Siêu dẫn – Wikipedia

Video về hiệu ứng Meissner trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao (viên màu đen) với nam châm NdFeB (kim loại)

Một chất siêu dẫn nhiệt độ cao bay lên trên một nam châm

Siêu dẫn điện trở và trục xuất các từ thông từ xảy ra trong một số vật liệu nhất định, được gọi là chất siêu dẫn khi được làm mát dưới nhiệt độ tới hạn đặc trưng. Nó được phát hiện bởi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kam Muffh Onnes vào ngày 8 tháng 4 năm 1911 tại Leiden. Giống như ferromagnetism và các vạch quang phổ nguyên tử, siêu dẫn là một hiện tượng cơ học lượng tử. Nó được đặc trưng bởi hiệu ứng Meissner, sự phóng ra hoàn toàn các đường sức từ từ bên trong chất siêu dẫn trong quá trình chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Sự xuất hiện của hiệu ứng Meissner chỉ ra rằng tính siêu dẫn có thể được hiểu đơn giản là sự lý tưởng hóa độ dẫn hoàn hảo trong vật lý cổ điển.

Điện trở của dây dẫn kim loại giảm dần khi nhiệt độ hạ thấp. Trong các dây dẫn thông thường, chẳng hạn như đồng hoặc bạc, sự giảm này được giới hạn bởi các tạp chất và các khuyết tật khác. Ngay cả khi gần bằng không tuyệt đối, một mẫu thực của một dây dẫn bình thường cho thấy một số điện trở. Trong chất siêu dẫn, điện trở giảm đột ngột xuống 0 khi vật liệu được làm mát dưới nhiệt độ tới hạn. Một dòng điện chạy qua một vòng dây siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn mà không có nguồn điện. [1] [2] [3] [19459]

Năm 1986, người ta đã phát hiện ra rằng một số vật liệu gốm cuprate-perovskite có nhiệt độ tới hạn trên 90 K (−183 ° C). [5] Nhiệt độ chuyển tiếp cao như vậy về mặt lý thuyết là không thể đối với chất siêu dẫn thông thường, dẫn đến các vật liệu được gọi là chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Nitơ lỏng làm mát có sẵn giá rẻ sôi ở 77 K, và do đó siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn điều này tạo điều kiện cho nhiều thí nghiệm và ứng dụng ít thực tế ở nhiệt độ thấp hơn.

Phân loại [ chỉnh sửa ]

Có nhiều tiêu chí theo đó các chất siêu dẫn được phân loại. Phổ biến nhất là:

Đáp ứng với từ trường [ chỉnh sửa ]

Một chất siêu dẫn có thể là Loại I nghĩa là nó có một trường quan trọng duy nhất, trên đó tất cả các chất siêu dẫn đều bị mất và dưới đó từ trường bị trục xuất hoàn toàn khỏi chất siêu dẫn; hoặc Loại II có nghĩa là nó có hai trường quan trọng, giữa nó cho phép thâm nhập một phần từ trường thông qua các điểm bị cô lập. Những điểm này được gọi là xoáy. Hơn nữa, trong các chất siêu dẫn đa thành phần có thể có sự kết hợp của hai hành vi. Trong trường hợp đó, chất siêu dẫn là loại 1.5.

Theo lý thuyết vận hành [ chỉnh sửa ]

Đó là thông thường nếu nó có thể được giải thích bằng lý thuyết BCS hoặc các dẫn xuất của nó, hoặc ngược lại. [6]

Theo nhiệt độ tới hạn [ chỉnh sửa ]

Một chất siêu dẫn thường được coi là nhiệt độ cao nếu nó đạt đến trạng thái siêu dẫn khi làm mát bằng chất lỏng. nitơ – nghĩa là, chỉ ở T c > 77 K) – hoặc nhiệt độ thấp nếu cần các kỹ thuật làm mát mạnh hơn để đạt đến nhiệt độ tới hạn.

Theo chất liệu gốm (YBCO và magiê diboride), pnictide siêu dẫn (như LaOFeAs pha tạp flo) hoặc chất siêu dẫn hữu cơ (fullerenes và ống nano carbon, mặc dù có lẽ các ví dụ này phải được bao gồm trong các nguyên tố hóa học, vì chúng có thể được bao gồm hoàn toàn các nguyên tố hóa học).

