Supraleitung von Metallen: Bedeutung und Anwendung in der Physik. Was ist Supraleitung? Was ist Supraleitung in der Chemie?

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Supraleitung, ein Zustand, in den sich einige feste, elektrisch leitende Stoffe bei niedrigen Temperaturen umwandeln. Supraleitung wurde in vielen Metallen und Legierungen sowie in einer wachsenden Zahl von Halbleiter- und Keramikmaterialien entdeckt. Zwei der überraschendsten Phänomene, die im supraleitenden Zustand der Materie beobachtet werden, sind das Verschwinden des elektrischen Widerstands im Supraleiter und die Ausstoßung des magnetischen Flusses ( cm. unten) von seinem Volumen. Der erste Effekt wurde von frühen Forschern als Beweis für eine unendlich große elektrische Leitfähigkeit interpretiert, daher der Name Supraleitung.

Das Verschwinden des elektrischen Widerstands kann durch Anregen eines elektrischen Stroms in einem Ring aus supraleitendem Material nachgewiesen werden. Wenn der Ring auf die erforderliche Temperatur abgekühlt ist, bleibt der Strom im Ring auf unbestimmte Zeit bestehen, auch nachdem die Stromquelle, die ihn verursacht hat, entfernt wird. Der magnetische Fluss besteht aus einer Reihe magnetischer Kraftlinien, die ein Magnetfeld bilden. Während die Feldstärke einen bestimmten kritischen Wert unterschreitet, wird der Fluss aus dem Supraleiter verdrängt, was in Abb. schematisch dargestellt ist. 1.

Ein elektrisch leitender Festkörper ist ein Kristallgitter, in dem sich Elektronen bewegen können. Das Gitter besteht aus geometrisch korrekt angeordneten Atomen, und die bewegten Elektronen sind Elektronen aus den äußeren Hüllen der Atome. Da der Elektronenfluss ein elektrischer Strom ist, werden diese Elektronen Leitungselektronen genannt. Befindet sich der Leiter in einem normalen (nicht supraleitenden) Zustand, bewegt sich jedes Elektron unabhängig von den anderen. Die Fähigkeit eines Elektrons, sich zu bewegen und damit einen elektrischen Strom aufrechtzuerhalten, wird durch seine Kollisionen mit dem Gitter sowie mit Verunreinigungsatomen im Festkörper begrenzt. Damit in einem Leiter ein Elektronenstrom existiert, muss an ihn eine Spannung angelegt werden; das bedeutet, dass der Leiter einen elektrischen Widerstand hat. Befindet sich der Leiter in einem supraleitenden Zustand, dann verbinden sich die Leitungselektronen zu einem einzigen makroskopisch geordneten Zustand, in dem sie sich wie ein „Kollektiv“ verhalten; Das gesamte „Team“ reagiert auch auf äußere Einflüsse. Kollisionen zwischen Elektronen und dem Gitter werden unmöglich, und der einmal erzeugte Strom existiert auch dann, wenn keine externe Stromquelle (Spannung) vorhanden ist. Der supraleitende Zustand tritt abrupt bei einer Temperatur ein, die Übergangstemperatur genannt wird. Oberhalb dieser Temperatur befindet sich das Metall oder der Halbleiter im Normalzustand und darunter im supraleitenden Zustand. Die Übergangstemperatur einer bestimmten Substanz wird durch die Beziehung zwischen zwei „entgegengesetzten Kräften“ bestimmt: Die eine neigt dazu, die Elektronen zu ordnen, die andere neigt dazu, diese Ordnung zu zerstören. Beispielsweise ist die Tendenz zur Ordnung bei Metallen wie Kupfer, Gold und Silber so gering, dass diese Elemente selbst bei Temperaturen von nur wenigen Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt nicht zu Supraleitern werden. Der absolute Nullpunkt (0 K, –273,16 °C) ist die untere Temperaturgrenze, bei der ein Stoff seine gesamte Wärme verliert. Andere Metalle und Legierungen haben Übergangstemperaturen im Bereich von 0,000325 bis 23,2 K ( siehe Tabelle). 1986 wurden Supraleiter aus keramischen Materialien mit ungewöhnlich hohen Übergangstemperaturen hergestellt. Somit liegt die Übergangstemperatur für Keramikproben YBa 2 Cu 3 O 7 über 90 K.

Physiker nennen den supraleitenden Zustand einen makroskopischen quantenmechanischen Zustand. Die Quantenmechanik, die normalerweise zur Beschreibung des Verhaltens von Materie auf mikroskopischer Ebene verwendet wird, wird hier auf makroskopischer Ebene angewendet. Gerade die Tatsache, dass die Quantenmechanik hier die Erklärung der makroskopischen Eigenschaften der Materie ermöglicht, macht die Supraleitung zu einem so interessanten Phänomen.

Öffnung.

Viele Informationen über ein Metall ergeben sich aus dem Zusammenhang zwischen äußerer Spannung und dem von ihm verursachten Strom. Im Allgemeinen hat diese Beziehung die Form der Gleichheit V/ICH = R, Wo V- Stromspannung, ICH– aktuell, und R- elektrischer Wiederstand. Nach diesem Gesetz (Ohmsches Gesetz) ist der elektrische Strom bei jedem Wert proportional zur Spannung R, das ist der Proportionalitätskoeffizient.

Der Widerstand ist normalerweise unabhängig vom Strom, hängt jedoch von der Temperatur ab. Nachdem er 1908 flüssiges Helium erhalten hatte, begann G. Kamerlingh-Onnes von der Universität Leiden (Niederlande), den Widerstand von reinem Quecksilber in flüssigem Helium zu messen und entdeckte (1911), dass der Widerstand von Quecksilber bei Temperaturen von flüssigem Helium auf Null sinkt. Später wurde entdeckt, dass auch viele andere Metalle und Legierungen bei niedrigen Temperaturen supraleitend werden.

Die nächste wichtige Entdeckung wurde 1933 vom deutschen Physiker W. Meissner und seinem Mitarbeiter R. Ochsenfeld gemacht. Sie fanden heraus, dass eine zylindrische Probe, wenn sie in ein longitudinales Magnetfeld gebracht und unter die Übergangstemperatur abgekühlt wird, den magnetischen Fluss vollständig verdrängt. Der Meissner-Effekt, wie dieses Phänomen genannt wurde, war eine wichtige Entdeckung, weil er den Physikern klar machte, dass Supraleitung ein quantenmechanisches Phänomen ist. Wenn Supraleitung nur im Verschwinden des elektrischen Widerstands bestünde, könnte sie durch die Gesetze der klassischen Physik erklärt werden.

EIGENSCHAFTEN VON SUPERLEITERN

In der physikalischen Literatur werden Stoffe oder Materialien, die unter verschiedenen Bedingungen in einem supraleitenden oder nicht supraleitenden Zustand vorliegen können, häufig als Supraleiter bezeichnet. Das gleiche einfache (aus identischen Atomen bestehende) Metall, die gleiche Legierung oder derselbe Halbleiter kann in bestimmten Temperaturbereichen oder externen Magnetfeldern supraleitend sein; Bei Temperaturen oder Feldern mit höheren kritischen Werten ist es ein gewöhnlicher (normalerweise als normal bezeichneter) Leiter.

Nach der Entdeckung des Meissner-Effekts wurden zahlreiche Experimente mit Supraleitern durchgeführt. Zu den untersuchten Eigenschaften gehörten:

1) Kritisches Magnetfeld – der Feldwert, oberhalb dessen sich der Supraleiter im Normalzustand befindet. Kritische Felder liegen normalerweise im Bereich von mehreren zehn Gauß bis zu mehreren hunderttausend Gauß, abhängig vom Supraleiter und seinem metallphysikalischen Zustand. Das kritische Feld eines bestimmten Supraleiters variiert mit der Temperatur und nimmt mit steigender Temperatur ab. Bei der Übergangstemperatur ist das kritische Feld Null und beim absoluten Nullpunkt maximal (Abb. 2).

2) Kritischer Strom – der maximale Gleichstrom, dem ein Supraleiter standhalten kann, ohne den supraleitenden Zustand zu verlieren. Wie das kritische Magnetfeld hängt auch der kritische Strom stark von der Temperatur ab und nimmt mit steigender Temperatur ab.

3) Eindringtiefe – die Distanz, bis zu der der magnetische Fluss in den Supraleiter eindringt. Die Eindringtiefe ist eine Funktion der Temperatur und variiert je nach Material: von 3H 10 –6 bis 2H 10 –5 cm. Der magnetische Fluss wird durch in der Oberflächenschicht zirkulierende Ströme aus dem Supraleiter verdrängt entspricht in etwa der Eindringtiefe.

Um zu verstehen, warum der magnetische Fluss verdrängt wird, d.h. Was den Meissner-Effekt verursacht, müssen wir bedenken, dass alle physikalischen Systeme zu einem Zustand mit minimaler Energie tendieren. Ein Magnetfeld hat etwas Energie. Die Energie eines Supraleiters nimmt in einem Magnetfeld zu. Sie nimmt jedoch wieder ab, da in der Oberflächenschicht des Supraleiters Ströme entstehen. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld, das das von außen angelegte Feld kompensiert. Die Energie eines Supraleiters ist höher als ohne äußeres Magnetfeld, aber niedriger als wenn das Feld in ihn eindringt.

Eine vollständige Verdrängung des magnetischen Flusses ist nicht für alle Supraleiter energetisch vorteilhaft. Bei einigen Materialien wird ein Zustand minimaler Energie in einem Magnetfeld erreicht, wenn einige der magnetischen Flusslinien das Material teilweise durchdringen und ein Mosaik aus supraleitenden Bereichen bilden, in denen kein Magnetfeld vorhanden ist, und normalen Bereichen, in denen eines vorhanden ist.

4) Kohärenzlänge – der Abstand, in dem Elektronen miteinander interagieren und einen supraleitenden Zustand erzeugen. Elektronen innerhalb der Kohärenzlänge bewegen sich gemeinsam – kohärent (als ob sie „im Gleichschritt“ wären). Die Kohärenzlänge verschiedener Supraleiter variiert zwischen 5×10–7 und 10–4 cm. Die Existenz großer Kohärenzlängen (viel größer als die atomaren Abmessungen in der Größenordnung von 10–8 cm) ist mit den ungewöhnlichen Eigenschaften von Supraleitern verbunden.

5) Spezifische Wärmekapazität – die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 g einer Substanz um 1 K zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität eines Supraleiters steigt in der Nähe der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand stark an und nimmt mit abnehmender Temperatur ziemlich schnell ab Temperatur. Um die Temperatur eines Stoffes im supraleitenden Zustand zu erhöhen, ist also im Übergangsbereich mehr Wärme erforderlich als im Normalzustand, und bei sehr niedrigen Temperaturen ist das Gegenteil der Fall. Da die spezifische Wärmekapazität hauptsächlich durch Leitungselektronen bestimmt wird, deutet dieses Phänomen darauf hin, dass sich der Zustand der Elektronen ändert.

