Artikli sisu
ÜLIJUHTIVUS, olek, millesse mõned tahked elektrit juhtivad ained muutuvad madalatel temperatuuridel. Ülijuhtivus on avastatud paljudes metallides ja sulamites ning kasvavas hulgas pooljuht- ja keraamilistes materjalides. Kaks kõige üllatavamat ülijuhtivas olekus täheldatud nähtust on ülijuhi elektritakistuse kadumine ja magnetvoo väljutamine ( cm. allpool) selle mahust. Esimest efekti tõlgendasid varased teadlased kui tõendit lõpmatult suure elektrijuhtivuse kohta, sellest ka nimetus ülijuhtivus.
Elektritakistuse kadumist saab näidata ülijuhtivast materjalist rõngas elektrivoolu tekitamisega. Kui rõngas jahutatakse nõutava temperatuurini, siis eksisteerib rõngas olev vool lõputult ka pärast seda põhjustanud vooluallika eemaldamist. Magnetvoog on magnetiliste jõujoonte kogum, mis moodustavad magnetvälja. Kui väljatugevus on alla teatud kriitilise väärtuse, surutakse voog ülijuhist välja, mis on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 1.
Elektrit juhtiv tahke aine on kristallvõre, milles elektronid saavad liikuda. Võre moodustavad geomeetriliselt õiges järjekorras paiknevad aatomid ja liikuvad elektronid on aatomite väliskestade elektronid. Kuna elektronide voog on elektrivool, nimetatakse neid elektrone juhtivuselektronideks. Kui juht on normaalses (mitteülijuhtivas) olekus, siis liigub iga elektron teistest sõltumatult. Iga elektroni võimet liikuda ja seetõttu säilitada elektrivoolu piiravad selle kokkupõrked nii võrega kui ka tahke aine lisandite aatomitega. Et juhis eksisteeriks elektronvool, tuleb sellele rakendada pinge; see tähendab, et juhil on elektritakistus. Kui juht on ülijuhtivas olekus, ühinevad juhtivuselektronid üheks makroskoopiliselt järjestatud olekuks, milles nad käituvad „kollektiivina“; Kogu “meeskond” reageerib ka välismõjudele. Elektronide ja võre vahelised kokkupõrked muutuvad võimatuks ning kord genereeritud vool eksisteerib välise vooluallika (pinge) puudumisel. Ülijuhtiv olek tekib järsult temperatuuril, mida nimetatakse üleminekutemperatuuriks. Üle selle temperatuuri on metall või pooljuht normaalses olekus ja selle all - ülijuhtivas olekus. Antud aine üleminekutemperatuuri määrab kahe „vastupidise jõu“ suhe: üks kipub elektrone järjestama ja teine seda järjestust hävitama. Näiteks metallide, nagu vask, kuld ja hõbe, järjestamise tendents on nii väike, et need elemendid ei muutu ülijuhtideks isegi siis, kui temperatuur on vaid mõni miljondik kelvinit üle absoluutse nulli. Absoluutne null (0 K, –273,16° C) on temperatuuri alumine piir, mille juures aine kaotab kogu oma soojuse. Teiste metallide ja sulamite üleminekutemperatuurid jäävad vahemikku 0,000325 kuni 23,2 K ( vaata tabelit). 1986. aastal loodi ülijuhid ebatavaliselt kõrge üleminekutemperatuuriga keraamilistest materjalidest. Seega ületab keraamiliste proovide YBa 2 Cu 3 O 7 üleminekutemperatuur 90 K.
Füüsikud nimetavad ülijuhtivat olekut makroskoopiliseks kvantmehaaniliseks olekuks. Kvantmehaanikat, mida tavaliselt kasutatakse aine käitumise kirjeldamiseks mikroskoopilisel skaalal, rakendatakse siin makroskoopilisel skaalal. Just asjaolu, et siinne kvantmehaanika võimaldab seletada aine makroskoopilisi omadusi, teeb ülijuhtivuse nii huvitavaks nähtuseks.
Avamine.
Palju teavet metalli kohta pärineb välise pinge ja selle tekitatava voolu vahelisest seosest. Üldiselt on sellel suhtel võrdsuse vorm V/ma = R, Kus V- Pinge, ma– praegune ja R- elektritakistus. Selle seaduse (Ohmi seaduse) kohaselt on elektrivool võrdeline pingega mis tahes väärtusel R, mis on proportsionaalsuse koefitsient.
