Асқын өткізгіштік құбылысы дегеніміз не? Асқын өткізгіштік - нөлдік электрлік кедергісі бар құбылыс және сипатты критикалық температурадан төмен салқындаған кезде асқын өткізгіштер деп аталатын белгілі бір материалдарда пайда болатын магнит ағыны өрістерінің бөлінуі.
Құбылысты голланд физигі Хайке Камерлинг-Оннес 1911 жылы 8 сәуірде Лейденде ашқан. Ферромагнетизм және атомдық спектрлік сызықтар сияқты асқын өткізгіштік те кванттық механикалық құбылыс болып табылады. Ол Мейснер эффектісімен сипатталады – оның асқын өткізгіштік күйге өтуі кезінде оның ішінен магнит өрісінің сызықтарының толық шығарылуы.
Асқын өткізгіштік құбылысының мәні осында. Мейснер эффектінің пайда болуы асқын өткізгіштікті классикалық физикадағы идеалды өткізгіштіктің идеализациясы ретінде түсінуге болмайтынын көрсетеді.
Асқын өткізгіштік құбылысы дегеніміз не
Металл өткізгіштің электр кедергісі бірте-бірте төмендейдітемператураны төмендету. Мыс немесе күміс сияқты жалпы өткізгіштерде бұл азайту қоспалармен және басқа ақаулармен шектеледі. Тіпті абсолютті нөлге жақын болса да, қалыпты өткізгіштің нақты үлгісі кейбір қарсылықты көрсетеді. Асқын өткізгіште материал критикалық температурадан төмен салқындаған кезде кедергі нөлге дейін күрт төмендейді. Асқын өткізгіш сымның контуры арқылы өтетін электр тогын қуат көзінсіз шексіз ұстауға болады. Бұл асқын өткізгіштік құбылысы деген сұраққа жауап.
Тарих
1911 жылы өте төмен температурада заттың қасиеттерін зерттей отырып, голланд физигі Хайке Камерлинг Оннес және оның командасы сынаптың электрлік кедергісі 4,2 К (-269°C) төмен нөлге дейін төмендейтінін анықтады. Бұл асқын өткізгіштік құбылысының ең алғашқы бақылауы болды. Көптеген химиялық элементтер жеткілікті төмен температурада асқын өткізгіштікке айналады.
Белгілі бір критикалық температурадан төмен материалдар екі негізгі қасиетімен сипатталатын асқын өткізгіштік күйге өтеді: біріншіден, олар электр тогының өтуіне қарсы тұрмайды. Кедергі нөлге дейін төмендегенде, ток материалдың ішінде энергияны жоғалтпай айнала алады.
Екіншіден, олар жеткілікті әлсіз болған жағдайда, сыртқы магнит өрістері асқын өткізгішке енбей, оның бетінде қалады. Бұл өрісті шығару құбылысы 1933 жылы физик алғаш рет бақылаған соң Мейснер эффектісі ретінде белгілі болды.
Үш атау, үш әріп және толық емес теория
Қарапайым физика адекватты бермейдіасқын өткізгіштік күйдің түсіндірмесі, сондай-ақ электрондардың әрекетін кристалдық тордағы иондардың әрекетінен бөлек қарастыратын қатты күйдің элементар кванттық теориясы.
Тек 1957 жылы үш американдық зерттеуші - Джон Бардин, Леон Купер және Джон Шриффер асқын өткізгіштіктің микроскопиялық теориясын жасады. Олардың BCS теориясына сәйкес, электрондар торлы тербелістермен («фонондар» деп аталатын) әрекеттесу арқылы жұптарға біріктіріледі, осылайша қатты дененің ішінде үйкеліссіз қозғалатын Купер жұптарын құрайды. Қатты денені электрондар бұлтына батырылған оң иондардың торы ретінде қарастыруға болады. Электрон осы тор арқылы өткенде, иондар электронның теріс зарядымен тартылып, аздап қозғалады. Бұл қозғалыс электрлік оң аймақты тудырады, ол өз кезегінде басқа электронды тартады.