Theorien der Supraleitung

Vor 1957 waren die meisten Versuche, experimentelle Daten zu erklären, phänomenologischer Natur: Sie basierten auf künstlichen Annahmen oder losen Modifikationen bestehender Theorien und zielten darauf ab, eine Übereinstimmung mit dem Experiment zu erreichen. Ein Beispiel für Versuche der ersten Art ist das Zwei-Fluid-Modell, das postuliert, dass bei der Übergangstemperatur einige der Leitungselektronen die Fähigkeit erlangen, sich ohne Widerstand zu bewegen. Dieses Modell erklärt die Temperaturabhängigkeit des kritischen Feldes, des kritischen Stroms und der Eindringtiefe, liefert aber nichts für ein physikalisches Verständnis des Phänomens selbst, weil erklärt eine solche partielle Supraleitung nicht.

Fortschritte wurden 1935 erzielt, als die theoretischen Physiker, die Brüder F. und G. London, vorschlugen, Supraleitung als makroskopischen Quanteneffekt zu betrachten. (Bisher waren nur Quanteneffekte bekannt, die auf atomarer Skala beobachtet wurden – in der Größenordnung von 10 -8 cm.) Die Londoner modifizierten die klassischen Gleichungen des Elektromagnetismus so, dass sie zum Meissner-Effekt, unendlicher Leitfähigkeit und begrenzter Durchdringung führten Tiefe. In den frühen 1950er Jahren zeigte A. Pippard von der Universität Cambridge, dass ein solcher Quantenzustand tatsächlich makroskopisch ist und Entfernungen bis zu 10 –4 cm, also 10–4 cm, abdeckt. 10.000-facher Atomradius.

Obwohl diese Bemühungen wichtig waren, gelangten sie nicht zum Kern der grundlegenden Wechselwirkung, die die Supraleitung antreibt. Einige Hinweise auf die Natur dieser Wechselwirkung tauchten Anfang der 1950er Jahre auf, als entdeckt wurde, dass die Temperatur des supraleitenden Übergangs von Metallen, die aus verschiedenen Isotopen desselben Elements bestehen, nicht gleich ist. Es stellte sich heraus, dass die Übergangstemperatur umso niedriger ist, je höher die Atommasse ist. (Isotope desselben Elements haben die gleiche Anzahl an Elektronen, aber unterschiedliche Kernmassen.) Der Isotopeneffekt zeigte, dass die Übergangstemperatur von der Masse der Atome des Kristallgitters abhängt und Supraleitung daher kein rein elektronischer Effekt ist.

Elektronen in Metallen.

Die Entdeckung des Isotopeneffekts bedeutete, dass Supraleitung wahrscheinlich durch Wechselwirkungen zwischen Leitungselektronen und Atomen im Kristallgitter verursacht wurde. Um herauszufinden, wie dies zur Supraleitung führt, müssen wir uns die Struktur des Metalls ansehen. Wie alle kristallinen Feststoffe bestehen Metalle aus positiv geladenen Atomen, die in einer strengen Ordnung im Raum angeordnet sind. Die Reihenfolge, in der die Atome platziert werden, kann mit einem sich wiederholenden Muster auf einer Tapete verglichen werden, das Muster muss sich jedoch in drei Dimensionen wiederholen. Leitungselektronen bewegen sich zwischen den Atomen des Kristalls mit Geschwindigkeiten im Bereich von 0,01 bis 0,001 Lichtgeschwindigkeit; Ihre Bewegung ist elektrischer Strom.

Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie (BCS).

Im Jahr 1956 erhielt L. Cooper von der University of St. Illinois hat gezeigt, dass, wenn Elektronen voneinander angezogen werden, sie, egal wie schwach die Anziehung ist, in einen gebundenen Zustand „kondensieren“ müssen. Man kann davon ausgehen, dass es sich bei diesem gebundenen Zustand um den gesuchten supraleitenden Zustand handelt. Wie Cooper sich vorstellte, ist eine solche Anziehung zwischen zwei Elektronen möglich und sollte zur Bildung gebundener Paare (sogenannte Cooper-Paare) führen, die sich im Kristallgitter bewegen.

Doch bereits 1950 schlug G. Froelich vor, dass Elektronen aufgrund der Wechselwirkung mit Gitteratomen voneinander angezogen werden können. Dieser Anziehungsmechanismus wird Elektron-Phonon-Wechselwirkung genannt; es ist wie folgt. Ein Elektron, das sich in einem Kristallgitter bewegt, scheint es zu verzerren. Dies ist auf die Wechselwirkung zwischen negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Gitteratomen zurückzuführen. Ein Elektron, das sich durch das Gitter bewegt, „bringt“ seine Atome zusammen. Unter dem verstärkten Einfluss der positiven Ladung wird dann das zweite Elektron in den „verengten Bereich“ gezogen. Die Energie des ersten Elektrons, die für die „Gitterverformung“ aufgewendet wird, wird verlustfrei auf das zweite Mitglied des Cooper-Paares übertragen. Ein solches Paar bewegt sich entlang des Gitters und tauscht Energie durch die Atome des Gitters aus, ohne jedoch insgesamt seine Energie zu verlieren (Abb. 3).

Diese Wechselwirkung ähnelt in gewisser Weise dem Verhalten zweier schwerer Kugeln auf einer Gummimembran. Wenn ein Ball rollt, biegt er die Membran, so dass der zweite Ball ihm folgt. Elektronen sind im Gegensatz zu Kugeln ähnlich geladen und stoßen sich daher gegenseitig ab. Diese gegenseitige Abstoßung ist jedoch nur dann stark, wenn die Elektronen sehr nahe beieinander sind, und nimmt schnell ab, wenn sie sich entfernen. Bei der Wechselwirkung mit einem Gitter oder der Elektron-Phonon-Wechselwirkung sind die Elektronen ziemlich weit voneinander entfernt (in der Größenordnung von 5×10 –7 –10 –4 cm). Bei solchen Abständen ist die Elektronenabstoßung im Vergleich zur Elektron-Phonon-Wechselwirkung gering, was dazu führt, dass Elektronen effektiv voneinander angezogen werden. (Ein Phonon ist ein Quantum der Schwingungsenergie eines Kristallgitters.)

Bisher haben wir nur ein Cooper-Paar betrachtet, während es in Wirklichkeit etwa 10 20 Cooper-Paare in 1 cm 3 Materie gibt. Man kann sich leicht vorstellen, dass die von einem Cooper-Paar erzeugte Gitterverzerrung die Anziehung in anderen Paaren stören könnte. 1957 schlugen J. Bardeen, L. Cooper und J. Schrieffer die sogenannte BCS-Theorie (Bardeen – Cooper – Schrieffer) vor, für die sie 1972 den Nobelpreis für Physik erhielten. Nach dieser Theorie bilden Paare einen kohärenten Zustand, in dem sie alle den gleichen Impuls haben. Diese kohärenten Elektronen sollen sich in einem einzigen Quantenzustand befinden; Sie bilden eine sogenannte Quanten- oder Superflüssigkeit. Diese Kohärenz von Elektronen im großen Maßstab ist eine bemerkenswerte makroskopische Demonstration der Quantenprinzipien.

Die BCS-Theorie erklärt viele der Eigenschaften von Supraleitern, die wir bereits besprochen haben. Elektronen in einem Supraleiter gehen in einen kollektiven Zustand über, sodass ihre potentielle Energie minimal wird. Wenn sich Elektronen zusammen bewegen, werden sie durch den Mechanismus der Elektron-Phonon-Wechselwirkung zueinander angezogen, und die potentielle Energie des Systems ist geringer als bei zwei Elektronen, die sich nicht gegenseitig anziehen. Ein Supraleiter in einem solchen kollektiven Zustand ist in der Lage, den energiesteigernden Wirkungen eines Stroms oder Magnetfelds entgegenzuwirken; Dies impliziert die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stroms und Feldes. Oberhalb der Übergangstemperatur haben die Elektronen zu viel thermische Energie und werden „angeregt“, d.h. Übergang von einem supraleitenden Zustand niedrigerer Energie in einen normalen Zustand höherer Energie.

Der Isotopeneffekt wird dadurch erklärt, dass bei leichteren Isotopen das Gitter mit weniger Energie „gestört“ wird. Das Gitter schwererer Isotope lässt sich schwerer verformen, weshalb der Übergang zur Supraleitung bei niedrigeren Temperaturen erfolgt. Die BCS-Theorie erklärt auch, warum gute Leiter wie Kupfer und Gold keine Supraleiter sind. Leitungselektronen in diesen Substanzen passieren das Atomgitter problemlos, fast ohne mit ihm zu interagieren. Dadurch sind solche Materialien gute elektrische Leiter, da sie durch Gitterstreuung wenig Energie verlieren. Um einen supraleitenden Zustand zu erreichen, ist eine starke Wechselwirkung zwischen Gitteratomen und Elektronen notwendig. Aus diesem Grund sind sehr gute Stromleiter in der Regel keine Supraleiter.

Supraleiter der 1. und 2. Art.

Aufgrund ihres Verhaltens in Magnetfeldern werden Supraleiter in Typ-1- und Typ-2-Supraleiter unterteilt. Supraleiter vom Typ 1 weisen die bereits diskutierten idealen Eigenschaften auf. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes entstehen in der Oberflächenschicht des Supraleiters Ströme, die das äußere Feld in der Dicke der Probe vollständig kompensieren. Wenn der Supraleiter die Form eines langen Zylinders hat und sich in einem Feld parallel zu seiner Achse befindet, kann die Eindringtiefe in der Größenordnung von 3×10–6 cm liegen. Bei Erreichen des kritischen Feldes verschwindet die Supraleitung und das Feld verschwindet vollständig dringt in das Material ein. Kritische Felder für Supraleiter vom Typ 1 liegen normalerweise zwischen 100 und 800 Gas. Obwohl Supraleiter vom Typ 1 eine geringe Eindringtiefe haben, haben sie eine große Kohärenzlänge – in der Größenordnung von 10 –4 cm.

Typ-2-Supraleiter zeichnen sich durch eine große Eindringtiefe (ca. 2×10–5 cm) und eine kurze Kohärenzlänge (5×10–7 cm) aus. Bei einem schwachen Magnetfeld (weniger als 500 Gauss) wird der gesamte magnetische Fluss aus dem Supraleiter vom Typ 2 verdrängt. Aber höher N s 1 – dem ersten kritischen Feld – dringt der magnetische Fluss in die Probe ein, wenn auch in geringerem Maße als im Normalzustand. Diese teilweise Durchdringung bleibt bis zum zweiten kritischen Feld bestehen – N s 2, die 100 kG überschreiten kann. Mit großen Feldern N s 2, die Strömung dringt vollständig ein und die Substanz wird normal. Die Eigenschaften verschiedener Supraleiter sind in der Tabelle dargestellt.

Tabelle: Kritische Temperaturen und Felder

KRITISCHE TEMPERATUREN UND FELDER
Material	Kritische Temperatur, K	Kritische Felder (bei 0 K), G
Supraleiter vom Typ 1
Rhodium	0,000325	0,049
Titan	0,39	60
Cadmium	0,52	28
Zink	0,85	55
Gallium	1,08	59
Thallium	2,37	180
Indium	3,41	280
Zinn	3,72	305
Quecksilber	4,15	411
Führen	7,19	803
Supraleiter vom Typ 2		Hc 1	Hc 2
Niob	9,25	1735	4040
Nb3Sn	18,1	–	220 000
Nb3Ge	23,2	–	400 000
Pb 1 Mo 5,1 S 6	14,4	–	600 000
Yba 2 Cu 3 O 7	90–100	1000*	1 000 000*
* Auf den absoluten Nullpunkt extrapoliert.