Takistus on tavaliselt voolust sõltumatu, kuid sõltub temperatuurist. Saanud 1908. aastal vedela heeliumi, hakkas G. Kamerlingh-Onnes Leideni ülikoolist (Holland) mõõtma vedelasse heeliumi sukeldatud puhta elavhõbeda takistust ja avastas (1911), et vedela heeliumi temperatuuril langeb elavhõbeda takistus nullini. Hiljem avastati, et ka paljud teised metallid ja sulamid muutuvad madalatel temperatuuridel ülijuhtivaks.
Järgmise olulise avastuse tegid 1933. aastal saksa füüsik W. Meissner ja tema kaastööline R. Ochsenfeld. Nad avastasid, et kui silindrikujuline proov asetada pikisuunalisse magnetvälja ja jahutada alla üleminekutemperatuuri, ajab see magnetvoo täielikult välja. Meissneri efekt, nagu seda nähtust nimetati, oli oluline avastus, sest tegi füüsikutele selgeks, et ülijuhtivus on kvantmehaaniline nähtus. Kui ülijuhtivus seisneks ainult elektritakistuse kadumises, siis võiks seda seletada klassikalise füüsika seadustega.
ÜLIJUHTIDE OMADUSED
Füüsikalises kirjanduses nimetatakse aineid või materjale, mis erinevates tingimustes võivad olla ülijuhtivas või mitteülijuhtivas olekus, sageli ülijuhtideks. Seesama lihtne (identsetest aatomitest koosnev) metall, sulam või pooljuht võib olla ülijuhtiv mõnes temperatuurivahemikus või välises magnetväljas; kõrgemate kriitiliste väärtustega temperatuuridel või väljadel on see tavaline (tavaliselt nimetatakse seda normaalseks) juhiks.
Pärast Meissneri efekti avastamist viidi ülijuhtidega läbi suur hulk katseid. Uuritud omaduste hulgas olid:
1) Kriitiline magnetväli – välja väärtus, millest kõrgemal on ülijuht normaalses olekus. Kriitilised väljad ulatuvad tavaliselt mitmekümnest gaussist kuni mitmesaja tuhande gaussini, olenevalt ülijuhist ja selle metallofüüsikalisest olekust. Antud ülijuhi kriitiline väli muutub sõltuvalt temperatuurist, vähenedes selle tõustes. Üleminekutemperatuuril on kriitiline väli null ja absoluutses nullis maksimaalne (joonis 2).
2) Kriitiline vool – maksimaalne alalisvool, mida ülijuht suudab vastu pidada ülijuhtivust kaotamata. Nagu kriitiline magnetväli, sõltub kriitiline vool tugevalt temperatuurist, vähenedes selle suurenedes.
3) Läbitungimissügavus – kaugus, milleni magnetvoog ülijuhti tungib. Läbitungimissügavus osutub temperatuuri funktsiooniks ja on erinevatel materjalidel erinev: 3H 10 –6 kuni 2H 10 –5 cm Magnetvoo surutakse ülijuhist välja pinnakihis ringlevate vooludega, mille paksus. on ligikaudu võrdne läbitungimissügavusega.
Et mõista, miks magnetvoog välja surutakse, s.t. Mis põhjustab Meissneri efekti, peame meeles pidama, et kõik füüsilised süsteemid kalduvad minimaalse energiaga olekusse. Magnetväljal on teatud energia. Ülijuhi energia suureneb magnetväljas. Kuid see väheneb taas tänu sellele, et ülijuhi pinnakihis tekivad voolud. Need voolud loovad magnetvälja, mis kompenseerib väljastpoolt rakendatud välja. Ülijuhi energia on suurem kui välise magnetvälja puudumisel, kuid väiksem kui siis, kui väli tungib selle sisse.
Magnetvoo täielik väljutamine ei ole energeetiliselt kasulik kõigile ülijuhtidele. Mõnes materjalis saavutatakse magnetvälja minimaalse energiaseisund, kui osa magnetvoo joontest tungivad osaliselt läbi materjali, moodustades mosaiigi ülijuhtivatest piirkondadest, kus magnetväli puudub, ja normaalpiirkondadest, kus see on.
4) Koherentsi pikkus - kaugus, mille jooksul elektronid interakteeruvad üksteisega, tekitades ülijuhtiva oleku. Koherentsipikkuses olevad elektronid liiguvad kooskõlastatult – koherentselt (justkui “sammult”). Eri ülijuhtide koherentsuse pikkus varieerub vahemikus 5 × 10–7 kuni 10–4 cm Suurte koherentsuspikkuste olemasolu (mis on palju suuremad kui suurusjärgus 10–8 cm aatomimõõtmed) on seotud ülijuhtide ebatavaliste omadustega.