Электрондық өзара әрекеттесу энергиясы өте әлсіз, ал буларды жылу энергиясымен оңай ыдыратуға болады - сондықтан асқын өткізгіштік әдетте өте төмен температурада болады. Дегенмен, BCS теориясы шамамен 80 К (-193 ° C) және одан жоғары температурада жоғары температуралы асқын өткізгіштердің болуын түсіндіре алмайды, олар үшін басқа электрондарды байланыстыру механизмдері қатысуы керек. Асқын өткізгіштік құбылысын қолдану жоғарыда аталған процеске негізделген.
Температура
1986 жылы кейбір купрат-перовскит керамикалық материалдарының 90 К (-183 °C) жоғары сыни температурасы бар екені анықталды. Бұл жоғары қосылыс температурасы теориялықкәдімгі асқын өткізгіш үшін мүмкін емес, бұл материалдардың жоғары температуралы асқын өткізгіштер деп аталуына әкеледі. Қол жетімді салқындатқыш сұйық азот 77 К температурада қайнайды, осылайша олардан жоғары температурада асқын өткізгіштік көптеген эксперименттер мен төменгі температураларда практикалық емес қолданбаларды жеңілдетеді. Бұл асқын өткізгіштік құбылысы қандай температурада болады деген сұраққа жауап.
Жіктеу
Асқын өткізгіштерді олардың физикалық қасиеттеріне деген қызығушылығымызға, олар туралы біздің түсінігімізге, оларды салқындату қаншалықты қымбатқа түсетініне немесе олардан жасалған материалға байланысты бірнеше критерий бойынша жіктеуге болады.
Магниттік қасиеттері бойынша
I типті асқын өткізгіштер: тек бір критикалық өрісі бар Hc және оған жеткенде бір күйден екінші күйге кенет ауысатындар.
ІІ типті асқын өткізгіштер: екі критикалық өрісі бар, Hc1 және Hc2, төменгі критикалық өріс (Hc1) астында мінсіз асқын өткізгіштер болып табылады және жоғарғы критикалық өрістен (Hc2) жоғары асқын өткізгіш күйді толығымен қалдырады, олардың арасындағы аралас күйде болады. маңызды өрістер.
Олар туралы біз түсінеміз
Қарапайым суперөткізгіштер: BCS теориясы немесе соған байланысты теориялар арқылы толық түсіндіруге болатындар.
Дәстүрлі емес асқын өткізгіштер: мұндай теориялар арқылы түсіндіруге болмайтындар, мысалы: ауыр фермиондыасқын өткізгіштер.
Бұл критерий маңызды, өйткені BCS теориясы 1957 жылдан бері кәдімгі асқын өткізгіштердің қасиеттерін түсіндіреді, бірақ екінші жағынан, мүлдем дәстүрлі емес асқын өткізгіштерді түсіндіретін қанағаттанарлық теория болған жоқ. Көп жағдайда I типті асқын өткізгіштер жиі кездеседі, бірақ жалпы және II типтегі ниобий сияқты бірнеше ерекшеліктер бар.
Критикалық температура бойынша
Төмен температуралы асқын өткізгіштер немесе LTS: критикалық температурасы 30 К-ден төмен болатындар.
Жоғары температуралы асқын өткізгіштер немесе HTS: критикалық температурасы 30 К жоғары болатындар. Кейбіреулер қазір үлгіні сұйық азотпен (қайнау температурасы 77 К) салқындату мүмкіндігін анықтау үшін бөлу ретінде 77 К пайдаланады. сұйық гелийге қарағанда әлдеқайда мүмкін (төмен температуралы асқын өткізгіштерді шығару үшін қажетті температураға жетудің балама нұсқасы).