Josephson-Effekt.

Im Jahr 1962 schlug B. Josephson, ein Doktorand an der Universität Cambridge, vor, dass sich Cooper-Paare aufgrund des „Tunneleffekts“ voneinander entfernen sollten, als er darüber nachdachte, was passieren würde, wenn zwei Supraleiter näher auf einen Abstand von mehreren Angström gebracht würden von einem Supraleiter zum anderen bei Nullspannung.

Zwei bemerkenswerte Effekte wurden vorhergesagt. Erstens kann ein supraleitender (nicht dissipativer) Strom durch einen supraleitenden Tunnelkontakt (eine Verbindung bestehend aus zwei durch eine dielektrische Schicht getrennten Supraleitern) fließen. Der kritische Wert dieses Stroms hängt vom äußeren Magnetfeld ab. Zweitens: Wenn der Strom durch den Kontakt den kritischen Übergangsstrom übersteigt, wird der Kontakt zu einer Quelle hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung. Der erste dieser Effekte wird als stationärer Josephson-Effekt bezeichnet, der zweite als instationär. Beide Effekte sind experimentell deutlich zu beobachten. Insbesondere wurden Schwankungen des maximalen supraleitenden Stroms durch den Übergang mit zunehmendem Magnetfeld beobachtet. Überschreitet der von einer externen Quelle vorgegebene Strom einen kritischen Wert, entsteht an der Verbindungsstelle eine Spannung V, periodisch je nach Zeit. Die Frequenz der Spannungsschwankungen hängt davon ab, um wie viel der Strom durch den Kontakt seinen kritischen Wert überschreitet.

Natürlich ist es unmöglich, zwei Supraleiter auf einen Abstand von mehreren Angström anzunähern. Daher wurde in den Experimenten eine dünne Schicht aus supraleitendem Material, beispielsweise Aluminium, auf das Substrat gesputtert, dann von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von mehreren Angström oxidiert und eine weitere Schicht Aluminium darauf gesputtert. Denken Sie daran, dass Aluminiumoxid ein Dielektrikum ist. Ein solches „Sandwich“ entspricht zwei Supraleitern, die mehrere Angström voneinander entfernt sind.

Der Josephson-Effekt wird durch die Phasenbeziehungen zwischen Elektronen im supraleitenden Zustand verursacht. Oben wurde gesagt, dass das Wesen des supraleitenden Zustands die kohärente Bewegung von Cooper-Paaren durch das Atomgitter ist. Die Kohärenz von Cooper-Paaren in einem Supraleiter wird durch die Tatsache bestimmt, dass sich Elektronenpaare „in Phase“ bewegen. Cooper-Paare aus zwei verschiedenen Supraleitern sind „phasenverschoben“. Somit hält jeder Soldat einer marschierenden Kompanie mit jedem anderen Soldaten seiner Kompanie Schritt, nicht jedoch im Gleichschritt mit den Soldaten der anderen Kompanie. Wenn zwei Supraleiter eng zusammengebracht werden, können Cooper-Paare durch die Lücke zwischen ihnen tunneln. Während des Tunnelns ändert sich die Phase des Cooper-Paares. Wenn die Änderung so groß ist, dass das Cooper-Paar beginnt, mit den Paaren im zweiten Supraleiter Schritt zu halten, ist Tunneln möglich. Dies geschieht beim stationären Josephson-Effekt. Die Stärke des Magnetfelds bestimmt die Phasenverschiebung, die die Tunnelpaare erzeugen.

Der transiente Josephson-Effekt tritt auf, wenn der Strom durch den Übergang den kritischen Wert für den stationären Josephson-Effekt überschreitet. Zwischen den beiden Supraleitern entsteht eine Spannung, die dazu führt, dass sich die Phasen in den beiden Supraleitern mit der Zeit ändern. Dies führt wiederum dazu, dass der Tunnelstrom entsprechend den Änderungen der Phasendifferenz in den beiden Supraleitern oszilliert (mit einer Richtungsänderung).

ANWENDUNGEN

Von 1911 bis 1986 wurden viele supraleitende Metalle und Legierungen untersucht, die höchste gemessene Übergangstemperatur betrug jedoch 23,2 K. Für die Abkühlung auf diese Temperatur war teures flüssiges Helium (4 He) erforderlich. Daher blieben die erfolgreichsten Anwendungen der Supraleitung auf der Ebene von Laborexperimenten, für die keine großen Mengen flüssigen Heliums erforderlich sind.

Ende 1986 entdeckten K. Müller (Schweiz) und J. Bednorz (Deutschland) im IBM-Forschungslabor in Zürich, dass ein aus Lanthan-, Barium-, Kupfer- und Sauerstoffatomen aufgebauter Keramikleiter eine Übergangstemperatur aufweist supraleitenden Zustand von 35 K. Bald stellten Forschungsgruppen auf der ganzen Welt keramische Materialien mit einer Übergangstemperatur von 90 bis 100 K her, die supraleitend bleiben können (Typ 2, cm. höher) in Magnetfeldern bis 200 kG.

Keramische Supraleiter sind für großtechnische Anwendungen sehr vielversprechend, vor allem weil sie untersucht und verwendet werden können, wenn sie mit relativ kostengünstigem flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Laboranwendungen.

Die erste industrielle Anwendung der Supraleitung war die Herstellung supraleitender Magnete mit hohen kritischen Feldern. Mit erschwinglichen supraleitenden Magneten war es bereits Mitte der 1960er Jahre möglich, auch in kleinen Laboren Magnetfelder über 100 kG zu erzeugen. Bisher waren für die Erzeugung solcher Felder mit herkömmlichen Elektromagneten sehr große Mengen Strom erforderlich, um den Strom in den Wicklungen aufrechtzuerhalten, und große Mengen Wasser, um sie zu kühlen.

Die nächste praktische Anwendung der Supraleitung betrifft die Technologie empfindlicher elektronischer Geräte. Experimentelle Proben von Geräten mit Josephson-Kontakt können Spannungen in der Größenordnung von 10–15 W erkennen. Magnetometer, die Magnetfelder in der Größenordnung von 10–9 Gauss erfassen können, werden bei der Untersuchung magnetischer Materialien sowie in medizinischen Magnetokardiographen eingesetzt. Extrem empfindliche Detektoren für Schwerkraftschwankungen können in verschiedenen Bereichen der Geophysik eingesetzt werden.

Supraleitungstechniken und insbesondere Josephson-Kontakte haben einen zunehmenden Einfluss auf die Messtechnik. Unter Verwendung von Josephson-Kontakten wurde auch ein Primärthermometer für den kryogenen Bereich entwickelt, bei dem scharfe Übergänge in bestimmten Substanzen verwendet werden, um Referenztemperaturpunkte (konstante Temperaturpunkte) zu erhalten. Die neue Technik wird in Stromkomparatoren, HF-Leistungs- und Asowie Frequenzmessungen eingesetzt. Es wird auch in der Grundlagenforschung eingesetzt, beispielsweise zur Messung der Teilladungen atomarer Teilchen und zur Überprüfung der Relativitätstheorie.

Supraleitung wird in der Computertechnologie weit verbreitet sein. Hier können supraleitende Elemente sehr schnelle Schaltzeiten, vernachlässigbare Leistungsverluste bei Verwendung von Dünnschichtelementen und hohe volumetrische Packungsdichten der Schaltkreise ermöglichen. Prototypen von Dünnschicht-Josephson-Kontakten werden in Schaltkreisen entwickelt, die Hunderte von Logik- und Speicherelementen enthalten.

Industrielle Anwendungen.

Zu den interessantesten industriellen Einsatzmöglichkeiten der Supraleitung gehört die Erzeugung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie. Beispielsweise kann ein supraleitendes Kabel mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern die gleiche Strommenge wie ein riesiges Stromübertragungsnetz transportieren, und zwar mit sehr geringen oder gar keinen Verlusten. Die Kosten für die Isolierung und Kühlung der Kryoleiter müssen durch die Effizienz der Energieübertragung ausgeglichen werden. Mit dem Aufkommen keramischer Supraleiter, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, wird die Energieübertragung mittels Supraleitern wirtschaftlich sehr attraktiv.

Eine weitere mögliche Anwendung von Supraleitern sind leistungsstarke Stromgeneratoren und kleine Elektromotoren. Wicklungen aus supraleitenden Materialien könnten in Generatoren und Elektromotoren enorme Magnetfelder erzeugen und diese damit deutlich leistungsfähiger machen als herkömmliche Maschinen. Prototypen gibt es längst, und keramische Supraleiter könnten solche Maschinen recht wirtschaftlich machen. Auch die Einsatzmöglichkeiten supraleitender Magnete zur Stromspeicherung, in der Magnetohydrodynamik und zur Erzeugung thermonuklearer Energie werden diskutiert.

Ingenieure fragen sich seit langem, wie die enormen Magnetfelder, die von Supraleitern erzeugt werden, für Magnetschwebebahnen (Magnetschwebebahn) genutzt werden könnten. Aufgrund der gegenseitigen Abstoßungskräfte zwischen dem beweglichen Magneten und dem im Führungsleiter induzierten Strom würde sich der Zug reibungslos, ohne Lärm und Reibung bewegen und wäre in der Lage, sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Experimentelle Magnetschwebebahnen in Japan und Deutschland haben Geschwindigkeiten von fast 300 km/h erreicht.

Die Bedeutung der Supraleitung in der modernen Welt.

Bisher sind über 500 reine Elemente und Legierungen bekannt, die die Eigenschaft der Supraleitung besitzen. Der Hauptvorteil von Supraleitern ist die radikale Reduzierung der Stromverluste bei der Erzeugung und Übertragung. Basierend auf diesem Phänomen ist es möglich, die Größe von Generatoren und Motoren zu reduzieren, neue elektronische Geräte zu schaffen und Hochleistungselektromagnete für die wissenschaftliche Forschung und Industrie zu entwickeln.

Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Supraleitung in Kraftwerken sowie in Energieübertragungs- und -verteilungssystemen eine Reduzierung der verbrannten Brennstoffmenge ohne Verringerung der Stromerzeugung und damit eine Reduzierung des Anteils schädlicher Emissionen in die Atmosphäre.

Konzept der Supraleitung

Supraleitung- ein physikalisches Phänomen, das bei einigen Substanzen (Supraleitern) beobachtet wird, wenn sie unter eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt werden. Die physikalische Bedeutung besteht darin, den elektrischen Widerstand auf Null zu bringen und das Magnetfeld aus dem Probenvolumen zu verdrängen (Abbildung 1). .

Abb. 1 Der magnetische Fluss durchdringt einen Stab im Normalzustand (a), wird jedoch aus einem auf einen supraleitenden Zustand abgekühlten Stab herausgedrückt (b).

§ 2.2 Entdeckungsgeschichte:

Grundlage für die Entdeckung des Phänomens der Supraleitung war die Entwicklung von Technologien zur Kühlung von Materialien auf extrem niedrige Temperaturen. Nachdem er 1908 flüssiges Helium erhalten hatte, begann G. Kamerlingh-Onnes von der Universität Leiden (Niederlande), den Widerstand von reinem Quecksilber in flüssigem Helium zu messen und entdeckte (1911), dass der Widerstand von Quecksilber bei Temperaturen von flüssigem Helium auf Null sinkt. Später wurde entdeckt, dass auch viele andere Metalle und Legierungen bei niedrigen Temperaturen supraleitend werden.