5) Erisoojusmahutavus - soojushulk, mis on vajalik 1 g aine temperatuuri tõstmiseks 1 K võrra. Ülijuhi erisoojusmahtuvus tõuseb ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuuri lähedal järsult ja langeb üsna kiiresti. temperatuuri. Seega on üleminekupiirkonnas ülijuhtivas olekus aine temperatuuri tõstmiseks vaja rohkem soojust kui tavaolekus ja väga madalatel temperatuuridel on vastupidi. Kuna erisoojusmahtuvuse määravad eelkõige juhtivuselektronid, viitab see nähtus elektronide oleku muutumisele.
ÜLIJUHTIVUSE TEOORIAD
Enne 1957. aastat olid enamik katseid seletada eksperimentaalseid andmeid oma olemuselt fenomenoloogilised: need põhinesid kunstlikel eeldustel või olemasolevate teooriate lahtistel modifikatsioonidel ning nende eesmärk oli saavutada eksperimendiga üksmeel. Esimest tüüpi katsete näide on kahe vedeliku mudel, mis postuleerib, et üleminekutemperatuuril omandavad osa juhtivuselektronid võime liikuda ilma takistust kogemata. See mudel selgitab kriitilise välja, kriitilise voolu ja läbitungimissügavuse sõltuvust temperatuurist, kuid ei anna midagi nähtuse enda füüsiliseks mõistmiseks, sest ei seleta sellist osalist ülijuhtivust.
Edu saavutati 1935. aastal, kui teoreetilised füüsikud, vennad F. ja G. London, tegid ettepaneku käsitleda ülijuhtivust makroskoopilise kvantefektina. (Varem olid teada ainult kvantefektid, mida täheldati aatomiskaalal - suurusjärgus 10 -8 cm.) Londonid muutsid klassikalisi elektromagnetismi võrrandeid nii, et nende tulemuseks oli Meissneri efekt, lõpmatu juhtivus ja piiratud läbitung. sügavus. 1950. aastate alguses näitas A. Pippard Cambridge’i ülikoolist, et selline kvantolek on tegelikult makroskoopiline, hõlmates vahemaid kuni 10 –4 cm, s.o. 10 000 korda suurem aatomi raadius.
Kuigi need jõupingutused olid olulised, ei jõudnud nad ülijuhtivust juhtiva fundamentaalse interaktsiooni tuumani. Mõned viited selle interaktsiooni olemusele ilmnesid 1950. aastate alguses, kui avastati, et sama elemendi erinevatest isotoopidest valmistatud metallide ülijuhtiva ülemineku temperatuur ei ole sama. Selgus, et mida suurem on aatommass, seda madalam on üleminekutemperatuur. (Sama elemendi isotoopides on sama arv elektrone, kuid erinevad tuumamassid.) Isotoobiefekt näitas, et üleminekutemperatuur sõltub kristallvõre aatomite massist ja seetõttu ei ole ülijuhtivus puhtalt elektrooniline efekt.
Elektronid metallides.
Isotoobiefekti avastamine tähendas, et ülijuhtivuse põhjustas tõenäoliselt juhtivuselektronide ja kristallvõre aatomite vaheline interaktsioon. Et mõista, kuidas see ülijuhtivuseni viib, peame vaatama metalli struktuuri. Nagu kõik kristalsed tahked ained, koosnevad metallid positiivselt laetud aatomitest, mis on paigutatud ruumis ranges järjekorras. Aatomite paigutamise järjekorda võib võrrelda korduva mustriga tapeedil, kuid muster peab korduma kolmemõõtmeliselt. Juhtivuselektronid liiguvad kristalli aatomite vahel kiirusega, mis jääb vahemikku 0,01–0,001 valguse kiirust; nende liikumine on elektrivool.
Bardeen-Cooper-Schriefferi (BCS) teooria.
1956. aastal L. Cooper St. Illinois näitas, et kui elektronid on üksteise külge tõmmatud, peavad nad, hoolimata sellest, kui nõrk see külgetõmme on, "kondenseeruma" seotud olekusse. Võib eeldada, et see seotud olek on soovitud ülijuhtiv olek. Nagu Cooper ette kujutas, on selline külgetõmme võimalik kahe elektroni vahel ja peaks viima kristallvõres liikuvate seotud paaride (nn Cooperi paaride) moodustumiseni.