Tính chất cơ bản của chất siêu dẫn [ chỉnh sửa ]

Hầu hết các tính chất vật lý của chất siêu dẫn thay đổi từ vật liệu sang vật liệu, như công suất nhiệt và nhiệt độ tới hạn, trường quan trọng và quan trọng mật độ hiện tại mà tại đó siêu dẫn bị phá hủy.

Mặt khác, có một loại thuộc tính độc lập với vật liệu cơ bản. Ví dụ, tất cả các chất siêu dẫn có chính xác điện trở suất bằng 0 đối với dòng điện áp thấp khi không có từ trường hoặc nếu trường ứng dụng không vượt quá giá trị tới hạn. Sự tồn tại của các tính chất "phổ quát" này ngụ ý rằng tính siêu dẫn là một pha nhiệt động, và do đó có các tính chất phân biệt nhất định, phần lớn độc lập với các chi tiết hiển vi.

Điện trở DC không điện [ chỉnh sửa ]

Cáp điện cho máy gia tốc tại CERN. Cả hai loại cáp lớn và mỏng đều được xếp hạng 12.500 A. Hàng đầu: cáp thông thường cho LEP; dưới cùng: Cáp dựa trên chất siêu dẫn cho LHC

Phương pháp đơn giản nhất để đo điện trở của một mẫu vật liệu là đặt nó trong mạch điện nối tiếp với nguồn hiện tại và đo điện áp kết quả V trên toàn mẫu. Điện trở của mẫu được đưa ra theo định luật Ohm là R = V / I . Nếu điện áp bằng 0, điều này có nghĩa là điện trở bằng không.

Các chất siêu dẫn cũng có thể duy trì dòng điện mà không có điện áp ứng dụng nào, một tính chất được khai thác trong các nam châm điện siêu dẫn như những gì được tìm thấy trong các máy MRI. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng dòng điện trong cuộn dây siêu dẫn có thể tồn tại trong nhiều năm mà không có sự suy giảm có thể đo lường được. Bằng chứng thực nghiệm chỉ ra thời gian tồn tại hiện tại ít nhất 100.000 năm. Ước tính lý thuyết về tuổi thọ của dòng điện liên tục có thể vượt quá tuổi thọ ước tính của vũ trụ, tùy thuộc vào hình dạng dây và nhiệt độ. [3] Trong thực tế, dòng điện được bơm vào cuộn dây siêu dẫn đã tồn tại hơn 23 năm (như tháng 8 năm 2018 ) trong các gravim siêu dẫn. [7][8] Trong các dụng cụ như vậy, nguyên tắc đo được dựa trên việc theo dõi sự bay lên của một quả cầu niobi siêu dẫn có khối lượng 4 gam.

Trong một dây dẫn bình thường, một dòng điện có thể được hình dung như một chất lỏng của các electron di chuyển qua một mạng ion nặng. Các electron liên tục va chạm với các ion trong mạng và trong mỗi lần va chạm, một phần năng lượng mang theo dòng điện được mạng tinh thể hấp thụ và chuyển thành nhiệt, về cơ bản là động năng dao động của các ion mạng. Kết quả là, năng lượng mang theo hiện tại liên tục bị tiêu tan. Đây là hiện tượng điện trở và sưởi ấm Joule.

Tình hình là khác nhau trong một chất siêu dẫn. Trong một chất siêu dẫn thông thường, chất lỏng điện tử không thể được phân giải thành các electron riêng lẻ. Thay vào đó, nó bao gồm các cặp bị ràng buộc của các electron được gọi là cặp Cooper. Sự ghép cặp này được gây ra bởi một lực hấp dẫn giữa các electron từ sự trao đổi các phonon. Do cơ học lượng tử, phổ năng lượng của chất lỏng cặp Cooper này có khoảng cách năng lượng có nghĩa là có một lượng năng lượng tối thiểu Δ E phải được cung cấp để kích thích chất lỏng . Do đó, nếu Δ E lớn hơn năng lượng nhiệt của mạng, được đưa ra bởi kT trong đó k là hằng số của Boltzmann và T là nhiệt độ, chất lỏng sẽ không bị phân tán bởi mạng tinh thể. Do đó, chất lỏng cặp Cooper là một siêu lỏng, có nghĩa là nó có thể chảy mà không tiêu tán năng lượng.