§ 2.3 Das Wesen der Supraleitung und des Meisener-Effekts:

Ein elektrisch leitender Festkörper ist ein Kristallgitter, in dem sich Elektronen bewegen können. Das Gitter besteht aus geometrisch korrekt angeordneten Atomen, und die bewegten Elektronen sind Elektronen aus den äußeren Hüllen der Atome. Befindet sich der Leiter in einem normalen (nicht supraleitenden) Zustand, bewegt sich jedes Elektron unabhängig von den anderen. Die Fähigkeit eines Elektrons, sich zu bewegen und damit einen elektrischen Strom aufrechtzuerhalten, wird durch seine Kollisionen mit dem Gitter sowie mit Verunreinigungsatomen im Festkörper begrenzt. Damit in einem Leiter ein Elektronenstrom existiert, muss an ihn eine Spannung angelegt werden; das bedeutet, dass der Leiter einen elektrischen Widerstand hat. Befindet sich der Leiter in einem supraleitenden Zustand, dann vereinigen sich die Elektronen zu einem einzigen makroskopisch geordneten Zustand, in dem sie sich als „Kollektiv“ verhalten; Das gesamte „Team“ reagiert auch auf äußere Einflüsse. Kollisionen zwischen Elektronen und dem Gitter werden unmöglich, und der einmal erzeugte Strom existiert auch dann, wenn keine externe Stromquelle (Spannung) vorhanden ist. Der supraleitende Zustand tritt abrupt bei einer Temperatur ein, die Übergangstemperatur genannt wird. Oberhalb dieser Temperatur befindet sich das Metall oder der Halbleiter im Normalzustand und darunter im supraleitenden Zustand. Die Übergangstemperatur einer bestimmten Substanz wird durch die Beziehung zwischen zwei „entgegengesetzten Kräften“ bestimmt: Die eine neigt dazu, die Elektronen zu ordnen, die andere neigt dazu, diese Ordnung zu zerstören. Beispielsweise ist die Tendenz zur Ordnung bei Metallen wie Kupfer, Gold und Silber so gering, dass diese Elemente selbst bei Temperaturen von nur wenigen Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt nicht zu Supraleitern werden. Andere Metalle und Legierungen haben Übergangstemperaturen im Bereich von 0,000325 bis 23,2 K.

Meisener-Effekt(Ausstoßen des Magnetfeldes) ist darauf zurückzuführen, dass alle physikalischen Systeme zu einem Zustand mit minimaler Energie tendieren. Ein Magnetfeld hat etwas Energie. Die Energie eines Supraleiters nimmt in einem Magnetfeld zu. Sie nimmt jedoch wieder ab, da in der Oberflächenschicht des Supraleiters Ströme entstehen. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld, das das von außen angelegte Feld kompensiert. Die Energie eines Supraleiters ist höher als ohne äußeres Magnetfeld, aber niedriger als wenn das Feld in ihn eindringt.

§ 2.4 Theoretische Begründung:

Die erste Theorie, die den Anspruch erhob, eine mikroskopische Erklärung der Ursachen der Supraleitung zu liefern, war die von ihnen in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelte Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie. Diese Theorie erlangte unter dem Namen BCS weltweite Anerkennung und wurde 1972 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei der Erstellung ihrer Theorie stützten sich die Autoren auf den Isotopeneffekt, also den Einfluss der Masse des Isotops auf die kritische Temperatur des Supraleiters. Es wurde angenommen, dass seine Existenz direkt auf die Bildung eines supraleitenden Zustands aufgrund der Wirkung des Phononenmechanismus hinweist.

Im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Physiker H. Kamerlingh-Onnes das Phänomen der Supraleitung. Er maß den elektrischen Widerstand von Quecksilber bei niedrigen Temperaturen. Onnes wollte herausfinden, wie gering der Widerstand eines Stoffes gegenüber elektrischem Strom werden könnte, wenn der Stoff möglichst weitgehend von Verunreinigungen gereinigt und das „thermische Rauschen“ so weit wie möglich reduziert würde, d. h. Temperatur reduzieren.

Das Ergebnis dieser Studie war unerwartet: Bei Temperaturen unter 4,15 K verschwand der Widerstand fast augenblicklich. Ein Diagramm dieses Widerstandsverhaltens als Funktion der Temperatur ist in Abb. dargestellt. 1.

Elektrischer Strom ist die Bewegung geladener Teilchen. Schon damals war bekannt, dass elektrischer Strom in Festkörpern ein Elektronenfluss ist. Sie sind negativ geladen und viel leichter als die Atome, aus denen jede Substanz besteht.

Jedes Atom wiederum besteht aus einem positiv geladenen Kern und Elektronen, die gemäß dem Coulombschen Gesetz mit ihm und untereinander interagieren. Jedes Atomelektron nimmt eine bestimmte „Umlaufbahn“ ein. Je näher die „Umlaufbahn“ am Kern liegt, desto stärker wird das Elektron von ihm angezogen, desto mehr Energie ist erforderlich, um ein solches Elektron vom Kern abzureißen. Im Gegenteil: Die äußersten Elektronen des Kerns lassen sich am leichtesten von ihm lösen, obwohl hierfür ebenfalls Energie erforderlich ist.

Die äußeren Elektronen werden Valenzelektronen genannt. In Stoffen, die Metalle genannt werden, lösen sie sich tatsächlich von den Atomen, wenn sie sich zu einem Feststoff verbinden und ein Gas aus nahezu freien Elektronen bilden. Dies ist ein einfaches, schönes und oft korrektes physikalisches Bild: Ein Stück Materie ist wie ein Gefäß, in dem sich ein „Gas“ aus Elektronen befindet (Abb. 2).

Wenn wir ein elektrisches Feld erzeugen und eine Spannung an das zu untersuchende Substanzstück anlegen, entsteht im Elektronengas ein Wind, als ob er unter dem Einfluss einer Druckdifferenz stünde. Dieser Wind ist ein elektrischer Strom.

Metalle

Nicht alle Stoffe leiten Strom gut. In Dielektrika bleiben die Valenzelektronen an ihre Atome „gebunden“ und können nicht so leicht durch die gesamte Probe bewegt werden.

Es ist ziemlich schwierig zu erklären, warum manche Stoffe Metalle sind, während andere Dielektrika sind. Es hängt davon ab, aus welchen Atomen sie bestehen und wie diese Atome angeordnet sind. Manchmal sind Transformationen möglich, wenn sich die Anordnung der Atome ändert, beispielsweise unter Druckeinfluss, die Atome näher zusammenrücken und das Dielektrikum zu einem Metall wird.

Durch Dielektrika fließt kein Strom, aber auch in Metallen können sich Elektronen nicht völlig frei bewegen. Sie treffen auf die atomaren „Kerne“, von denen sie sich „gelöst“ haben, und werden auf diese verstreut. In diesem Fall entsteht Reibung oder, wie man sagt, der elektrische Strom erfährt Widerstand.

Bei der Supraleitung verschwindet der Widerstand und wird gleich Null, d.h. Die Elektronenbewegung erfolgt ohne Reibung. Inzwischen zeigt die Erfahrung unseres täglichen Lebens, dass eine solche Bewegung unmöglich ist.

Die Arbeit der Physiker zielt seit Jahrzehnten darauf ab, diesen Widerspruch aufzulösen.

Die entdeckte Eigenschaft ist so ungewöhnlich, dass man sie als Metalle bezeichnet, die im Gegensatz zu Supraleitern einen Widerstand aufweisen normal.

Widerstand

Der elektrische Widerstand eines Metallstücks (z. B. Draht) wird in Ohm gemessen und durch die Größe und das Material der Probe bestimmt. In der Formel

R = ρ × l / S

R- Widerstand, l— Länge (Größe der Probe in der Richtung, in die der Strom fließt), S— Querschnitt der Probe. Nachdem wir eine solche Formel geschrieben haben, scheinen wir weiterhin Elektronen mit Gas zu vergleichen: Je breiter und kürzer das Rohr, desto einfacher ist es, Gas durch es zu blasen.

Wert ρ — spezifischer Widerstand, der die Eigenschaften des Materials charakterisiert, aus dem die Probe besteht.

Für reines Kupfer bei Raumtemperatur ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.

Kupfer ist eines der Metalle mit der höchsten Leitfähigkeit und wird häufig zur Herstellung elektrischer Leitungen verwendet. Einige andere Metalle leiten Elektrizität bei Raumtemperatur weniger gut:

Zum Vergleich stellen wir die spezifischen Widerstände einiger Dielektrika, ebenfalls bei Raumtemperatur, dar:

Wenn die Temperatur sinkt T Der spezifische Widerstand von Kupfer nimmt allmählich ab und beträgt bei einer Temperatur von mehreren Kelvin 10 -9 Ohm cm, Kupfer wird jedoch nicht zum Supraleiter. Und Aluminium, Blei, Quecksilber gehen in einen supraleitenden Zustand über, und mit ihnen durchgeführte Experimente zeigen, dass der spezifische Widerstand eines Supraleiters auf keinen Fall 10 -23 Ohm cm überschreitet – einhundert Billionen Mal weniger als der von Kupfer!

Restwiderstand

Der spezifische Widerstand eines Metalls hängt von der Temperatur ab. Bedingter Graph ρ( T), sagen wir, für Kupfer, sehen Sie in Abb. 3. Je höher die Temperatur, desto größer der Widerstand, desto mehr vibrieren die Atomkerne, aus denen das Metall besteht, und desto stärker stören sie den elektrischen Strom. Wenn wir dagegen die Temperatur näher an den absoluten Nullpunkt bringen, „strebt“ der Widerstand der Probe gegen ρ 0 – den Restwiderstand. Der Restwiderstand hängt von der Perfektion und Zusammensetzung der Probe ab. In jeder Substanz gibt es fremde Verunreinigungsatome sowie alle möglichen anderen Mängel. Je weniger Defekte in der Probe vorhanden sind, desto geringer ist der Restwiderstand. Es war diese Abhängigkeit, die Onnes 1911 interessierte. Er suchte überhaupt nicht nach „Supraleitung“, sondern wollte herausfinden, wie klein der Restwiderstand durch Reinigung der Probe gemacht werden konnte. Er führte Experimente mit Quecksilber durch, weil Quecksilber zu dieser Zeit auf einen höheren Reinheitsgrad gebracht werden konnte als Platin, Gold oder Kupfer (diese Metalle sind bessere Leiter als Quecksilber, und Onnes untersuchte sie vor der Entdeckung der Supraleitung. Weder Gold noch Platin, auch nicht). Kupfer ist „supraleitend“).