Басқа мәліметтер
Асқын өткізгіш I типті болуы мүмкін, яғни оның жалғыз критикалық өрісі бар, оның үстінде барлық асқын өткізгіштік жоғалады, ал одан төмен магнит өрісі асқын өткізгіштен толығымен жойылады. II тип, яғни оның екі критикалық өрісі бар, олардың арасында оқшауланған нүктелер арқылы магнит өрісінің ішінара енуіне мүмкіндік береді. Бұл нүктелер құйындар деп аталады. Сонымен қатар, көп компонентті асқын өткізгіштерде екі мінез-құлықтың тіркесімі мүмкін. Бұл жағдайда асқын өткізгіш 1, 5 типті.
Сипаттар
Асқын өткізгіштердің физикалық қасиеттерінің көпшілігі материалдан материалға қарай өзгереді, мысалы, жылу сыйымдылығы мен критикалық температура, критикалық өріс және асқын өткізгіштік бұзылатын токтың критикалық тығыздығы.
Екінші жағынан, негізгі материалдан тәуелсіз қасиеттер класы бар. Мысалы, барлық асқын өткізгіштер төмен қолданылатын токтарда, магнит өрісі болмағанда немесе қолданылатын өріс критикалық мәннен аспағанда абсолютті нөлдік кедергіге ие.
Бұл әмбебап қасиеттердің болуы асқын өткізгіштіктің термодинамикалық фаза екенін және сондықтан микроскопиялық бөлшектерге көп тәуелсіз белгілі бір ерекше қасиеттерге ие екенін білдіреді.
Асқын өткізгіште жағдай басқаша. Кәдімгі асқын өткізгіште электронды сұйықтықты жеке электрондарға бөлуге болмайды. Оның орнына ол Купер жұптары деп аталатын байланысқан электрон жұптарынан тұрады. Бұл жұптасу фонондардың алмасуы нәтижесінде пайда болатын электрондар арасындағы тартымды күштің әсерінен болады. Кванттық механикаға байланысты Купер жұбының бұл сұйықтығының энергетикалық спектрінде энергетикалық саңылау бар, яғни сұйықтықты қоздыру үшін берілуі керек ΔE энергиясының ең аз мөлшері бар.
Сондықтан, егер ΔE кТ арқылы берілген тордың жылу энергиясынан үлкен болса, мұндағы k - Больцман тұрақтысы және T - температура, сұйықтық тор арқылы шашырап кетпейді. СоныменОсылайша, Купер буының сұйықтығы артық сұйықтық болып табылады, яғни ол энергияны таратпастан ағып кете алады.
Асқын өткізгіштік сипаттамалары
Өткізгіш материалдарда асқын өткізгіштік сипаттамалары T температурасы критикалық температура Tc төмен түскенде пайда болады. Бұл сыни температураның мәні материалдан материалға қарай өзгереді. Кәдімгі асқын өткізгіштерде әдетте 20 К-ден 1 К-ден төмен сыни температуралар болады.
Мысалы, қатты сынаптың критикалық температурасы 4,2 К. 2015 жылғы жағдай бойынша кәдімгі асқын өткізгіш үшін табылған ең жоғары критикалық температура H2S үшін 203 К құрайды, дегенмен шамамен 90 гигапаскаль жоғары қысым қажет болды. Купрат асқын өткізгіштері әлдеқайда жоғары критикалық температураға ие болуы мүмкін: бірінші ашылған купрат асқын өткізгіштерінің бірі YBa2Cu3O7, критикалық температурасы 92 К және сынап негізіндегі критикалық температурасы 130 К-ден асатын купраттар табылды. Бұл жоғары критикалық температуралардың түсіндірмесі әлі күнге дейін сақталады. белгісіз.
Фонон алмасуына байланысты электрондардың жұптасуы кәдімгі асқын өткізгіштердегі асқын өткізгіштікті түсіндіреді, бірақ өте жоғары критикалық температурасы бар жаңа асқын өткізгіштердегі асқын өткізгіштікті түсіндірмейді.