Trong một loại chất siêu dẫn được gọi là chất siêu dẫn loại II, bao gồm tất cả các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã biết, một điện trở cực thấp nhưng không điện áp xuất hiện ở nhiệt độ không quá thấp so với quá trình chuyển đổi siêu dẫn danh nghĩa khi một dòng điện được áp dụng cùng với một dòng điện cực mạnh từ trường, có thể được gây ra bởi dòng điện. Điều này là do chuyển động của các xoáy từ trong siêu lỏng điện tử, làm tiêu tan một phần năng lượng do dòng điện mang theo. Nếu dòng điện đủ nhỏ, các xoáy sẽ đứng yên và điện trở suất biến mất. Điện trở do hiệu ứng này rất nhỏ so với vật liệu không siêu dẫn, nhưng phải được tính đến trong các thí nghiệm nhạy cảm. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm đủ xa dưới mức chuyển tiếp siêu dẫn danh nghĩa, các xoáy này có thể bị đóng băng thành một pha bị rối loạn nhưng đứng yên được gọi là "kính xoáy". Dưới nhiệt độ chuyển đổi xoáy thủy tinh này, điện trở của vật liệu trở nên thực sự bằng không.

Quá trình chuyển pha [ chỉnh sửa ]

Hành vi của công suất nhiệt (c v màu xanh lam) và điện trở suất (ρ, màu xanh lá cây) ở giai đoạn siêu dẫn quá trình chuyển đổi

Trong vật liệu siêu dẫn, các đặc tính của chất siêu dẫn xuất hiện khi nhiệt độ T được hạ xuống dưới nhiệt độ tới hạn T c . Giá trị của nhiệt độ tới hạn này thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác. Các chất siêu dẫn thông thường thường có nhiệt độ tới hạn từ khoảng 20 K đến dưới 1 K. Thủy ngân rắn, ví dụ, có nhiệt độ tới hạn là 4.2 K. Tính đến năm 2015, nhiệt độ tới hạn cao nhất được tìm thấy đối với chất siêu dẫn thông thường là 203K đối với H 2 S, mặc dù áp suất cao khoảng 90 gigapascal là cần thiết. [9] Chất siêu dẫn Cuprate có thể có nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiều: YBa 2 Cu 3 O một trong những chất siêu dẫn cuprate đầu tiên được phát hiện, có nhiệt độ tới hạn 92 K, và cuprate dựa trên thủy ngân đã được tìm thấy với nhiệt độ tới hạn vượt quá 130 K. Giải thích cho những nhiệt độ quan trọng cao này vẫn chưa được biết. Sự ghép cặp electron do trao đổi phonon giải thích tính siêu dẫn trong chất siêu dẫn thông thường, nhưng nó không giải thích được tính siêu dẫn trong chất siêu dẫn mới hơn có nhiệt độ tới hạn rất cao.

Tương tự, ở nhiệt độ cố định dưới nhiệt độ tới hạn, vật liệu siêu dẫn sẽ ngừng siêu dẫn khi từ trường bên ngoài được áp dụng lớn hơn từ trường tới hạn . Điều này là do năng lượng tự do Gibbs của pha siêu dẫn tăng theo phương trình bậc hai với từ trường trong khi năng lượng tự do của pha thông thường gần như không phụ thuộc vào từ trường. Nếu vật liệu siêu dẫn không có trường, thì năng lượng tự do của pha siêu dẫn thấp hơn so với pha thông thường và do đó đối với một số giá trị hữu hạn của từ trường (tỷ lệ với căn bậc hai của sự khác biệt của năng lượng tự do ở mức 0 từ trường) hai năng lượng tự do sẽ bằng nhau và sự chuyển pha sang pha bình thường sẽ xảy ra. Tổng quát hơn, nhiệt độ cao hơn và từ trường mạnh hơn dẫn đến một phần nhỏ các electron đang siêu dẫn và do đó độ sâu thâm nhập của London từ trường và dòng điện từ bên ngoài dài hơn. Độ sâu thâm nhập trở nên vô hạn ở giai đoạn chuyển tiếp.

Sự khởi đầu của tính siêu dẫn đi kèm với những thay đổi đột ngột trong các tính chất vật lý khác nhau, đó là dấu hiệu của sự chuyển pha. Ví dụ, công suất nhiệt điện tử tỷ lệ thuận với nhiệt độ trong chế độ thông thường (không siêu dẫn). Ở giai đoạn chuyển tiếp siêu dẫn, nó phải chịu một bước nhảy không liên tục và sau đó không còn là tuyến tính nữa. Ở nhiệt độ thấp, nó thay đổi thay vì e −α / T đối với một số hằng số, α. Hành vi theo cấp số nhân này là một trong những bằng chứng cho sự tồn tại của khoảng cách năng lượng.