Kritische Temperatur

Supraleitung tritt schlagartig auf, wenn die Temperatur sinkt. Temperatur T c, bei dessen Erreichen ein Sprung auftritt, wird als kritisch bezeichnet. Eine sorgfältige Untersuchung zeigt, dass ein solcher Übergang in einem bestimmten Temperaturbereich beobachtet wird (Abb. 4). Die Reibung der sich bewegenden Elektronen verschwindet unabhängig von der „Reinheit“ der Probe, aber je „reiner“ die Probe, desto stärker ist der Widerstandssprung bei den „saubersten“ Proben; In diesem Fall spricht man von „guten“ Proben oder Supraleitern; Bei „schlechten“ Proben kann die Übergangsbreite mehrere zehn Grad erreichen. (Dies gilt natürlich für sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter, bei denen T c erreicht Hunderte von Kelvin.)

Die kritische Temperatur ist für jeden Stoff unterschiedlich. Diese Temperatur und das Jahr der Entdeckung der Supraleitung (genauer gesagt das Jahr der Veröffentlichung des Artikels darüber) sind in Abb. angegeben. 5 für ein paar reine Elemente. Niob hat die höchste (bei Atmosphärendruck) kritische Temperatur aller Elemente im Periodensystem von D. I. Mendeleev, obwohl sie 10 K nicht überschreitet.

Onnes entdeckte nicht nur die Supraleitung von Quecksilber, Zinn und Blei, sondern fand auch die ersten supraleitenden Legierungen – Legierungen aus Quecksilber mit Gold und Zinn. Seitdem wurde diese Arbeit fortgesetzt, immer mehr neue Verbindungen wurden auf Supraleitung getestet und die Klasse der Supraleiter wurde sukzessive erweitert.

Niedrige Temperaturen

Die Erforschung der Supraleitung schritt nur sehr langsam voran. Um das Phänomen zu beobachten, war es notwendig, die Metalle auf niedrige Temperaturen abzukühlen, was nicht so einfach ist. Die Probe muss ständig gekühlt werden, wofür sie in ein Kühlmittel gelegt wird. Alle uns aus der Alltagserfahrung bekannten Flüssigkeiten gefrieren und erhärten bei niedrigen Temperaturen. Daher ist es notwendig, gasförmige Stoffe bei Raumbedingungen zu verflüssigen. In Abb. Es sind 6 Siedetemperaturen angegeben T b und schmelzen T m fünf Stoffe (bei Atmosphärendruck).

Wenn Sie die Temperatur unten senken T b, die Substanz verflüssigt sich und unten T m es härtet aus. (Helium bleibt bei atmosphärischem Druck bis zum absoluten Nullpunkt flüssig.) Für unsere Zwecke kann also jede dieser Substanzen dazwischen verwendet werden T b und T M. Bis 1986 lag die maximale bekannte kritische Temperatur der Supraleitung kaum über 20 K, so dass man bei der Untersuchung der Supraleitung nicht auf flüssiges Helium verzichten konnte. Stickstoff wird auch häufig als Kühlmittel verwendet. In aufeinanderfolgenden Kühlstufen werden Stickstoff und Helium verwendet. Beide Substanzen sind neutral und sicher.

Die Verflüssigung von Helium ist an sich schon ein sehr interessantes und faszinierendes Problem, mit dessen Lösung sich viele Physiker an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert beschäftigten. Onnes erreichte sein Ziel im Jahr 1908. Eigens zu diesem Zweck richtete er ein Labor in Leiden (Niederlande) ein. 15 Jahre lang hatte das Labor das Monopol auf einzigartige Forschung in einem neuen Temperaturbereich. 1923-1925. Sie lernten, flüssiges Helium in zwei weiteren Labors auf der Welt herzustellen – in Toronto und Berlin. In der Sowjetunion tauchten solche Geräte Anfang der 1930er Jahre auf. am Charkower Institut für Physik und Technologie.

Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich in vielen Ländern nach und nach eine ganze Industrie, die Labore mit flüssigem Helium versorgte. Davor war alles „Selbstbedienung“. Technische Schwierigkeiten und die physikalische Komplexität des Phänomens führten dazu, dass sich das Wissen über die Supraleitung nur sehr langsam ansammelte. Nur 22 Jahre nach der ersten Entdeckung wurde die zweite grundlegende Eigenschaft von Supraleitern entdeckt.

Meissner-Effekt

Über seine Beobachtung berichteten die deutschen Physiker W. Meissner und R. Ochsenfeld im Jahr 1933.

Bisher nannten wir das Verschwinden des elektrischen Widerstands Supraleitung. Allerdings ist Supraleitung komplexer als nur die Abwesenheit von Widerstand. Dies ist auch eine bestimmte Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld. Beim Meissner-Effekt wird ein konstantes, nicht zu starkes Magnetfeld aus einer supraleitenden Probe herausgedrückt. In der Dicke des Supraleiters wird das Magnetfeld auf Null abgeschwächt; Supraleitung und Magnetismus können sozusagen als gegensätzliche Eigenschaften bezeichnet werden.

Bei der Suche nach neuen Supraleitern werden beide Haupteigenschaften der Supraleitung getestet:

in einem Supraleiter verschwindet der elektrische Widerstand;
Aus dem Supraleiter wird ein Magnetfeld herausgedrückt.

In einigen Fällen kann der Widerstandsabfall mit der Temperatur bei „schmutzigen“ Supraleitern viel größer sein als in Abb. 1 für Quecksilber. In der Geschichte der Forschung ist es immer wieder vorgekommen, dass Physiker die Supraleitung mit einem Widerstandsabfall aus einem anderen Grund verwechselten, beispielsweise aufgrund eines gewöhnlichen Kurzschlusses.

Um die Existenz der Supraleitung zu beweisen, ist es notwendig, Manifestationen mindestens beider ihrer Haupteigenschaften zu beobachten. Ein sehr eindrucksvolles Experiment, das das Vorhandensein des Meissner-Effekts demonstriert, ist in Abb. dargestellt. 7: Ein Permanentmagnet schwebt über einem supraleitenden Becher. Zum ersten Mal wurde ein solches Experiment 1945 vom sowjetischen Physiker V.K. durchgeführt.

In einem Supraleiter entstehen Ströme, die das Magnetfeld drücken, ihr Magnetfeld stößt den Permanentmagneten ab und gleicht dessen Gewicht aus. Wichtig sind auch die Wände des Bechers, die den Magneten zur Mitte hin drücken. Über einem flachen Boden ist die Position des Magneten instabil; zufällige Stöße führen dazu, dass er sich zur Seite bewegt. Dieser schwebende Magnet erinnert an die Legenden der Levitation. Die berühmteste Legende handelt vom Grab eines religiösen Propheten. Der in einer Höhle aufgestellte Sarg schwebte dort ohne sichtbare Stütze in der Luft. Nun lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob solche Geschichten auf realen Phänomenen beruhen. Mit dem Meissner-Effekt sei es nun technisch möglich, „die Legende wahr werden zu lassen“.

Ein Magnetfeld

Die moderne Physik verwendet den Begriff des Feldes, um den Einfluss eines Körpers auf einen anderen aus der Ferne ohne direkten Kontakt zu beschreiben. Somit interagieren Ladungen und Ströme durch ein elektromagnetisches Feld. Jeder, der die Gesetze des elektromagnetischen Feldes studiert hat, kennt ein visuelles Bild des Feldes – ein Bild seiner Kraftlinien. Dieses Bild wurde erstmals vom englischen Physiker M. Faraday verwendet. Zur Verdeutlichung ist es nützlich, sich an ein anderes Bild eines Feldes zu erinnern, das von einem anderen englischen Physiker – J. C. Maxwell – verwendet wurde.

Stellen Sie sich vor, dass das Feld eine sich bewegende Flüssigkeit wie Wasser ist, die entlang der Richtung der Feldlinien fließt. Versuchen wir, damit die Wechselwirkung von Ladungen nach dem Coulombschen Gesetz zu beschreiben. Der Einfachheit halber soll es einen Pool geben, flach und flach, seine Draufsicht ist in Abb. dargestellt. 8. Im Boden befinden sich zwei Löcher: Durch eines gelangt Wasser in das Becken (das ist wie eine positive Ladung) und durch das andere fließt es heraus (das ist ein Abfluss oder eine negative Ladung). Das in einem solchen Becken fließende Wasser stellt das elektrische Feld zweier stationärer Ladungen dar. Das Wasser ist transparent und sein Fließen ist für uns nicht wahrnehmbar. Aber lassen Sie uns eine „positive Testladung“ in die Düsen einführen – eine Kugel an einer Schnur. Wir werden die Kraft sofort spüren – die Flüssigkeit reißt die Kugel mit sich.

Wasser trägt die Kugel von der Quelle weg – so wie sich Ladungen abstoßen. Der Ball wird von einem Abfluss oder einer Ladung mit einem anderen Vorzeichen angezogen, und die Kraft zwischen den Ladungen hängt vom Abstand zwischen ihnen ab, wie es das Coulombsche Gesetz vorschreibt.

Ströme und Felder in Supraleitern

Um das Verhalten von Strömen und Feldern in Supraleitern zu verstehen, muss man sich das Gesetz der magnetischen Induktion merken. Für unsere Zwecke ist es sinnvoller, es allgemeiner zu formulieren als in einem Schulphysikkurs. Das Gesetz der magnetischen Induktion befasst sich tatsächlich mit der Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn wir uns das elektromagnetische Feld als eine Flüssigkeit vorstellen, dann kann die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Komponenten des Feldes als die Beziehung zwischen ruhiger (laminarer) und wirbelnder Flüssigkeitsströmung dargestellt werden. Jeder von ihnen kann für sich allein existieren. Lassen Sie uns zum Beispiel eine ruhige, breite Strömung vor uns haben – ein gleichmäßiges elektrisches Feld. Wenn Sie versuchen, dieses Feld zu ändern, d. h. Wie um die Flüssigkeit zu verlangsamen oder zu beschleunigen, entstehen mit Sicherheit Wirbel – ein Magnetfeld. Eine Änderung eines Magnetfelds führt immer zum Auftreten eines elektrischen Feldes, und ein elektrisches Feld induziert einen Strom in einem leitenden Stromkreis. Dies ist das übliche Phänomen der magnetischen Induktion: Eine Änderung eines Magnetfelds induziert einen Strom. Es ist dieses physikalische Gesetz, das in allen Kraftwerken der Welt funktioniert und auf die eine oder andere Weise Veränderungen im Magnetfeld im Leiter verursacht. Das entstehende elektrische Feld erzeugt einen Strom, der in unsere Häuser und Industrieanlagen fließt.

Doch zurück zu den Supraleitern. Gleichstrom in einem Supraleiter erfordert kein elektrisches Feld, und in einer Gleichgewichtssituation ist das elektrische Feld in einem Supraleiter Null. Ein solches Feld würde Elektronen beschleunigen, aber es gibt keinen Widerstand oder Reibung, die die Beschleunigung in Supraleitern ausgleichen würden. Ein beliebig kleines konstantes elektrisches Feld würde zu einem unendlichen Anstieg des Stroms führen, was unmöglich ist. Das elektrische Feld entsteht nur in nicht supraleitenden Abschnitten des Stromkreises. Strom fließt in Supraleitern ohne Spannungsabfall.

Geistiges Nachdenken bringt nichts zutage, was die Existenz eines Magnetfelds in einem Supraleiter verhindern könnte. Es ist jedoch klar, dass der Supraleiter eine Änderung des Magnetfelds verhindern wird. Tatsächlich würde eine Änderung des Magnetfelds einen Strom erzeugen, der ein Magnetfeld erzeugen würde, das die ursprüngliche Änderung ausgleichen würde.