Kuid juba 1950. aastal pakkus G. Froelich välja, et elektronid võivad võreaatomitega interaktsiooni tõttu üksteise külge tõmmata. Seda külgetõmbemehhanismi nimetatakse elektron-fononi interaktsiooniks; see on järgmine. Kristallvõres liikuv elektron näib seda moonutavat. See on tingitud negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud võreaatomite vastastikmõjust. Läbi võre liikuv elektron "viib kokku" oma aatomid. Seejärel tõmmatakse teine elektron positiivse laengu suurenenud mõjul "kitsendatud piirkonda". Esimese elektroni energia, mis kulub "võre deformatsioonile", kandub ilma kadudeta Cooperi paari teisele liikmele. Selline paar liigub mööda võret, vahetades energiat läbi võre aatomite, kuid kaotamata oma energiat tervikuna (joonis 3).
See interaktsioon on mõnevõrra sarnane kahe raske palli käitumisega kummimembraanil. Kui üks pall veereb, painutab see membraani nii, et teine pall järgneb sellele. Erinevalt kuulidest sarnaselt laetud elektronid tõrjuvad üksteist. See vastastikune tõrjumine on aga tugev ainult siis, kui elektronid on üksteisele väga lähedal, ja väheneb kiiresti eemaldudes. Võre ehk elektron-fononi interaktsiooni korral on elektronid üksteisest üsna kaugel (vahemaa suurusjärgus 5×10 –7 –10 –4 cm). Sellistel vahemaadel on elektronide tõrjumine elektron-fononi interaktsiooniga võrreldes väike, mille tulemusena tõmbuvad elektronid üksteise külge tõhusalt. (Fonon on kristallvõre vibratsioonienergia kvant.)
Seni oleme arvestanud ainult ühte Cooperi paari, samas kui tegelikkuses on 1 cm 3 aines ligikaudu 10 20 Cooperi paari. On lihtne ette kujutada, et ühe Cooperi paari tekitatud võre moonutus võib häirida teiste paaride külgetõmmet. 1957. aastal pakkusid J. Bardeen, L. Cooper ja J. Schrieffer välja nn BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer) teooria, mille eest pälvisid nad 1972. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Selle teooria kohaselt moodustavad paarid koherentse oleku, milles neil kõigil on sama hoog. Väidetavalt on need koherentsed elektronid ühes kvantolekus; nad moodustavad nn kvant- ehk ülivedeliku vedeliku. See elektronide laiaulatuslik sidusus on kvantpõhimõtete märkimisväärne makroskoopiline demonstratsioon.
BCS-teooria selgitab paljusid ülijuhtide omadusi, mida oleme juba arutanud. Ülijuhis olevad elektronid lähevad kollektiivsesse olekusse nii, et nende potentsiaalne energia muutub minimaalseks. Koos liikudes tõmbuvad elektronid teineteise poole elektron-fononi interaktsioonimehhanismi kaudu ning süsteemi potentsiaalne energia osutub väiksemaks kui kahe teineteist mittetõmbava elektroni puhul. Sellises kollektiivses olekus ülijuht suudab neutraliseerida voolu või magnetvälja energiat suurendavat mõju; See tähendab kriitilise voolu ja välja sõltuvust temperatuurist. Üle siirdetemperatuuri on elektronidel liiga palju soojusenergiat ja nad "erutuvad", st. üleminek madalama energiaga ülijuhtivast olekust normaalsesse, kõrgema energiaga olekusse.
Isotoopefekt on seletatav asjaoluga, et kergemates isotoopides on võre "häiritud" väiksema energiaga. Raskemate isotoopide võre on raskem deformeeruda ja seetõttu toimub üleminek ülijuhtivusele madalamatel temperatuuridel. BCS-teooria selgitab ka seda, miks head juhid, nagu vask ja kuld, ei ole ülijuhid. Nendes ainetes olevad juhtivuselektronid läbivad kergesti aatomvõre, peaaegu ilma sellega suhtlemata. See muudab sellised materjalid headeks elektrijuhtideks, sest nad kaotavad võre hajumise tõttu vähe energiat. Ülijuhtiva oleku saavutamiseks on vajalik tugev interaktsioon võre aatomite ja elektronide vahel. Sel põhjusel ei ole väga head elektrijuhid tavaliselt ülijuhid.
1. ja 2. tüüpi ülijuhid.
Vastavalt nende käitumisele magnetväljas jagatakse ülijuhid 1. ja 2. tüüpi ülijuhtideks. 1. tüüpi ülijuhtidel on need ideaalsed omadused, millest on juba juttu olnud. Magnetvälja olemasolul tekivad ülijuhi pinnakihis voolud, mis kompenseerivad täielikult välisvälja proovi paksuses. Kui ülijuht on pika silindri kujuga ja asub oma teljega paralleelses väljas, siis võib läbitungimissügavus olla suurusjärgus 3×10–6 cm Kriitilise välja saavutamisel ülijuhtivus kaob ja väli täielikult tungib materjali sisse. 1. tüüpi ülijuhtide kriitilised väljad on tavaliselt vahemikus 100 kuni 800 gaasi. Kuigi 1. tüüpi ülijuhtidel on madal läbitungimissügavus, on neil suur koherentsuspikkus – suurusjärgus 10–4 cm.
2. tüüpi ülijuhte iseloomustab suur läbitungimissügavus (umbes 2×10–5 cm) ja lühike koherentsuspikkus (5×10–7 cm). Nõrga magnetvälja (alla 500 Gaussi) olemasolul surutakse kogu magnetvoog 2. tüüpi ülijuhist välja. Aga kõrgemal N s 1 – esimene kriitiline väli – magnetvoog tungib proovi, kuigi vähemal määral kui tavaolekus. See osaline tungimine püsib kuni teise kriitilise väljani - N s 2, mis võib ületada 100 kg. Suurte põldudega N s 2, vool tungib täielikult ja aine muutub normaalseks. Erinevate ülijuhtide omadused on toodud tabelis.
| KRIITILISED TEMPERATUURID JA VÄLJAD | |||
| Materjalid | Kriitiline temperatuur, K | Kriitilised väljad (0 K juures), G | |
| 1. tüüpi ülijuhid | |||
| Roodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Titaan | 0,39 | 60 | |
| Kaadmium | 0,52 | 28 | |
| Tsink | 0,85 | 55 | |
| Gallium | 1,08 | 59 | |
| Tallium | 2,37 | 180 | |
| Indium | 3,41 | 280 | |
| Tina | 3,72 | 305 | |
| elavhõbe | 4,15 | 411 | |
| Plii | 7,19 | 803 | |
| 2. tüüpi ülijuhid | Hc 1 | Hc 2 | |
| nioobium | 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* |
| * Ekstrapoleeritud absoluutse nullini. | |||
Josephsoni efekt.
1962. aastal tegi Cambridge'i ülikooli magistrant B. Josephson, mõeldes sellele, mis juhtuks, kui kaks ülijuhti lähendataks mitme angströmi kaugusele, et Cooperi paarid peaksid tunneliefekti tõttu eemalduma. ühest ülijuhist teise nullpingega.
Ennustati kahte märkimisväärset mõju. Esiteks võib ülijuhtiv (mittehajuv) vool voolata läbi tunneli ülijuhtiva kontakti (ühenduskoht, mis koosneb kahest dielektrilise kihiga eraldatud ülijuhist). Selle voolu kriitiline väärtus sõltub välisest magnetväljast. Teiseks, kui kontakti läbiv vool ületab kriitilise ristmikuvoolu, muutub kontakt kõrgsagedusliku elektromagnetkiirguse allikaks. Esimest neist efektidest nimetatakse statsionaarseks Josephsoni efektiks, teist - mittestatsionaarseks. Mõlemat mõju täheldatakse selgelt eksperimentaalselt. Eelkõige täheldati magnetvälja suurenedes maksimaalse ülijuhtiva voolu võnkumisi ristmikul. Kui välise allika määratud vool ületab kriitilist väärtust, ilmub ristmikule pinge V, perioodiliselt sõltuvalt ajast. Pingevõnkumiste sagedus sõltub sellest, kui palju kontakti läbiv vool ületab selle kriitilist väärtust.
Muidugi on võimatu kahte ülijuhti mitme angströmi kaugusele lähemale tuua. Seetõttu pihustati katsetes substraadile õhuke kiht ülijuhtivat materjali, näiteks alumiiniumi, seejärel oksüdeeruti see pinnalt mitme angströmi sügavusele ja peale pihustati veel üks kiht alumiiniumi. Tuletame meelde, et alumiiniumoksiid on dielektrik. Selline "võileib" võrdub kahe ülijuhiga, mis asuvad üksteisest mitme angströmi kaugusel.
