Superlaidumas

Magnetas, levituojantis virš aukštos temperatūros superlaidininko, atvėsinto suskystintu azotu. Čia pasireiškia Meisnerio efektas.

Superlaidumas – reiškinys, pasireiškiantis kai kurioms medžiagoms žemoje temperatūroje ir pasižymintis absoliučiai nuline elektrine varža ir vidinio magnetinio lauko pašalinimu (Meisnerio efektas). Superlaidžiomis savybėmis pasižyminti medžiaga vadinama superlaidininku. Temperatūra, kurią pasiekus medžiaga tampa superlaidi, vadinama kritine temperatūra T_c.

Superlaidumu pasižymi daug medžiagų: paprasti elementai, kaip aliuminis ar alavas, įvairūs metalų lydiniai ir kai kurie puslaidininkiai. Tačiau superlaidumas nepasireiškia tauriuosiuose metaluose (pvz., aukse ar sidabre) ir daugumoje feromagnetinių metalų.

Superlaidumą iš dalies paaiškina BKŠ teorija, kurioje pagrindinis vaidmuo tenka elektronų poroms, vadinamoms Kūperio poromis.

Istorija

Superlaidumą 1911 m. atrado Heike Kamerlingh Onnes, kuris pastebėjo, jog gyvsidabrį atšaldžius iki 4,2 K temperatūros (apie –269 °C), pastarasis visiškai netenka varžos.

1986 m. atrastos medžiagos, kurių kritinė temperatūra T_c=90 K. Šios medžiagos vadinamos aukštos temperatūros superlaidininkais. Tokie superlaidininkai jau galėjo būti pritaikyti komerciniu lygiu dėl galimybės šaldymui naudoti skystą azotą (jo virimo temperatūra – 77 K). Tai atnaujino didelį mokslinį ir komercinį susidomėjimą superlaidininkais.

Šiuo metu (2007 spalis) aukščiausios temperatūros superlaidininkas yra keraminė medžiaga, sudaryta iš alavo, indžio, bario, tulio, vario ir deguonies (Sn_1,4In_0,6Ba₄Tm₅Cu₆O_20+δ). Jo kritinė temperatūra esant 1 atm siekia 175 K. Paieška naujų aukštatemperatūrinių superlaidininkų su aukštesniemis T_c, tebesitęsia.

Už superlaidumo teorinį paaiškinimą (1957 m.) amerikiečiai Džonas Bardinas, Leonas Kuperis ir Džonas Robertas Šryferis buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija (1972 m.).

Superlaidininkų Savybės

Superlaidininkų savybės varijuoja priklausomai nuo tipo (I ir II tipo superlaidininkai), medžiagos sudėties. Bet yra keletas bendrų savybių: nulinė varža, Meisnerio efektas ir priklausomybė nuo temperatūros (superlaidumas yra temperatūrinės fazės būsena).

Nulinė varža nuolatinei srovei

Paprasčiausias būdas aptikti superlaidumo būseną yra matuoti įtampos kritimą, įjungus superlaidžią medžiagą į nuolatinės srovės grandinę. Jeigu įtampos kritimas esant srovei I yra U=0, tai pagal Omo dėsnį varža R=0. Eksperimentiškai yra parodyta, kad sukūrus srovę vien tik superlaidininko grandinėje, ji gali tekėti praktiniu požiūriu beveik neribotą laiką.

Įprastame laidininke elektros srovė gali būti įsivaizduojama kaip elektronų srautas, judantis per joninę gardelę. Elektronai nuolatos susiduria su jonais ir atiduoda savo kinetinę energiją, kuri pavirsta joninės gardelės virpesiais – iš esmės šilumine energija. Taip yra aiškinamas elektrinės varžos reiškinys.

Tačiau superlaidininke elektronai sraute yra susiporavę ir sudaro Kuperio poras. Šis susiporavimas yra aiškinamas fononų apsikeitimu tarp dviejų elektronų. Tai yra kvantinės mechaninkos reiškinys ir šiai būsenai pasiekti reikia diskretaus energijos kiekio ΔE. Jei šis energijos kiekis yra didesnis už šiluminę gardelės energiją (kuri yra kT, kur k yra Bolcmano konstanta), Kuperio poros gali susidaryti ir galima nulinė elektrinė varža. Toks superlaidininkas yra vadinamas I tipo superlaidininku.

Tačiau yra kita klasė superlaidininkų, kurie turi labai mažą elektrinę varžą ties kritine temperatūra T_c. Ši varža galima, kai yra stiprus išorinis magnetinis laukas ir teka srovė. Ši varža susidaro dėl elektros srovės sūkurių superlaidininke. Jeigu temperatūra yra mažinama žemiau T_c, tai sūkuriai tampa pastovūs ir varža krenta iki absoliutaus nulio. Šitokie superlaidininkai yra vadinami II tipo superlaidininkais.

Temperatūrinis fazinis virsmas

Superlaidumas pasireiškia, kai superlaidininkas atšaldomas žemiau krizinės temperatūros T_c. Superlaidumo būsena yra lydima ne tik nulinės varžos reiškinio, bet ir savitosios šilumos netiesiniu pakitimu. Įprasta, kad pereinant iš aukštesnės temperatūros fazinės būsenos (iš garų į skystį ar iš skysčio į kietą būseną), savitoji šiluma šuoliu krenta. Tačiau virš temperatūros T_c savitoji šiluma priklauso tiesiškai nuo T, o ties T_c ji staiga išauga ir toliau eksponentiškai mažėja iki abosliutaus nulio. Tuo ypatingas superlaidus fazinis virsmas.

Meisnerio efektas

Meisnerio efektas: magnetas levituoja virš azotu atšaldyto superlaidininko.

Superlaidininkas neįleidžia į save išorinio magnetinio lauko, kurio stipris H yra mažesnis už kritinį stiprį H_c. Šis magnetinis laukas gali būti tiek nuolatinis, tiek ir kintamas, o įsiskverbti gali tik per nedidelį Londono įsiskverbimo gylį. Šis gylis daugumai superlaidininkų būna 100 nm eilės. Tai yra vadinama Meisnerio efektu.

Meisnerio efektą paaiškino broliai Fritz ir Heinz London. Jie parodė, kad superlaidininke magnetinė energija minimizuojama, jeigu

$\nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,$

Čia H yra magnetinio lauko stipris, o λ yra Londono įsiskverbimo gylis.

Superlaidumo efektas yra prarandamas, kai išorinio magnetinio lauko stipris višija kritinį H_c. I tipo superlaidininkuose elektrinė varža staiga atsiranda iš karto po H_c. Tačiau II tipo superlaidininkai iš karto nulinės varžos nepraranda. Egzistuoja du magnetinio lauko stipriai H_c1<H_c2. Tarp šitų magnetinio lauko stiprių superlaidininkas yra tarpinėje būsenoje. Elektrinės varžos nėra, tačiau magnetinis laukas gali įsiskverbti tam tikrose vietose. Pasiekus H_c2, superlaidumas išnyksta. Dauguma I tipo superlaidininkų yra pavieniai cheminiai elementai, o II tipo superlaidininkai yra junginiai.

Pritaikymas

Iš superlaidininkų yra gaminami labai stiprūs elektromagnetai, nes jais gali tekėti stipri elektros srovė. Naudojami magnetinio ir branduolinio magnetinio rezonansų mašinose. Magnetinis rezonansas leidžia nejonizuojant žmogaus kūno pamatyti jo vidaus organus; branduolinis rezonansas yra pritaikomas spektroskopijoje. Stiprus magnetinis laukas taip pat gali būti panaudotas cheminių junginių tirpalų segmentavime ar valdyti dalelių srautus dalelių greitintuvuose. Nulinė superlaidininkų varža naudinga radijo ryšio elektros grandinėse.

Superlaidininkai yra panaudojami gaminant Džozefsono jungtis. Jos gali detektuoti labai silpnus magnetinius laukus, netgi atskirus fotonus, kurie sukelia nedideles sroves grandinėse, į kurias įjungtos Džozefsono jungtys.

Superlaidumas taip pat reiškia mažus energijos nuostolius transformatoriuose, elektros energijos perdavimo linijose, elektros varikliuose.

Nuorodos

• superconductors.org – Superconductor Information for the Beginners (angl.)
• Įvadas į superlaidumą Archyvuota kopija 2010-05-22 iš Wayback Machine projekto. (angl.)
• Kembridžo universiteto vaizdo paskaitos apie superlaidumą Archyvuota kopija 2010-08-21 iš Wayback Machine projekto. (angl.)
• Elektroninis žurnalas „Superconductor Science and Technology“ Archyvuota kopija 2008-07-06 iš Wayback Machine projekto. (angl.)