Thứ tự của quá trình chuyển pha siêu dẫn là một vấn đề tranh luận. Các thí nghiệm chỉ ra rằng quá trình chuyển đổi là thứ hai, có nghĩa là không có nhiệt ẩn. Tuy nhiên, trong sự hiện diện của từ trường bên ngoài có nhiệt ẩn, bởi vì pha siêu dẫn có entropy thấp hơn dưới nhiệt độ tới hạn so với pha thông thường. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm [10] do đó, khi từ trường tăng lên ngoài trường tới hạn, quá trình chuyển pha dẫn đến sự giảm nhiệt độ của vật liệu siêu dẫn.

Các tính toán trong những năm 1970 cho thấy rằng nó thực sự có thể là thứ tự yếu đầu tiên do ảnh hưởng của dao động tầm xa trong trường điện từ. Trong những năm 1980, nó đã được chứng minh trên lý thuyết với sự trợ giúp của một lý thuyết trường rối loạn, trong đó các dòng xoáy của chất siêu dẫn đóng vai trò chính, rằng sự chuyển đổi là thứ hai trong chế độ loại II và thứ tự thứ nhất (tức là nhiệt ẩn ) trong chế độ loại I và hai khu vực được phân tách bằng một điểm ba. [11] Các kết quả được hỗ trợ mạnh mẽ bởi các mô phỏng máy tính Monte Carlo. [12]

Hiệu ứng Meissner [ chỉnh sửa ]

Khi chất siêu dẫn được đặt trong từ trường bên ngoài yếu H và được làm mát dưới nhiệt độ chuyển tiếp của nó, từ trường bị đẩy ra. Hiệu ứng Meissner không làm cho trường bị đẩy ra hoàn toàn mà thay vào đó, trường này xuyên qua chất siêu dẫn mà chỉ ở một khoảng cách rất nhỏ, được đặc trưng bởi một tham số được gọi là độ sâu thâm nhập Luân Đôn, phân rã theo cấp số nhân phần lớn vật liệu. Hiệu ứng Meissner là một đặc tính xác định của tính siêu dẫn. Đối với hầu hết các chất siêu dẫn, độ sâu thâm nhập của Luân Đôn theo thứ tự 100nm.

Hiệu ứng Meissner đôi khi bị nhầm lẫn với loại diamagnetism mà người ta mong đợi ở một dây dẫn điện hoàn hảo: theo định luật của Lenz, khi từ trường thay đổi được áp dụng cho một dây dẫn, nó sẽ tạo ra một điện dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường đối diện. Trong một dây dẫn hoàn hảo, một dòng điện lớn tùy ý có thể được tạo ra và từ trường kết quả sẽ hủy bỏ chính xác trường ứng dụng.

Hiệu ứng Meissner khác biệt với hiệu ứng này, đó là sự trục xuất tự phát xảy ra trong quá trình chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Giả sử chúng ta có một vật liệu ở trạng thái bình thường, chứa từ trường bên trong không đổi. Khi vật liệu được làm mát dưới nhiệt độ tới hạn, chúng ta sẽ quan sát sự trục xuất đột ngột của từ trường bên trong, điều mà chúng ta không mong đợi dựa trên định luật của Lenz.

Hiệu ứng Meissner đã được đưa ra một lời giải thích hiện tượng học của anh em Fritz và Heinz London, người đã chỉ ra rằng năng lượng tự do điện từ trong chất siêu dẫn được giảm thiểu cung cấp

trong đó H là từ trường và là độ sâu thâm nhập của Luân Đôn.

Phương trình này, được gọi là phương trình London, dự đoán rằng từ trường trong chất siêu dẫn phân rã theo cấp số nhân từ bất kỳ giá trị nào mà nó sở hữu ở bề mặt.