Josephsoni efekti põhjustavad ülijuhtivas olekus elektronide vahelised faasisuhted. Eespool öeldi, et ülijuhtiva oleku olemus on Cooperi paaride koherentne liikumine läbi aatomvõre. Cooperi paaride sidususe ülijuhis määrab asjaolu, et elektronide paarid liiguvad "faasis". Kahe erineva ülijuhi Cooperi paarid liiguvad "faasist välja". Seega peab iga marsikompanii sõdur sammu iga teise oma kompanii sõduriga, kuid mitte sammu teise kompanii sõduritega. Kui kaks ülijuhti viia tihedalt kokku, saavad Cooperi paarid tunneldada läbi nendevahelise pilu. Tunneldamise ajal muutub Cooperi paari faas. Kui muutus on selline, et Cooperi paar hakkab teises ülijuhis olevate paaridega sammu pidama, siis on tunneldamine võimalik. See juhtub statsionaarses Josephsoni efektis. Magnetvälja suurus määrab tunnelpaaride poolt omandatud faasinihke.
Mööduv Josephsoni efekt ilmneb siis, kui ristmikku läbiv vool ületab püsiseisundi Josephsoni efekti kriitilise väärtuse. Kahe ülijuhi vahel tekib pinge, mis põhjustab aja jooksul kahe ülijuhi faaside muutumist. See omakorda põhjustab tunneli voolu võnkumist (koos selle suuna muutumisega) vastavalt kahe ülijuhi faaside erinevusele.
RAKENDUSED
Aastatel 1911–1986 uuriti paljusid ülijuhtivaid metalle ja sulameid, kuid kõrgeim mõõdetud üleminekutemperatuur oli 23,2 K. Selle temperatuurini jahutamiseks oli vaja kallist vedelat heeliumi (4 He). Seetõttu on ülijuhtivuse edukaimad rakendused jäänud laborikatsete tasemele, mis ei nõua suuri koguseid vedelat heeliumi.
1986. aasta lõpus avastasid Zürichis IBMi uurimislaboris töötavad K. Müller (Šveits) ja J. Bednorz (Saksamaa), et lantaani, baariumi, vase ja hapniku aatomitest ehitatud keraamilisel juhil on üleminekutemperatuur ülijuhtiv olek võrdub 35 K. Peagi tootsid uurimisrühmad üle maailma keraamilisi materjale üleminekutemperatuuriga 90–100 K, mis on võimelised jääma ülijuhtideks (tüüp 2, cm. kõrgemale) kuni 200 kG magnetväljades.
Keraamilised ülijuhid on suuremahuliste rakenduste jaoks väga paljutõotavad, peamiselt seetõttu, et neid saab suhteliselt odava vedela lämmastikuga jahutatuna uurida ja kasutada.
Laboratoorsed rakendused.
Ülijuhtivuse esimene tööstuslik rakendus oli kõrge kriitilise väljaga ülijuhtivate magnetite loomine. Soodsad ülijuhtivad magnetid võimaldasid 1960. aastate keskpaigaks isegi väikestes laborites saada üle 100 kG magnetvälju. Varem kulus selliste väljade loomiseks tavapäraste elektromagnetitega mähistes elektrivoolu säilitamiseks väga palju elektrit ja nende jahutamiseks tohutul hulgal vett.
Ülijuhtivuse järgmine praktiline rakendus on seotud tundlike elektroonikaseadmete tehnoloogiaga. Josephsoni kontaktiga seadmete eksperimentaalsed näidised suudavad tuvastada pingeid suurusjärgus 10–15 W. Magnetomeetreid, mis on võimelised tuvastama magnetvälju suurusjärgus 10–9 Gaussi, kasutatakse magnetmaterjalide uurimisel, aga ka meditsiinilistes magnetokardiograafides. Ülitundlikke gravitatsioonimuutuste detektoreid saab kasutada erinevates geofüüsika valdkondades.
Ülijuhtivustehnikad ja eriti Josephsoni kontaktid avaldavad metroloogiale üha suuremat mõju. Josephsoni kontaktide abil loodi 1 V standard krüogeense piirkonna jaoks, milles kasutatakse teravaid üleminekuid teatud ainetes, et saada võrdlustemperatuuri (konstantseid) punkte. Uut tehnikat kasutatakse voolu võrdlemisel, raadiosagedusliku võimsuse ja neeldumisteguri mõõtmisel ning sageduse mõõtmisel. Seda kasutatakse ka fundamentaaluuringutes, näiteks aatomiosakeste murdlaengute mõõtmisel ja relatiivsusteooria testimisel.
Ülijuhtivust hakatakse laialdaselt kasutama arvutitehnoloogias. Siin võivad ülijuhtivad elemendid pakkuda väga kiireid lülitusaegu, õhukese kilega elementide kasutamisel tühiseid võimsuskadusid ja suuri mahulisi ahela pakkimistihedusi. Õhukese kilega Josephsoni kontaktide prototüüpe arendatakse ahelates, mis sisaldavad sadu loogika- ja mäluelemente.
Tööstuslikud rakendused.
Ülijuhtivuse kõige huvitavamad potentsiaalsed tööstuslikud rakendused hõlmavad elektrienergia tootmist, edastamist ja kasutamist. Näiteks mõne tollise läbimõõduga ülijuhtiv kaabel suudab kanda sama palju elektrit kui tohutu elektriülekandeliinide võrk, väga väikese või ilma kadudeta. Krüojuhtide isoleerimise ja jahutamise kulud tuleb kompenseerida energiaülekande efektiivsusega. Vedela lämmastikuga jahutatavate keraamiliste ülijuhtide tulekuga muutub ülijuhtide abil jõuülekanne majanduslikult väga atraktiivseks.
Ülijuhtide teine võimalik rakendusala on võimsates voolugeneraatorites ja väikestes elektrimootorites. Ülijuhtivate materjalide mähised võivad generaatorites ja elektrimootorites tekitada tohutuid magnetvälju, muutes need oluliselt võimsamaks kui tavalised masinad. Prototüüpe on juba ammu loodud ja keraamilised ülijuhid võiksid sellised masinad üsna ökonoomseks muuta. Samuti kaalutakse ülijuhtivate magnetite kasutamise võimalusi elektrienergia salvestamiseks, magnetohüdrodünaamikas ja termotuumaenergia tootmiseks.
Insenerid on pikka aega mõelnud, kuidas ülijuhtide tekitatud tohutuid magnetvälju saaks kasutada maglev-rongide (magnetlevitatsiooni) jaoks. Liikuva magneti ja juhtjuhis indutseeritud voolu vastastikuse tõukejõu tõttu liiguks rong sujuvalt, ilma müra ja hõõrdumiseta ning oleks võimeline saavutama väga suuri kiirusi. Jaapani ja Saksamaa eksperimentaalsed maglev-rongid on saavutanud kiiruse 300 km/h lähedal.
Ülijuhtivuse tähtsus tänapäeva maailmas.
Praeguseks on teada üle 500 puhta elemendi ja sulami, millel on ülijuhtivus. Ülijuhtide peamine eelis on elektrikadude radikaalne vähendamine tootmisel ja edastamisel. Selle nähtuse põhjal on võimalik vähendada genereerivate seadmete ja mootorite suurust, luua uusi elektroonikaseadmeid ning välja töötada suure võimsusega elektromagneteid teadusuuringute ja tööstuse jaoks.
Lisaks võimaldab ülijuhtivuse kasutamine elektrijaamades ning energia ülekande- ja jaotussüsteemides vähendada põletatava kütuse hulka ilma elektritootmist vähendamata ning selle tulemusena vähendada kahjulike heitmete protsenti atmosfääri.
Ülijuhtivuse mõiste
Ülijuhtivus- füüsikaline nähtus, mida täheldatakse teatud ainetes (ülijuhtides) nende jahutamisel alla teatud kriitilise temperatuuri, mille füüsikaline tähendus on elektritakistuse nullimine ja magnetvälja tõrjumine proovi mahust (joonis 1) .
Joonis fig 1 Magnetvoog tungib normaalses olekus (a) läbi varda, kuid surutakse ülijuhtivasse olekusse jahutatud vardast välja (b).
§ 2.2 Avastamise ajalugu:
Ülijuhtivuse fenomeni avastamise aluseks oli tehnoloogiate väljatöötamine materjalide jahutamiseks ülimadalatele temperatuuridele. Saanud 1908. aastal vedela heeliumi, hakkas G. Kamerlingh-Onnes Leideni ülikoolist (Holland) mõõtma vedelasse heeliumi sukeldatud puhta elavhõbeda takistust ja avastas (1911), et vedela heeliumi temperatuuril langeb elavhõbeda takistus nullini. Hiljem avastati, et ka paljud teised metallid ja sulamid muutuvad madalatel temperatuuridel ülijuhtivaks.
Järgmise olulise avastuse tegid 1933. aastal saksa füüsik W. Meissner ja tema kaastööline R. Ochsenfeld. Nad avastasid, et kui silindrikujuline proov asetada pikisuunalisse magnetvälja ja jahutada alla üleminekutemperatuuri, ajab see magnetvoo täielikult välja. Meissneri efekt, nagu seda nähtust nimetati, oli oluline avastus, sest tegi füüsikutele selgeks, et ülijuhtivus on kvantmehaaniline nähtus. Kui ülijuhtivus seisneks ainult elektritakistuse kadumises, siis võiks seda seletada klassikalise füüsika seadustega.