Daher muss jeder supraleitende Schaltkreis das durch ihn fließende Magnetfeld aufrechterhalten. (Der magnetische Fluss durch eine Schleife ist einfach das Produkt aus der magnetischen Feldstärke und der Fläche der Schleife.)

Das Gleiche sollte bei der Dicke des Supraleiters passieren. Wenn wir beispielsweise einen Magneten in die Nähe einer supraleitenden Probe bringen, kann sein Magnetfeld den Supraleiter nicht durchdringen. Jeder solche „Versuch“ führt zur Entstehung eines Stroms im Supraleiter, dessen Magnetfeld das äußere Feld kompensiert. Dadurch entsteht in der Dicke des Supraleiters kein Magnetfeld und entlang der Oberfläche fließt genau der dafür erforderliche Strom. In der Dicke eines gewöhnlichen Leiters, der in ein Magnetfeld eingeführt wird, geschieht alles genauso, nur dass dort ein Widerstand herrscht und der induzierte Strom ziemlich schnell abklingt und seine Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. (Diese Wärme ist experimentell sehr leicht zu erkennen: Bringen Sie Ihre Hand in die Nähe eines funktionierenden Transformators, und Sie werden die von ihm ausgehende Wärme spüren.) In einem Supraleiter gibt es keinen Widerstand, der Strom erlischt nicht und „lässt“ nicht zu das Magnetfeld für eine beliebige Zeitspanne einwirken zu lassen. Das beschriebene Bild ist zutreffend und wurde mehrfach durch Erfahrung bestätigt.

Lassen Sie uns nun ein weiteres mentales Experiment durchführen. Nehmen wir das gleiche Stück supraleitenden Stoffes, allerdings bei ausreichend hoher Temperatur, wenn es sich noch im Normalzustand befindet. Bringen wir es in ein Magnetfeld und warten wir, bis sich alles beruhigt, die Ströme abklingen – der Stoff wird von einem magnetischen Fluss durchdrungen. Wir senken die Temperatur und warten darauf, dass die Substanz in einen supraleitenden Zustand übergeht. Es scheint, dass eine Senkung der Temperatur das Magnetfeldmuster nicht beeinflussen sollte. Der magnetische Fluss in einem Supraleiter sollte sich nicht ändern. Wenn Sie den Magneten – die Quelle des externen Magnetfelds – entfernen, sollte der Supraleiter diesem widerstehen und an der Oberfläche sollten supraleitende Ströme auftreten, die das Magnetfeld im Inneren der Substanz aufrechterhalten.

Dieses Verhalten steht jedoch völlig im Widerspruch zu den experimentellen Beobachtungen: Auch in diesem Fall tritt der Meissner-Effekt auf. Wenn man ein normales Metall in einem Magnetfeld abkühlt, wird beim Übergang in den supraleitenden Zustand das Magnetfeld aus dem Supraleiter verdrängt. Gleichzeitig entsteht auf seiner Oberfläche ein Dauerstrom, der in der Dicke des Supraleiters für ein Nullmagnetfeld sorgt. Das beschriebene Bild des supraleitenden Zustands stellt sich immer ein, unabhängig davon, wie der Übergang in diesen Zustand erfolgt.

Natürlich ist diese Beschreibung extrem idealisiert und wir werden sie im Laufe der Präsentation verkomplizieren. Nun ist es jedoch erwähnenswert, dass es zwei Arten von Supraleitern gibt, die unterschiedlich auf ein Magnetfeld reagieren. Wir begannen über die Eigenschaften von Supraleitern vom Typ I zu sprechen, mit deren Entdeckung die Supraleitung begann. Später wurden Supraleiter vom Typ II mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt. Sie sind hauptsächlich mit praktischen Anwendungen der Supraleitung verbunden.

Idealer Diamagnetismus

Das Ausstoßen eines Magnetfeldes ist für einen Physiker ebenso überraschend wie das Fehlen eines Widerstands. Tatsache ist, dass ein konstantes Magnetfeld normalerweise überall eindringt. Es wird nicht durch das geerdete Metall, das das elektrische Feld abschirmt, beeinträchtigt. In den meisten Fällen ist die Grenze eines Körpers für ein Magnetfeld keine Wand, die seinen „Fluss“ einschränkt, sondern eher eine kleine Stufe am Boden eines Beckens, die die Tiefe verändert und einen leichten Einfluss auf diesen „Fluss“ hat. Die magnetische Feldstärke in einem Stoff ändert sich um Hundertstel oder Tausendstel Prozent im Vergleich zu seiner Stärke außerhalb (mit Ausnahme magnetischer Stoffe wie Eisen und anderer Ferromagnete, bei denen ein großes inneres Magnetfeld zum äußeren hinzukommt). Bei allen anderen Stoffen ist das Magnetfeld entweder leicht verstärkt – und solche Stoffe nennt man paramagnetisch – oder leicht abgeschwächt – solche Stoffe nennt man diamagnetisch.

In Supraleitern ist das Magnetfeld auf Null abgeschwächt, das sind sie ideale diamagnetische Materialien.

Nur ein Schirm aus kontinuierlich aufrechterhaltenen Strömen kann das Magnetfeld „nicht durchlassen“. Der Supraleiter selbst erzeugt auf seiner Oberfläche einen solchen Schirm und hält ihn beliebig lange aufrecht. Daher ist der Meissner-Effekt oder der ideale Diamagnetismus eines Supraleiters nicht weniger überraschend als seine ideale Leitfähigkeit.

In Abb. Abbildung 9 zeigt grob, was mit einer Metallkugel passiert, wenn sich die Temperatur ändert T und Anlegen eines Magnetfeldes H(Magnetfeldlinien werden durch Pfeile angezeigt, die die Probe durchdringen oder umfließen). Ein Metall im Normalzustand ist blau markiert; geht das Metall in einen supraleitenden Zustand über, ändert sich die Farbe zu Grün. Zum Vergleich in Abb. 9, V zeigt, wie sich ein idealer Leiter (gekennzeichnet mit den Buchstaben IC) verhalten würde – ein Metall ohne Meissner-Effekt mit einem Widerstand von Null (falls vorhanden). Dieser Zustand wird rot angezeigt.

Reis. 9. Meissner-Effekt:

A- Ein normaler Leiter mit einem Widerstand ungleich Null bei jeder Temperatur (1) wird in ein Magnetfeld gebracht. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion entstehen Ströme, die dem Eindringen des Magnetfelds in das Metall widerstehen (2). Wenn der Widerstand jedoch ungleich Null ist, klingen sie schnell ab. Das Magnetfeld durchdringt eine Probe aus normalem Metall und ist nahezu gleichmäßig (3);

B- vom Normalzustand bei einer Temperatur darüber T c Es gibt zwei Möglichkeiten: Erstens: Wenn die Temperatur sinkt, geht die Probe in einen supraleitenden Zustand über, dann kann ein Magnetfeld angelegt werden, das aus der Probe herausgedrückt wird. Zweitens: Legen Sie zuerst ein Magnetfeld an, das die Probe durchdringt, und senken Sie dann die Temperatur. Anschließend wird das Feld während des Übergangs herausgedrückt. Das Ausschalten des Magnetfeldes ergibt das gleiche Bild;

V- Gäbe es den Meissner-Effekt nicht, würde sich der Leiter ohne Widerstand anders verhalten. Beim Übergang in einen Zustand ohne Widerstand in einem Magnetfeld würde es ein Magnetfeld aufrechterhalten und es auch dann beibehalten, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird. Die Entmagnetisierung eines solchen Magneten wäre nur durch eine Temperaturerhöhung möglich. Dieses Verhalten wurde jedoch experimentell nicht beobachtet.

Eine kleine Geschichte

Im nächsten Kapitel werden wir detaillierter auf die erstaunlichen Eigenschaften von Supraleitern eingehen und möchten dieses Kapitel mit einer Auflistung der wichtigsten Arbeiten abschließen, die von Physikern im Rahmen der Erforschung der Supraleitung durchgeführt wurden.

Dies sind zunächst die bereits erwähnten Entdeckungen von H. Kamerlingh Onnes (1911) und W. Meissner und R. Ochsenfeld (1933). Die erste theoretische Erklärung des Verhaltens eines Supraleiters in einem Magnetfeld wurde in England (1935) von den aus Deutschland ausgewanderten deutschen Physikern F. London und G. London vorgeschlagen. Im Jahr 1950 verfassten L. D. Landau und einer der Autoren dieses Buches eine Arbeit, in der sie eine allgemeinere Theorie der Supraleitung aufstellten. Diese Beschreibung erwies sich als praktisch und wird auch heute noch verwendet; sie wird Ginzburg-Landau-Theorie oder ψ-Theorie der Supraleitung genannt.

Der Mechanismus des Phänomens wurde 1957 von den amerikanischen Physikern J. Bardeen, L. Cooper und J. Schrieffer entdeckt. Aufgrund der Großbuchstaben ihrer Namen wird diese Theorie als BCS-Theorie bezeichnet, und der Mechanismus selbst (das Paarverhalten von Elektronen ist dafür wesentlich) wird oft als „Cooper-Paarung“ bezeichnet, da seine Idee von L. Cooper erfunden wurde. Für die Entwicklung der Supraleitungsphysik spielte die Feststellung der Existenz zweier Arten von Supraleitern – Typ I und Typ II – eine wichtige Rolle. Quecksilber und eine Reihe anderer Supraleiter sind Supraleiter vom Typ I. Supraleiter vom Typ II sind meist Legierungen aus zwei oder mehr Elementen. Die Arbeit von L.V. Shubnikov und seinen Kollegen in Charkow in den 1930er Jahren spielte eine wichtige Rolle bei der Entdeckung der Supraleitung vom Typ II. und A.A. Abrikosov in den 1950er Jahren.

Darüber hinaus hatten Entdeckungen und Forschungen in den 1950er Jahren große Auswirkungen. Verbindungen mit relativ hohen kritischen Temperaturen, die sehr hohen Magnetfeldern standhalten und Ströme hoher Dichte in einem supraleitenden Zustand leiten können. Der Höhepunkt dieser Studien waren vielleicht die Experimente von J. Künzler und seinen Kollegen (1960). Sie zeigten, dass Nb 3 Sn-Draht bei T= 4,2 K in einem Feld von 88.000 Oe (sie hatten einfach kein stärkeres Feld zur Verfügung) lässt einen Strom mit einer Dichte von 100.000 A/cm 2 durch. Damals entdeckte Supraleiter funktionieren noch heute in technischen Geräten. Solche Materialien werden heute als eine spezielle Klasse von Supraleitern klassifiziert, die als „harte Supraleiter“ bezeichnet werden.

Im Jahr 1962 sagte der englische Physiker B. Josephson theoretisch völlig ungewöhnliche Phänomene voraus, die an den Kontakten von Supraleitern auftreten sollten. Diese Vorhersagen wurden dann vollständig bestätigt, und die Phänomene selbst wurden als schwache Supraleitung oder Josephson-Effekte bezeichnet und fanden schnell praktische Anwendung.

Schließlich markierte ein Artikel (1986) der in Zürich tätigen Physiker, des Schweizers A. Müller und des Deutschen G. Bednorz, die Entdeckung einer neuen Klasse supraleitender Substanzen – Hochtemperatur-Supraleiter – und löste eine Lawine neuer Forschungen aus in dieser Gegend.

Die Grade der Kelvin-Skala werden üblicherweise mit dem Großbuchstaben K bezeichnet; sie entsprechen den üblichen Grad Celsius, werden aber ab dem absoluten Nullpunkt gezählt. Auf der Celsius-Skala beträgt die absolute Nulltemperatur -273,16 °C, sodass die erwähnte Temperatur von 4,15 K -269,01 °C entspricht. Im Folgenden versuchen wir, gerundete Werte anzugeben.

Das Bild des Auftretens des elektrischen Widerstands ist natürlich komplexer und wir werden es später genauer betrachten.

Eine Methode der „Destillation“, ähnlich dem Prozess der Wasserdestillation.

(77 K), eine viel billigere kryogene Flüssigkeit.

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✪ Lektion 296. Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Metallen. Supraleitung

✪ Supraleitung. Elektrischer Strom in verschiedenen Umgebungen. Lehrfilm

✪ Supraleiter und Quantenlevitation!

✪ Supraleitung (erzählt vom Physiker Boris Fain)

✪ Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe | Physik Klasse 10 #57 | Info-Lektion

Untertitel

Geschichte der Entdeckung

Grundlage für die Entdeckung des Phänomens der Supraleitung war die Entwicklung von Technologien zur Kühlung von Materialien auf extrem niedrige Temperaturen. Im Jahr 1877 kühlten der französische Ingenieur Louis Cayette und der Schweizer Physiker Raoul Pictet unabhängig voneinander Sauerstoff auf einen flüssigen Zustand ab. Im Jahr 1883 führten Zygmunt Wróblewski und Karol Olszewski die Stickstoffverflüssigung durch. Im Jahr 1898 gelang es James Dewar, flüssigen Wasserstoff zu gewinnen.

Im Jahr 1893 begann die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes, das Problem extrem niedriger Temperaturen zu untersuchen. Es gelang ihm, das beste kryogene Labor der Welt zu schaffen, in dem er am 10. Juli 1908 flüssiges Helium gewann. Später gelang es ihm, die Temperatur auf 1 Kelvin zu bringen. Kamerlingh Onnes untersuchte mit flüssigem Helium die Eigenschaften von Metallen, insbesondere um die Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstands von der Temperatur zu messen. Nach den damals existierenden klassischen Theorien sollte der Widerstand mit sinkender Temperatur gleichmäßig abnehmen, es gab jedoch auch die Meinung, dass bei zu niedrigen Temperaturen die Elektronen praktisch aufhören würden und das Metall völlig aufhören würde, Strom zu leiten. Experimente, die Kamerlingh Onnes mit seinen Assistenten Cornelis Dorsman und Gilles Holst durchführte, bestätigten zunächst die Schlussfolgerung über einen sanften Widerstandsabfall. Am 8. April 1911 entdeckte er jedoch unerwartet, dass der elektrische Widerstand bei 3 Kelvin (ca. −270 °C) praktisch Null war. Das nächste Experiment, das am 11. Mai durchgeführt wurde, zeigte, dass bei einer Temperatur von etwa 4,2 K ein starker Abfall des Widerstands auf Null auftritt (später ergaben genauere Messungen, dass diese Temperatur 4,15 K beträgt). Dieser Effekt war völlig unerwartet und konnte mit den damals existierenden Theorien nicht erklärt werden.

Der Nullwiderstand ist nicht das einzige Unterscheidungsmerkmal von Supraleitern. Einer der Hauptunterschiede zwischen Supraleitern und idealen Leitern ist der Meissner-Effekt, der 1933 von Walter Meissner und Robert Oxenfeld entdeckt wurde.

Später wurde entdeckt, dass Supraleiter in zwei große Familien unterteilt werden: Supraleiter vom Typ I (zu denen insbesondere Quecksilber gehört) und Supraleiter vom Typ II (normalerweise Legierungen verschiedener Metalle). Die Arbeiten von L.V. Shubnikov in den 1930er Jahren und A.A. Abrikosov in den 1950er Jahren spielten eine bedeutende Rolle bei der Entdeckung der Supraleitung vom Typ II.

Von großer Bedeutung für die praktische Anwendung von Hochleistungselektromagneten war in den 1950er Jahren die Entdeckung von Supraleitern, die starken Magnetfeldern standhalten und hohe Stromdichten übertragen können. So wurde 1960 unter der Leitung von J. Künzler das Material Nb 3 Sn entdeckt, ein Draht, der bei einer Temperatur von 4,2 K einen Strom mit einer Dichte von bis zu 100 kA/cm² leiten kann ein Magnetfeld von 8,8 T.

Im Jahr 2015 wurde ein neuer Rekord für die Temperatur aufgestellt, bei der Supraleitung erreicht wird. Für H 2 S (Schwefelwasserstoff) bei einem Druck von 100 GPa wurde ein supraleitender Übergang bei einer Temperatur von 203 K (-70 °C) aufgezeichnet.

Einstufung

Für die Klassifizierung von Supraleitern gibt es mehrere Kriterien. Hier sind die wichtigsten:

Eigenschaften von Supraleitern

Null elektrischer Widerstand

Bei Gleichstrom ist der elektrische Widerstand eines Supraleiters Null. Dies wurde in einem Experiment demonstriert, bei dem in einem geschlossenen Supraleiter ein elektrischer Strom induziert wurde, der 2,5 Jahre lang ungeschwächt darin floss (das Experiment wurde durch einen Streik von Arbeitern unterbrochen, die kryogene Flüssigkeiten lieferten).

Supraleiter im Hochfrequenzfeld

Streng genommen gilt die Aussage, dass der Widerstand von Supraleitern Null ist, nur für elektrischen Gleichstrom. In einem elektrischen Wechselfeld ist der Widerstand eines Supraleiters ungleich Null und steigt mit zunehmender Feldfrequenz. Dieser Effekt wird in der Sprache des Zwei-Fluid-Modells eines Supraleiters durch das Vorhandensein gewöhnlicher Elektronen neben dem supraleitenden Elektronenanteil erklärt, deren Anzahl jedoch gering ist. Wenn ein Supraleiter in ein konstantes Feld gebracht wird, wird dieses Feld im Inneren des Supraleiters zu Null, da sonst die supraleitenden Elektronen ins Unendliche beschleunigen würden, was unmöglich ist. Bei einem Wechselfeld ist das Feld im Inneren des Supraleiters jedoch ungleich Null und beschleunigt auch normale Elektronen, womit sowohl ein endlicher elektrischer Widerstand als auch Joulesche Wärmeverluste verbunden sind. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei solchen Lichtfrequenzen, für die die Quantenenergie gilt h ν (\displaystyle h\nu ) ausreichend, um ein supraleitendes Elektron in die Gruppe der normalen Elektronen zu übertragen. Diese Frequenz liegt normalerweise im Infrarotbereich (ca. 10 11 Hz), daher unterscheiden sich Supraleiter im sichtbaren Bereich praktisch nicht von gewöhnlichen Metallen.

Phasenübergang in den supraleitenden Zustand

Der Temperaturbereich des Übergangs in den supraleitenden Zustand für reine Proben überschreitet nicht Tausendstel Kelvin und daher ist ein bestimmter Wert sinnvoll T s- Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand. Diese Menge heißt kritische Übergangstemperatur. Die Breite des Übergangsintervalls hängt von der Heterogenität des Metalls ab, hauptsächlich vom Vorhandensein von Verunreinigungen und inneren Spannungen. Aktuelle bekannte Temperaturen T s variieren von 0,0005 K für Magnesium (Mg) bis 23,2 K für die intermetallische Verbindung von Niob und Germanium (Nb 3 Ge, im Film) und 39 K für Magnesiumdiborid ( 2) für Niedertemperatursupraleiter ( T s(unter 77 K, dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff), bis etwa 135 K für quecksilberhaltige Hochtemperatursupraleiter.

Derzeit hat die Phase HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) den höchsten bekannten Wert der kritischen Temperatur – 135 K, und bei einem Außendruck von 350.000 Atmosphären steigt die Übergangstemperatur auf 164 K ist nur 19 K niedriger als die minimale Temperatur, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erdoberfläche gemessen wird. So sind Supraleiter in ihrer Entwicklung von metallischem Quecksilber (4,15 K) zu quecksilberhaltigen Hochtemperatursupraleitern (164 K) übergegangen. Im Jahr 2000 wurde gezeigt, dass eine leichte Fluorierung der oben genannten Quecksilberkeramiken es ermöglicht, die kritische Temperatur bei Normaldruck auf 138 K zu erhöhen.

Der Übergang eines Stoffes in den supraleitenden Zustand geht mit einer Änderung seiner thermischen Eigenschaften einher. Diese Änderung hängt jedoch von der Art der jeweiligen Supraleiter ab. Dies gilt für Supraleiter vom Typ I in Abwesenheit eines Magnetfelds bei der Übergangstemperatur T c Die Übergangswärme (Absorption oder Freisetzung) geht auf Null und erleidet daher einen Sprung in der Wärmekapazität, der für einen Phasenübergang vom Typ ΙΙ charakteristisch ist. Diese Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des elektronischen Subsystems eines Supraleiters weist auf das Vorhandensein einer Energielücke in der Elektronenverteilung zwischen dem Grundzustand des Supraleiters und dem Niveau elementarer Anregungen hin. Wenn der Übergang vom supraleitenden Zustand in den Normalzustand durch Änderung des angelegten Magnetfelds erfolgt, muss Wärme absorbiert werden (wenn die Probe beispielsweise thermisch isoliert ist, sinkt ihre Temperatur). Und dies entspricht einem Phasenübergang 1. Ordnung. Bei Supraleitern vom Typ II ist der Übergang vom supraleitenden in den Normalzustand unter allen Bedingungen ein Phasenübergang vom Typ II.

Meissner-Effekt

Eine noch wichtigere Eigenschaft eines Supraleiters als der elektrische Widerstand Null ist der sogenannte Meissner-Effekt, der in der Verschiebung eines konstanten Magnetfelds von einem Supraleiter besteht. Aus dieser experimentellen Beobachtung lässt sich schließen, dass es im Inneren des Supraleiters anhaltende Ströme gibt, die ein inneres Magnetfeld erzeugen, das dem von außen angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist und dieses kompensiert.

Isotopischer Effekt

Isotopischer Effekt für Supraleiter sind das Temperaturen T s sind umgekehrt proportional zu den Quadratwurzeln der Atommassen der Isotope desselben supraleitenden Elements. Dadurch unterscheiden sich monoisotope Präparate in den kritischen Temperaturen etwas von der natürlichen Mischung und voneinander.

Londoner Moment

Der rotierende Supraleiter erzeugt ein Magnetfeld, das genau auf die Rotationsachse ausgerichtet ist. Das resultierende magnetische Moment wird „London-Moment“ genannt. Es wurde insbesondere im Wissenschaftssatelliten Gravity Probe B eingesetzt, wo die Magnetfelder von vier supraleitenden Gyroskopen gemessen wurden, um deren Rotationsachsen zu bestimmen. Da die Rotoren von Gyroskopen nahezu vollkommen glatte Kugeln waren, war die Verwendung des Londoner Moments eine der wenigen Möglichkeiten, ihre Rotationsachse zu bestimmen.

Londons gravitomagnetischer Moment

Ein rotierender und gleichzeitig beschleunigender, also die Umdrehungsfrequenz erhöhender Ring aus Supraleiter erzeugt ein Gravitationsfeld. Experimente im Zusammenhang mit dem Londoner gravitomagnetischen Moment wurden 2006 von Martin Tajmar vom österreichischen Unternehmen ARC Seibersdorf Research und Clovis de Matos von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) durchgeführt. Experimentatoren haben erstmals ein auf diese Weise künstlich erzeugtes gravitomagnetisches Feld gemessen. Tajmar und de Matos glauben, dass dieser Effekt das Geheimnis des Unterschieds zwischen der zuvor mit hoher Genauigkeit gemessenen Masse von Cooper-Paaren (das sind Elektronen, die in einem Supraleiter für Leitfähigkeit sorgen) und derselben auf dem Papier erhaltenen Masse erklärt – nach Berechnungen der Quantentheorie .

Den experimentell entdeckten Gravitationseffekt nannten die Forscher „Gravitomagnetisches London-Moment“, in Analogie zu einem ähnlichen magnetischen Effekt: der Entstehung eines Magnetfeldes während der Rotation eines Supraleiters, dem sogenannten „London-Moment“.

Das dadurch verursachte Feld war 100 Millionen Mal schwächer als das Schwerefeld der Erde. Und obwohl dieser Effekt von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde, erwies sich diese Feldstärke als 20 Größenordnungen stärker als der berechnete Wert.

Theoretische Erklärung des Supraleitungseffekts

Eine völlig zufriedenstellende mikroskopische Theorie der Supraleitung fehlt derzeit.

Bereits in einem relativ frühen Stadium der Erforschung der Supraleitung, zumindest nach der Entstehung der Ginzburg-Landau-Theorie, wurde klar, dass Supraleitung eine Folge der Vereinigung einer makroskopischen Anzahl von Leitungselektronen in einem einzigen quantenmechanischen Zustand ist. Die Besonderheit der in einem solchen Ensemble gebundenen Elektronen besteht darin, dass sie nicht in kleinen Mengen Energie mit dem Gitter austauschen können, die geringer ist als ihre Bindungsenergie im Ensemble. Das heißt, wenn sich Elektronen in einem Kristallgitter bewegen, ändert sich die Energie der Elektronen nicht und die Substanz verhält sich wie ein Supraleiter ohne Widerstand. Die quantenmechanische Analyse zeigt, dass in diesem Fall keine Streuung der Elektronenwellen durch thermische Schwingungen des Gitters oder Verunreinigungen erfolgt. Und das bedeutet, dass kein elektrischer Widerstand vorhanden ist. Eine solche Kombination von Teilchen ist in einem Ensemble von Fermionen unmöglich. Es ist charakteristisch für ein Ensemble identischer Bosonen. Die Tatsache, dass Elektronen in Supraleitern zu Bosonenpaaren kombiniert werden, geht aus Experimenten hervor, bei denen die Größe des magnetischen Flussquantums gemessen wurde, das in hohlen supraleitenden Zylindern „eingefroren“ ist. Daher bestand die Hauptaufgabe bei der Erstellung der Theorie der Supraleitung bereits Mitte des 20. Jahrhunderts in der Entwicklung eines Mechanismus zur Elektronenpaarung. Die erste Theorie, die den Anspruch erhob, eine mikroskopische Erklärung der Ursachen der Supraleitung zu liefern, war die von ihnen in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts aufgestellte Theorie von Bardeen-Cooper-Schrieffer. Diese Theorie erlangte unter dem Namen BCS weltweite Anerkennung und wurde 1972 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei der Erstellung ihrer Theorie stützten sich die Autoren auf den Isotopeneffekt, also den Einfluss der Masse des Isotops auf die kritische Temperatur des Supraleiters. Es wurde angenommen, dass seine Existenz direkt auf die Bildung eines supraleitenden Zustands aufgrund der Wirkung des Phononenmechanismus hinweist.

Die BCS-Theorie ließ einige Fragen unbeantwortet. Auf dieser Grundlage erwies es sich als unmöglich, das Hauptproblem zu lösen – zu erklären, warum bestimmte Supraleiter die eine oder andere kritische Temperatur haben. Darüber hinaus zeigten weitere Experimente mit Isotopensubstitutionen, dass aufgrund der Anharmonizität der Nullpunktschwingungen von Ionen in Metallen ein direkter Einfluss der Ionenmasse auf die interionischen Abstände im Gitter und damit direkt auf die Fermi-Energie von besteht das Metall. Daher wurde klar, dass die Existenz des Isotopeneffekts kein Beweis für den Phononenmechanismus ist, da er der einzig mögliche ist, der für die Paarung von Elektronen und das Auftreten von Supraleitung verantwortlich ist. Die Unzufriedenheit mit der BCS-Theorie führte in späteren Jahren zu Versuchen, andere Modelle zu entwickeln, beispielsweise das Spinfluktuationsmodell und das Bipolaron-Modell. Obwohl sie verschiedene Mechanismen für die Verbindung von Elektronen zu Paaren betrachteten, führten diese Entwicklungen jedoch auch nicht zu Fortschritten beim Verständnis des Phänomens der Supraleitung.

Das Hauptproblem der BCS-Theorie ist die Existenz von , die durch diese Theorie nicht beschrieben werden kann.

Anwendungen der Supraleitung

Bei der Erlangung der Hochtemperatursupraleitung wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Basierend auf Metallkeramiken, beispielsweise der Zusammensetzung YBa 2 Cu 3 O x , wurden Stoffe gewonnen, für die die Temperatur gilt T c Der Übergang in den supraleitenden Zustand überschreitet 77 K (Stickstoffverflüssigungstemperatur). Leider sind fast alle Hochtemperatursupraleiter technologisch nicht ausgereift (spröde, haben keine stabilen Eigenschaften etc.), weshalb in der Technik immer noch überwiegend Supraleiter auf Basis von Nioblegierungen eingesetzt werden.

Das Phänomen der Supraleitung wird genutzt, um starke Magnetfelder zu erzeugen (zum Beispiel in Zyklotronen), da es keinen Wärmeverlust gibt, wenn starke Ströme durch einen Supraleiter fließen und starke Magnetfelder erzeugen. Da das Magnetfeld jedoch den Zustand der Supraleitung zerstört, werden zur Erzielung starker Magnetfelder sogenannte sogenannte Magnetfelder eingesetzt. Supraleiter vom Typ II, bei denen die Koexistenz von Supraleitung und Magnetfeld möglich ist. In solchen Supraleitern verursacht ein Magnetfeld das Auftreten dünner Filamente aus normalem Metall, die die Probe durchdringen und von denen jedes ein magnetisches Flussquantum trägt (Abrikosov-Wirbel). Die Substanz zwischen den Fäden bleibt supraleitend. Da es in einem Supraleiter vom Typ II keinen vollständigen Meissner-Effekt gibt, besteht Supraleitung bis zu viel höheren Magnetfeldwerten H C 2. In der Technik werden vor allem folgende Supraleiter eingesetzt:

In wichtigen Anwendungen finden supraleitende Miniatur-Ringgeräte – SQUIDS, deren Wirkung auf dem Zusammenhang zwischen Änderungen des magnetischen Flusses und der Spannung beruht. Sie sind Teil hochempfindlicher Magnetometer, die das Erdmagnetfeld messen, und werden auch in der Medizin zur Erstellung von Magnetogrammen verschiedener Organe eingesetzt.

Supraleiter werden auch in Magnetschwebebahnen eingesetzt.

Das Phänomen der Abhängigkeit der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand von der Stärke des Magnetfeldes wird in Kryotrons genutzt – gesteuerte Widerstände.

siehe auch

Anmerkungen

Die Entdeckung der Supraleitung – ein Kapitel aus dem Buch von J. Trigg „Physik des 20. Jahrhunderts: Schlüsselexperimente“
Dirk van Delft und Peter Kes.

Der Leiterwiderstand hängt von der Temperatur ab. Wenn Metalle erhitzt werden, erhöht sich der Widerstand; wenn Metalle abgekühlt werden, verringert sich der Widerstand. Wenn die Temperatur des Leiters gegen Null geht, kann ein Phänomen namens Supraleitung auftreten.

Geschichte der Entdeckung

Die Entdeckung der Supraleitung gehört dem niederländischen Physiker H. Kamerlingh-Onnes. Er kühlte Quecksilber in flüssigem Helium. Zunächst nahm der Widerstand allmählich ab, und dann, bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, fiel der Widerstand stark auf Null. Dieses Phänomen wurde Supraleitung genannt.

Das Wesen des Phänomens der Supraleitung konnten sie jedoch erst 1957 erklären. Es wird auf der Grundlage der Quantentheorie gegeben. Mit einer starken Vereinfachung lässt sich die Supraleitung wie folgt erklären: Elektronen bündeln sich in Reihen und bewegen sich, ohne mit dem Kristallgitter zu kollidieren. Diese Bewegung ähnelt überhaupt nicht der gewöhnlichen chaotischen thermischen Bewegung.

1986 wurde zusätzlich zur Niedertemperatursupraleitung auch die Hochtemperatursupraleitung entdeckt. Sie stellten komplexe Verbindungen her, die bei einer Temperatur von 100 K in den supraleitenden Zustand übergehen.

Eigenschaften von Supraleitern

Die kritische Temperatur ist die Temperatur, bei der ein Stoff in den supraleitenden Zustand übergeht. Das Phänomen der Supraleitung tritt bei Metallen und ihren Legierungen auf bei sehr niedrigen Temperaturen(ca. 25 K und darunter). Es gibt Referenztabellen, die die kritischen Temperaturen bestimmter Stoffe angeben.
Da es in der Supraleitung keinen Widerstand gibt, gilt es entsteht keine Wärmeentwicklung wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Diese Eigenschaft von Supraleitern wird häufig genutzt.
Für jeden Supraleiter gibt es kritischer Stromwert, was in einem Leiter erreicht werden kann, ohne seine Supraleitung zu stören. Dies liegt daran, dass beim Stromfluss ein Magnetfeld um den Leiter herum entsteht. Und das Magnetfeld zerstört den supraleitenden Zustand. Daher ist es mit Supraleitern nicht möglich, ein beliebig starkes Magnetfeld zu erzeugen.
Wenn Energie durch einen Supraleiter fließt es gibt keinen Verlust davon. Ein Forschungsgebiet moderner Physiker ist die Herstellung supraleitender Materialien bei Raumtemperatur. Wenn dieses Problem gelöst werden kann, ist auch eines der wichtigsten technischen Probleme gelöst – die verlustfreie Übertragung von Energie durch Leitungen.

Aussichten

Hochtemperatur-Supraleitung ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet, das später zu einer neuen technischen Revolution in der Elektronik, Elektrotechnik und Funktechnik führen könnte. Den neuesten Daten auf diesem Gebiet zufolge liegt die maximal erreichte kritische Temperatur der Supraleitung bei 166 K.

Wir kommen der Entdeckung von Materialien, die bei Raumtemperatur supraleitend sind, immer näher. Dies wird ein Durchbruch in der Welt der Technologie sein. Strom kann verlustfrei über jede Entfernung übertragen werden.