Một chất siêu dẫn có ít hoặc không có từ trường bên trong nó được cho là ở trạng thái Meissner. Trạng thái Meissner bị phá vỡ khi từ trường ứng dụng quá lớn. Các chất siêu dẫn có thể được chia thành hai lớp theo cách xảy ra sự cố này. Trong chất siêu dẫn loại I, chất siêu dẫn bị phá hủy đột ngột khi cường độ của trường ứng dụng tăng lên trên một giá trị tới hạn H c . Tùy thuộc vào hình dạng của mẫu, người ta có thể có được trạng thái trung gian [13] bao gồm một mẫu baroque [14] của các vùng vật liệu bình thường mang từ trường trộn lẫn với các vùng của vật liệu siêu dẫn không chứa trường. Trong chất siêu dẫn loại II, việc nâng trường ứng dụng vượt quá giá trị tới hạn H c 1 dẫn đến trạng thái hỗn hợp (còn được gọi là trạng thái xoáy) từ thông xuyên qua vật liệu, nhưng vẫn không có khả năng chống lại dòng điện, miễn là dòng điện không quá lớn. Ở cường độ trường quan trọng thứ hai H c 2 siêu dẫn bị phá hủy. Trạng thái hỗn hợp thực sự được gây ra bởi các xoáy trong siêu lỏng điện tử, đôi khi được gọi là thông lượng vì thông lượng mang theo các xoáy này được lượng tử hóa. Hầu hết các chất siêu dẫn nguyên tố tinh khiết, ngoại trừ ống nano niobi và carbon, là Loại I, trong khi hầu hết tất cả các chất siêu dẫn không tinh khiết và hợp chất là Loại II.

Khoảnh khắc Luân Đôn [ chỉnh sửa ]

Ngược lại, một chất siêu dẫn quay tạo ra một từ trường, được căn chỉnh chính xác với trục quay. Hiệu ứng, thời điểm London, đã được sử dụng tốt trong Gravity dò B. Thí nghiệm này đã đo từ trường của bốn con quay siêu dẫn để xác định trục quay của chúng. Điều này rất quan trọng đối với thí nghiệm vì đây là một trong số ít cách để xác định chính xác trục quay của một quả cầu không có gì đặc biệt.

Lịch sử siêu dẫn [ chỉnh sửa ]

Siêu dẫn được phát hiện vào ngày 8 tháng 4 năm 1911 bởi Heike Kam Muffh Onnes, người đang nghiên cứu tính kháng của thủy ngân rắn ở nhiệt độ gần đây. helium làm chất làm lạnh. Ở nhiệt độ 4.2 K, anh ta quan sát thấy điện trở đột ngột biến mất. [15] Trong cùng một thí nghiệm, anh ta cũng quan sát thấy sự chuyển đổi siêu lỏng của helium ở 2,2 K, mà không nhận ra tầm quan trọng của nó. Ngày và hoàn cảnh chính xác của khám phá chỉ được tái tạo lại một thế kỷ sau đó, khi cuốn sổ tay của Onnes được tìm thấy. [16] Trong những thập kỷ tiếp theo, siêu dẫn đã được quan sát thấy trong một số vật liệu khác. Năm 1913, chì đã được tìm thấy siêu dẫn ở 7 K, và năm 1941 niobi nitride đã được tìm thấy để siêu dẫn ở 16 K.

Những nỗ lực to lớn đã được dành cho việc tìm hiểu làm thế nào và tại sao siêu dẫn hoạt động; bước quan trọng xảy ra vào năm 1933, khi Meissner và Ochsenfeld phát hiện ra rằng chất siêu dẫn đã trục xuất từ ​​trường ứng dụng, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Meissner. [17] Năm 1935, Fritz và Heinz London cho thấy hiệu ứng Meissner là hậu quả về việc giảm thiểu năng lượng điện từ tự do mang theo dòng siêu dẫn. [18]

Lý thuyết Luân Đôn [ chỉnh sửa ]

Lý thuyết hiện tượng đầu tiên về siêu dẫn là lý thuyết London. Nó được đưa ra bởi hai anh em Fritz và Heinz London vào năm 1935, ngay sau khi phát hiện ra rằng từ trường bị trục xuất khỏi chất siêu dẫn. Một chiến thắng chính của các phương trình của lý thuyết này là khả năng giải thích hiệu ứng Meissner của họ, [17] trong đó một vật liệu sẽ phóng đại theo cấp số nhân tất cả các từ trường bên trong khi nó vượt qua ngưỡng siêu dẫn. Bằng cách sử dụng phương trình London, người ta có thể có được sự phụ thuộc của từ trường bên trong chất siêu dẫn vào khoảng cách đến bề mặt. [19]

Có hai phương trình London: