Was ist das Phänomen der Supraleitung? Supraleitung ist ein Phänomen ohne elektrischen Widerstand und die Freisetzung von magnetischen Flussfeldern, die in bestimmten Materialien, sogenannten Supraleitern, auftreten, wenn sie unter eine charakteristische kritische Temperatur abgekühlt werden.
Das Phänomen wurde von der holländischen Physikerin Heike Kamerling-Onnes am 8. April 1911 in Leiden entdeckt. Supraleitung ist wie Ferromagnetismus und atomare Spektrallinien ein quantenmechanisches Phänomen. Er ist durch den Meissner-Effekt gekennzeichnet - ein vollständiger Ausstoß magnetischer Feldlinien aus dem Inneren des Supraleiters während seines Übergangs in den supraleitenden Zustand.
Das ist die Essenz des Phänomens der Supraleitung. Das Aufkommen des Meissner-Effekts weist darauf hin, dass die Supraleitung nicht einfach als Idealisierung der idealen Leitfähigkeit in der klassischen Physik verstanden werden kann.
Was ist das Phänomen der Supraleitung
Der elektrische Widerstand eines Metallleiters nimmt allmählich abAbsenken der Temperatur. Bei herkömmlichen Leitern wie Kupfer oder Silber wird diese Verringerung durch Verunreinigungen und andere Defekte begrenzt. Sogar nahe dem absoluten Nullpunkt zeigt eine echte Probe eines normalen Leiters einen gewissen Widerstand. In einem Supraleiter fällt der Widerstand stark auf Null, wenn das Material unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird. Elektrischer Strom durch eine Schleife aus supraleitendem Draht kann unbegrenzt ohne Stromquelle aufrechterh alten werden. Dies ist die Antwort auf die Frage, was ist das Phänomen der Supraleitung.
Geschichte
Im Jahr 1911, als die niederländische Physikerin Heike Kamerling Onnes und ihr Team die Eigenschaften von Materie bei sehr niedrigen Temperaturen untersuchten, entdeckten sie, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber unter 4,2 K (-269 °C) auf null abfällt. Dies war die allererste Beobachtung des Phänomens der Supraleitung. Die meisten chemischen Elemente werden bei ausreichend niedrigen Temperaturen supraleitend.
Unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur gehen Materialien in einen supraleitenden Zustand über, der durch zwei Haupteigenschaften gekennzeichnet ist: Erstens widerstehen sie dem Durchgang von elektrischem Strom nicht. Wenn der Widerstand auf Null fällt, kann Strom ohne Energieverlust im Material zirkulieren.
Zweitens dringen externe Magnetfelder, sofern sie ausreichend schwach sind, nicht in den Supraleiter ein, sondern verbleiben auf seiner Oberfläche. Dieses Feldausstoßphänomen wurde als Meissner-Effekt bekannt, nachdem es erstmals 1933 von einem Physiker beobachtet wurde.
Drei Namen, drei Buchstaben und eine unvollständige Theorie
Die gewöhnliche Physik gibt nicht genügend herErklärungen des supraleitenden Zustands, sowie die elementare Quantentheorie des Festkörpers, die das Verh alten von Elektronen getrennt vom Verh alten von Ionen in einem Kristallgitter betrachtet.
Erst 1957 schufen drei amerikanische Forscher - John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer - die mikroskopische Theorie der Supraleitung. Ihrer BCS-Theorie zufolge bündeln sich Elektronen durch Wechselwirkung mit Gitterschwingungen (sogenannten „Phononen“) zu Paaren und bilden so Cooper-Paare, die sich reibungsfrei innerhalb eines Festkörpers bewegen. Ein Festkörper kann als Gitter positiver Ionen betrachtet werden, die in eine Elektronenwolke eingetaucht sind. Wenn ein Elektron dieses Gitter passiert, bewegen sich die Ionen leicht und werden von der negativen Ladung des Elektrons angezogen. Diese Bewegung erzeugt einen elektrisch positiven Bereich, der wiederum ein weiteres Elektron anzieht.
Die Energie der elektronischen Wechselwirkung ist ziemlich schwach, und Dämpfe können leicht durch Wärmeenergie aufgebrochen werden - daher tritt Supraleitung normalerweise bei sehr niedrigen Temperaturen auf. Die BCS-Theorie liefert jedoch keine Erklärung für die Existenz von Hochtemperatur-Supraleitern bei etwa 80 K (-193 °C) und darüber, an denen andere Elektronenbindungsmechanismen beteiligt sein müssen. Die Anwendung des Phänomens der Supraleitung basiert auf obigem Verfahren.
Temperatur
Im Jahr 1986 wurde festgestellt, dass einige Cuprat-Perowskit-Keramikmaterialien kritische Temperaturen über 90 K (-183 °C) aufweisen. Diese hohe Sperrschichttemperatur ist theoretischfür einen konventionellen Supraleiter unmöglich, was zu Materialien führt, die als Hochtemperatur-Supraleiter bezeichnet werden. Verfügbarer flüssiger Kühlstickstoff siedet bei 77 K, und somit erleichtert die Supraleitung bei höheren Temperaturen viele Experimente und Anwendungen, die bei niedrigeren Temperaturen weniger praktikabel sind. Das ist die Antwort auf die Frage, bei welcher Temperatur das Phänomen der Supraleitung auftritt.
Klassifizierung
Supraleiter können nach mehreren Kriterien klassifiziert werden, die von unserem Interesse an ihren physikalischen Eigenschaften abhängen, von dem Verständnis, das wir über sie haben, davon, wie teuer es ist, sie zu kühlen, oder von dem Material, aus dem sie bestehen.
Durch seine magnetischen Eigenschaften
Supraleiter vom Typ I: solche, die nur ein kritisches Feld, Hc, haben und bei Erreichen abrupt von einem Zustand in einen anderen übergehen.
Supraleiter vom Typ II: mit zwei kritischen Feldern, Hc1 und Hc2, die perfekte Supraleiter unter dem unteren kritischen Feld (Hc1) sind und den supraleitenden Zustand über dem oberen kritischen Feld (Hc2) vollständig verlassen und sich in einem gemischten Zustand dazwischen befinden die kritischen Felder.
Wie wir sie über sie verstehen
Gewöhnliche Supraleiter: solche, die durch die BCS-Theorie oder verwandte Theorien vollständig erklärt werden können.
Unkonventionelle Supraleiter: solche, die mit solchen Theorien nicht erklärt werden konnten, zum Beispiel: schwere FermionSupraleiter.
Dieses Kriterium ist wichtig, weil die BCS-Theorie seit 1957 die Eigenschaften konventioneller Supraleiter erklärt, es aber andererseits keine befriedigende Theorie zur Erklärung der völlig unkonventionellen Supraleiter gibt. In den meisten Fällen sind Supraleiter vom Typ I üblich, aber es gibt einige Ausnahmen, wie z. B. Niob, das sowohl üblich als auch vom Typ II ist.
Durch ihre kritische Temperatur
Niedertemperatur-Supraleiter oder LTS: solche, deren kritische Temperatur unter 30 K liegt.
Hochtemperatur-Supraleiter oder HTS: solche, deren kritische Temperatur über 30 K liegt. Einige verwenden jetzt 77 K als Trennung, um zu betonen, ob wir die Probe mit flüssigem Stickstoff (dessen Siedepunkt 77 K beträgt) kühlen können ist viel praktikabler als flüssiges Helium (eine Alternative, um die für die Herstellung von Niedertemperatur-Supraleitern erforderlichen Temperaturen zu erreichen).
Weitere Details
Ein Supraleiter kann vom Typ I sein, was bedeutet, dass er ein einziges kritisches Feld hat, oberhalb dessen die gesamte Supraleitung verloren geht und unterhalb dessen das Magnetfeld vollständig aus dem Supraleiter eliminiert wird. Typ II, dh es hat zwei kritische Felder, zwischen denen es ein teilweises Eindringen des Magnetfelds durch isolierte Punkte ermöglicht. Diese Punkte werden Wirbel genannt. Außerdem ist bei Mehrkomponenten-Supraleitern eine Kombination zweier Verh altensweisen möglich. In diesem Fall ist der Supraleiter vom Typ 1, 5.
Eigenschaften
Die meisten physikalischen Eigenschaften von Supraleitern variieren von Material zu Material, wie z. B. Wärmekapazität und kritische Temperatur, kritisches Feld und kritische Stromdichte, bei der die Supraleitung zusammenbricht.
Andererseits gibt es eine Klasse von Eigenschaften, die unabhängig vom Grundmaterial sind. Zum Beispiel haben alle Supraleiter bei niedrigen angelegten Strömen, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist oder wenn das angelegte Feld einen kritischen Wert nicht überschreitet, einen absoluten Widerstandswert von Null.
Das Vorhandensein dieser universellen Eigenschaften impliziert, dass die Supraleitung eine thermodynamische Phase ist und daher bestimmte charakteristische Eigenschaften hat, die weitgehend unabhängig von mikroskopischen Details sind.
Anders verhält es sich beim Supraleiter. In einem herkömmlichen Supraleiter kann die Elektronenflüssigkeit nicht in einzelne Elektronen zerlegt werden. Stattdessen besteht es aus gebundenen Elektronenpaaren, die als Cooper-Paare bekannt sind. Diese Paarung wird durch die Anziehungskraft zwischen Elektronen verursacht, die aus dem Austausch von Phononen resultiert. Aufgrund der Quantenmechanik weist das Energiespektrum dieser Flüssigkeit des Cooper-Paares eine Energielücke auf, d. h. es muss eine Mindestenergie ΔE zugeführt werden, um die Flüssigkeit anzuregen.
Daher wird, wenn ΔE größer ist als die thermische Energie des Gitters, gegeben durch kT, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist, die Flüssigkeit nicht durch das Gitter gestreut. SoDaher ist die Cooper-Dampfflüssigkeit superflüssig, was bedeutet, dass sie ohne Energieverlust fließen kann.
Eigenschaften der Supraleitung
In supraleitenden Materialien treten supraleitende Eigenschaften auf, wenn die Temperatur T unter die kritische Temperatur Tc fällt. Der Wert dieser kritischen Temperatur variiert von Material zu Material. Herkömmliche Supraleiter haben typischerweise kritische Temperaturen im Bereich von etwa 20 K bis weniger als 1 K.
Zum Beispiel hat festes Quecksilber eine kritische Temperatur von 4,2 K. Ab 2015 beträgt die höchste kritische Temperatur, die für einen herkömmlichen Supraleiter gefunden wurde, 203 K für H2S, obwohl ein hoher Druck von etwa 90 Gigapascal erforderlich war. Cuprat-Supraleiter können viel höhere kritische Temperaturen haben: YBa2Cu3O7, einer der ersten entdeckten Cuprat-Supraleiter, hat eine kritische Temperatur von 92 K, und auf Quecksilber basierende Cuprate mit kritischen Temperaturen von über 130 K wurden gefunden. Die Erklärung für diese hohen kritischen Temperaturen bleibt unbekannt.
Elektronenpaarung aufgrund von Phononenaustausch erklärt die Supraleitung in konventionellen Supraleitern, aber nicht die Supraleitung in neueren Supraleitern, die eine sehr hohe kritische Temperatur haben.
Magnetische Felder
In ähnlicher Weise beenden supraleitende Materialien bei einer festgelegten Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur die Supraleitung, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, das größer als istKritisches Magnetfeld. Dies liegt daran, dass die freie Gibbs-Energie der supraleitenden Phase quadratisch mit dem Magnetfeld zunimmt, während die freie Energie der normalen Phase ungefähr unabhängig vom Magnetfeld ist.
Wenn das Material in Abwesenheit eines Feldes supraleitend ist, dann ist die freie Energie der supraleitenden Phase kleiner als die der normalen Phase, und daher für einen endlichen Wert des Magnetfelds (proportional zum Quadrat Wurzel der Differenz der freien Energien bei Null), werden die beiden freien Energien gleich sein, und es wird einen Phasenübergang in die normale Phase geben. Allgemeiner führen eine höhere Temperatur und ein stärkeres Magnetfeld zu einem geringeren Anteil an supraleitenden Elektronen und daher zu einer größeren Eindringtiefe externer Magnetfelder und Ströme in London. Beim Phasenübergang wird die Eindringtiefe unendlich.
Physisch
Der Beginn der Supraleitung wird von abrupten Änderungen verschiedener physikalischer Eigenschaften begleitet, was das Kennzeichen eines Phasenübergangs ist. Beispielsweise ist die Elektronenwärmekapazität im normalen (nicht supraleitenden) Regime proportional zur Temperatur. Beim Supraleitungsübergang erfährt es einen Sprung und ist danach nicht mehr linear. Bei niedrigen Temperaturen ändert es sich anstelle von e−α/T für ein konstantes α. Dieses exponentielle Verh alten ist einer der Beweise für die Existenz einer Energielücke.
Phasenübergang
Die Erklärung für das Phänomen der Supraleitung ist ziemlichoffensichtlich. Die Reihenfolge des supraleitenden Phasenübergangs wird seit langem diskutiert. Experimente zeigen, dass es keinen Übergang zweiter Ordnung, dh latente Wärme, gibt. In Gegenwart eines externen Magnetfelds entsteht jedoch latente Wärme, da die supraleitende Phase eine niedrigere Entropie hat, die niedriger ist als die kritische Temperatur, als die normale Phase.
Experimentell wurde Folgendes nachgewiesen: Wenn das Magnetfeld ansteigt und über das kritische Feld hinausgeht, führt der resultierende Phasenübergang zu einer Abnahme der Temperatur des supraleitenden Materials. Das Phänomen der Supraleitung wurde oben kurz beschrieben, jetzt ist es an der Zeit, Ihnen etwas über die Nuancen dieses wichtigen Effekts zu erzählen.
Berechnungen aus den 1970er Jahren zeigten, dass es aufgrund des Einflusses von langreichweitigen Schwankungen im elektromagnetischen Feld tatsächlich schwächer als die erste Ordnung sein könnte. In den 1980er Jahren wurde mit Hilfe der Unordnungsfeldtheorie, in der supraleitende Wirbellinien eine große Rolle spielen, theoretisch gezeigt, dass der Übergang im Typ-II-Modus zweiter Ordnung und im Typ-I-Modus erster Ordnung (dh latente Wärme) ist dass die beiden Regionen durch einen trikritischen Punkt getrennt sind.
Die Ergebnisse wurden durch Computersimulationen in Monte Carlo stark bestätigt. Dies spielte eine wichtige Rolle bei der Untersuchung des Phänomens der Supraleitung. Die Arbeit wird derzeit fortgesetzt. Das Wesen des Phänomens der Supraleitung wird aus Sicht der modernen Wissenschaft nicht vollständig verstanden und erklärt.
