner-Ochsenfeld. Ale zgodnie z klasycznymi równaniami Maxwella prąd elektryczny indukowany jest tylko przez zmiany w polu magnetycznym.Teoria ciał stałych dowodzi, że ten wniosek jest całkiem prawdziwy dla elektronów przewodnictwa w normalnym metalu. Pozostało założyć, że obecne nośniki w nadprzewodnikach są w jakimś egzotycznym stanie, aby opisać, które nowe modele były potrzebne.

Pierwsze kroki kwantowe

Pierwszy taki model w 1934 r. Opracowali Fritz i Heinz Londons, niemieccy fizycy, którzy wyemigrowali do Anglii po dojściu Hitlera do władzy. Londyńscy bracia pracowali w laboratorium Clarendon na Uniwersytecie Oksfordzkim, gdzie do tego czasu uruchomiono pierwsze brytyjskie centrum kriogeniczne z kompleksem do skraplania helu. Postulowali dwa równania opisujące związek między prądem nadprzewodzącym, natężeniem pola elektrycznego i indukcją magnetyczną. Z tych równań wynika, że ​​zewnętrzne pole magnetyczne rozprzestrzenia się wewnątrz nadprzewodnika tylko w bardzo cienkiej warstwie, która nazywa się głębokością penetracji Londynu (50-500 nm).

Nadprzewodniki typu I i typu II

Najbardziej przekonujące wyniki interakcji nadprzewodników i pola magnetycznego uzyskano pod kierunkiem wybitnego eksperymentatora Leva Shubnikova wlaboratorium kriogeniczne Ukraińskiego Instytutu Fizyko-Technicznego w Charkowie, gdzie w 1933 r. zainstalowano skraplacz. Shubnikov odkrył, że w przeciwieństwie do czystych metali, nadprzewodniki nie mają jednego, ale dwa krytyczne pola magnetyczne – dolny i górny (teraz są oznaczone jako Hc1 i Hc2). Zewnętrzne pola magnetyczne mniejsze niż Hc1, w ogóle nie wnikają w stop, dlatego zachowuje się jak czysty nadprzewodzący metal. Wraz z dalszym wzrostem intensywności zewnętrzne pole zaczyna wnikać w próbkę, ale jego opór elektryczny pozostaje zerowy. Gdy pole staje się Hc2, stop przestaje być nadprzewodzący. W zakresie pól zewnętrznych od dolnego krytycznego do górnego krytycznego, taki nadprzewodnik znajduje się w stanie pośrednim, w którym efekt Meissnera-Oxenfelda już nie działa. Dwa czyste metale, wanad i niob, zachowują się podobnie. Można to było wyjaśnić dopiero 20 lat później. Takie nadprzewodniki są teraz nazywane nadprzewodnikami typu II, a czyste metale (i niektóre stopy), które całkowicie przestrzegają efektu Meissnera, są klasyfikowane jako nadprzewodniki typu I.

Teoria Londynu była szczytem zrozumienia natury nadprzewodnictwa, osiągniętej w pierwszej połowie XX wieku.Dobrze opisuje zachowanie się nadprzewodnika w zewnętrznym polu magnetycznym, które jest znacznie niższe niż Hc (lub Hc1). Równania Londynu nie zawierają jeszcze stałej Plancka i dlatego nie są formalnie związane z fizyką kwantową. Jednak w 1935 r. Fritz London doszedł do wniosku, że elektrony w nadprzewodnikach znajdują się w stacjonarnych stanach kwantowych, do pewnego stopnia podobnych do stanów elektronów w orbitach wewnątrzatomowych. Był pierwszym na świecie, który widział w nadprzewodnictwie czysto kwantowe zjawisko o skali makroskopowej, co było wówczas rewolucyjnym pomysłem. W 1948 roku wykazał, że strumień magnetyczny jest kwantyzowany, to znaczy przenika do pierścienia nadprzewodzącego tylko w skończonych częściach, zawsze równych całkowitej liczbie elementarnych kwantów strumienia magnetycznego. Eksperymenty potwierdziły kwantyzację strumienia magnetycznego dopiero w 1961 roku.

Druga wojna światowa niemal całkowicie przerwała studia nadprzewodnictwa. Coś wtedy zrobiono – na przykład w 1941 roku w Niemczech odkryto nadprzewodnictwo azotku niobu o rekordowej wysokiej temperaturze 15 K. Jednak prawdziwy przełom w tej dziedzinie nastąpił w latach 60. XX w., Kiedy substancje, które stały się nadprzewodnikami o znaczącym wyższe temperatury.Ale o tym, podobnie jak o nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, przeczytaj jeden z następujących numerów "PM".


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: