Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — это увлекательное явление, наблюдаемое в определенных материалах, когда они проявляют нулевое электрическое сопротивление и вытесняют магнитные поля, когда охлаждаются ниже определенной критической температуры, известной как температура перехода в сверхпроводящее состояние. Это свойство позволяет непрерывный поток электрического тока. Сверхпроводимость привлекла значительное внимание благодаря своему потенциалу революционизировать передачу энергии, магнитную левитацию и квантовые вычисления.

Открытие сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости впервые было открыто Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Оннес обнаружил, что когда ртуть охлаждалась до температур, близких к абсолютному нулю (около 4,2 Кельвина или -268,95 °C), она не имела электрического сопротивления. Это открытие было революционным, поскольку оно бросало вызов традиционному пониманию электричества и проводимости в то время.

Когда материал переходит в сверхпроводящее состояние, он вступает в состояние идеального диамагнетизма, что означает полное вытеснение магнитных полей. Этот аспект сверхпроводников объясняется эффектом Мейснера, открытым Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Основы сверхпроводимости

Понимание сверхпроводимости зависит от нескольких ключевых принципов:

Нулевое электрическое сопротивление

В обычных проводниках, таких как медь или серебро, электроны сталкиваются с атомами и примесями, что приводит к сопротивлению. Это сопротивление вызывает нагревание и потерю энергии. Однако в сверхпроводнике электроны образуют пары, известные как пары Купера. Эти пары движутся через кристаллическую решетку материала без рассеяния, тем самым устраняя электрическое сопротивление.

Эффект Мейснера

Эффект Мейснера описывает вытеснение магнитных полей из сверхпроводника. По мере перехода материала в его сверхпроводящее состояние внутреннее магнитное поле падает до нуля, обеспечивая идеальный диамагнетизм.

Эта SVG демонстрирует схематическую диаграмму эффекта Мейснера, где B (линии магнитного поля) вытесняются из сверхпроводящей сферы.

Типы сверхпроводников

Сверхпроводники можно широко классифицировать на две категории:

Тип I сверхпроводников

Это обычно природные элементарные сверхпроводники, такие как свинец, олово и ртуть. Сверхпроводники типа I проявляют идеальный эффект Мейснера и переходят в сверхпроводящее состояние при одном критическом магнитном поле. Если магнитное поле превышает это критическое значение, сверхпроводимость разрушится.

Тип II сверхпроводников

Изготовленные из сплавов и высокотемпературных керамических соединений, сверхпроводники типа II входят в смешанное состояние, известное как "вихревое состояние". Это происходит между двумя критическими точками: нижним критическим полем и верхним критическим полем. В этом состоянии линии магнитного поля частично проникают в материал, образуя вихри. Сверхпроводники типа II могут поддерживать сверхпроводимость при более высоких магнитных полях, чем тип I.

Применение сверхпроводимости

Уникальные свойства сверхпроводников открыли двери для множества технологических применений:

Магнитная левитация

Сверхпроводники используются в системах магнитной левитации (маглев) для транспортировки, когда поезда парят над рельсами, устраняя трение и достигая более высоких скоростей и энергоэффективности.

Хранение и передача энергии

Сверхпроводящие материалы используются для бездоказательных энергетических передач в электросетях, а также в системах сверхпроводящего магнитного накопления энергии (SMES), которые хранят энергию с высокой эффективностью.

Квантовые вычисления

Строительные блоки квантовых компьютеров, сверхпроводящие кубиты, используют симметрию квантового состояния сверхпроводников для выполнения расчетов гораздо более эффективно, чем обычные компьютеры.

Проблемы и перспективы на будущее

Несмотря на их обещание, сверхпроводники сталкиваются с серьезными проблемами. Основной препятствием является низкая критическая температура, необходимая для достижения сверхпроводимости. Высокотемпературные сверхпроводники, открытые в конце 1980-х, частично решают эту проблему, но необходимость в дорогих криогенных системах ограничивает широкое использование.

Текущие исследования направлены на открытие новых материалов и механизмов для достижения сверхпроводимости при комнатной температуре, что революционизирует электронику, энергетические системы и многие другие отрасли промышленности.

Химические аспекты сверхпроводимости

Изучение сверхпроводников часто выходит за пределы их физических свойств, включая химические аспекты. Это включает состав, связь и кристаллическую структуру, которые влияют на температуру перехода в сверхпроводящее состояние и другие свойства.

Переходные металлические оксиды

Многие высокотемпературные сверхпроводники представляют собой медные оксиды со сложными структурами и химическими композициями. Эти CuO 2 плоскости являются неотъемлемой частью их сверхпроводящих свойств.

Интерметаллиды и сверхпроводники сплавов

Сверхпроводники на основе сплавов, такие как ниобий-олово (_{Nb 3 Sn}), обладают смешанным металлическим связью и упорядоченной структурой, которые влияют на их температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Эта SVG представляет интерметаллическую связь внутри элементарной ячейки сплавного сверхпроводника.

Теоретические основы

Теоретическое изучение сверхпроводимости включает в себя понимание парной электроники и взаимодействия с кристаллической решеткой:

Принцип БКТ

Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКТ), сформулированная в 1957 году, описывает классические сверхпроводники. Она предполагает, что электроны образуют пары Купера, обменяясь через колебания решетки, называемые фононами. Эти пары конденсируются в основном состоянии, где сопротивление равно нулю.

Ψ = √N₀ exp(iθ)

Волновая функция Ψ представляет собой когерентное состояние с нетронутой симметрией, что отвечает за сверхпроводящую фазу.

Дальнейший путь

Сверхпроводимость остается областью интенсивного научного исследования, объединяющей химию и физику. Прогресс в понимании высокотемпературной сверхпроводимости, новых материалов и улучшенных методов синтеза приведет к дальнейшим приложениям.

Исследователи стремятся преодолеть такие проблемы, как создание бесповрежденных, крупномасштабных сверхпроводников и понимание механизмов взаимодействия между ними. С продолжением преданности и сотрудничества между дисциплинами будущее сверхпроводимости светлое.

Комментарии