Магниттік өрістер
Сол сияқты, критикалық температурадан төмен тіркелген температурада асқын өткізгіш материалдар мынадан үлкен сыртқы магнит өрісі қолданылғанда асқын өткізгіштігін тоқтатады.критикалық магнит өрісі. Себебі асқын өткізгіш фазаның Гиббс бос энергиясы магнит өрісімен квадраттық түрде артады, ал қалыпты фазаның бос энергиясы магнит өрісінен шамамен тәуелсіз болады.
Егер материал өріс жоқ кезде асқын өткізгіш болса, онда асқын өткізгіш фазаның бос энергиясы қалыпты фазадан аз, демек, магнит өрісінің кейбір соңғы мәні үшін (квадратқа пропорционал) нөлдегі бос энергиялар айырмасының түбірі), екі бос энергия тең болады және қалыпты фазаға фазалық ауысу болады. Жалпы алғанда, жоғары температура мен күшті магнит өрісі асқын өткізгіш электрондардың аз бөлігіне әкеледі, сондықтан сыртқы магнит өрістері мен токтарының Лондонға ену тереңдігіне әкеледі. Фазалық ауысуда ену тереңдігі шексіз болады.
Физикалық
Асқын өткізгіштіктің басталуы әртүрлі физикалық қасиеттердің күрт өзгеруімен бірге жүреді, бұл фазалық ауысудың белгісі болып табылады. Мысалы, электронның жылу сыйымдылығы қалыпты (асқын өткізгіштік емес) режимдегі температураға пропорционал. Асқын өткізгіштік ауысу кезінде ол секіруді бастан кешіреді, содан кейін ол сызықты болуды тоқтатады. Төмен температурада ол кейбір тұрақты α үшін e−α/T орнына өзгереді. Бұл экспоненциалды мінез-құлық энергия алшақтығының бар екендігінің дәлелдерінің бірі болып табылады.
Фазалық ауысу
Асқын өткізгіштік құбылысының түсіндірмесі жеткіліктіанық. Асқын өткізгіш фазаның ауысу тәртібі ұзақ уақыт бойы талқыланды. Тәжірибе көрсеткендей, екінші ретті ауысу, яғни жасырын жылу жоқ. Дегенмен, сыртқы магнит өрісі болған кезде жасырын жылу бар, себебі асқын өткізгіш фазаның қалыпты фазаға қарағанда, критикалық температурадан төмен энтропиясы бар.
Тәжірибе жүзінде мынаны көрсетті: магнит өрісі ұлғайып, критикалық өріс шегінен шыққанда, нәтижесінде пайда болатын фазалық ауысу асқын өткізгіш материал температурасының төмендеуіне әкеледі. Асқын өткізгіштік құбылысы жоғарыда қысқаша сипатталған, енді сізге осы маңызды әсердің нюанстары туралы бірдеңе айтудың уақыты келді.
1970 жылдары жасалған есептеулер оның электромагниттік өрістегі ұзақ диапазондағы тербелістердің әсерінен шын мәнінде бірінші реттіден әлсіз болуы мүмкін екенін көрсетті. 1980 жылдары асқын өткізгіш құйынды сызықтар үлкен рөл атқаратын тәртіпсіздік өрісі теориясын қолдану арқылы теориялық түрде II типті режимде ауысу екінші ретті және I тип режимінде бірінші ретті (яғни жасырын жылу) және және екі аймақ үш критикалық нүктемен бөлінген.
Нәтижелер Монте-Карлодағы компьютерлік модельдеу арқылы қатты расталды. Бұл асқын өткізгіштік құбылысын зерттеуде маңызды рөл атқарды. Қазіргі уақытта жұмыс жалғасуда. Асқын өткізгіштік құбылысының мәні қазіргі ғылым тұрғысынан толық түсініліп, түсіндірілмеген.