§ 2.3 Ülijuhtivuse ja Meiseneri efekti olemus:
Elektrit juhtiv tahke aine on kristallvõre, milles elektronid saavad liikuda. Võre moodustavad geomeetriliselt õiges järjekorras paiknevad aatomid ja liikuvad elektronid on aatomite väliskestade elektronid. Kui juht on normaalses (mitteülijuhtivas) olekus, siis liigub iga elektron teistest sõltumatult. Iga elektroni võimet liikuda ja seetõttu säilitada elektrivoolu piiravad selle kokkupõrked nii võrega kui ka tahke aine lisandite aatomitega. Et juhis eksisteeriks elektronvool, tuleb sellele rakendada pinge; see tähendab, et juhil on elektritakistus. Kui juht on ülijuhtivas olekus, siis elektronid ühinevad ühtsesse makroskoopiliselt järjestatud olekusse, milles nad käituvad “kollektiivina”; Kogu “meeskond” reageerib ka välismõjudele. Elektronide ja võre vahelised kokkupõrked muutuvad võimatuks ning kord genereeritud vool eksisteerib välise vooluallika (pinge) puudumisel. Ülijuhtiv olek tekib järsult temperatuuril, mida nimetatakse üleminekutemperatuuriks. Üle selle temperatuuri on metall või pooljuht normaalses olekus ja selle all - ülijuhtivas olekus. Antud aine üleminekutemperatuuri määrab kahe „vastupidise jõu“ suhe: üks kipub elektrone järjestama ja teine seda järjestust hävitama. Näiteks metallide, nagu vask, kuld ja hõbe, järjestamise tendents on nii väike, et need elemendid ei muutu ülijuhtideks isegi siis, kui temperatuur on vaid mõni miljondik kelvinit üle absoluutse nulli. Teiste metallide ja sulamite üleminekutemperatuurid jäävad vahemikku 0,000325 kuni 23,2 K.
Meiseneri efekt(magnetvälja väljasurumine) on tingitud asjaolust, et kõik füüsilised süsteemid kalduvad minimaalse energiaga olekusse. Magnetväljal on teatud energia. Ülijuhi energia suureneb magnetväljas. Kuid see väheneb taas tänu sellele, et ülijuhi pinnakihis tekivad voolud. Need voolud loovad magnetvälja, mis kompenseerib väljastpoolt rakendatud välja. Ülijuhi energia on suurem kui välise magnetvälja puudumisel, kuid väiksem kui siis, kui väli tungib selle sisse.
§ 2.4 Teoreetiline põhjendus:
Esimene teooria, mis väitis andvat ülijuhtivuse põhjuste mikroskoopilise seletuse, oli Bardeen-Cooper-Schriefferi teooria, mille nad lõid eelmise sajandi 50ndatel. See teooria sai universaalse tunnustuse BCS nime all ja pälvis 1972. aastal Nobeli preemia. Oma teooria loomisel toetusid autorid isotoobiefektile ehk isotoobi massi mõjule ülijuhi kriitilisele temperatuurile. Usuti, et selle olemasolu viitab otseselt ülijuhtiva oleku tekkele fononmehhanismi töö tõttu.
1911. aastal avastas Hollandi füüsik H. Kamerlingh-Onnes ülijuhtivuse fenomeni. Ta mõõtis elavhõbeda elektritakistust madalatel temperatuuridel. Onnes soovis välja selgitada, kui madalaks võib muutuda aine takistus elektrivoolule, kui ainet võimalikult palju lisanditest puhastada ja “soojusmüra” võimalikult palju vähendada, s.o. vähendada temperatuuri.
Selle uuringu tulemus oli ootamatu: temperatuuril alla 4,15 K kadus takistus peaaegu kohe. Selle takistuse käitumise graafik temperatuuri funktsioonina on näidatud joonisel fig. 1.
Elektrivool on laetud osakeste liikumine. Juba tol ajal teati, et elektrivool tahkistes on elektronide voog. Need on negatiivselt laetud ja palju kergemad kui mis tahes ainet moodustavad aatomid.
Iga aatom koosneb omakorda positiivselt laetud tuumast ja elektronidest, mis interakteeruvad sellega ja üksteisega vastavalt Coulombi seadusele. Iga aatomi elektron hõivab kindla "orbiidi". Mida lähemal on "orbiit" tuumale, seda tugevamini elektron selle poole tõmbab, seda rohkem on vaja energiat sellise elektroni tuumast eemalerebimiseks. Vastupidi, tuumast kõige kaugemal asuvad elektronid eralduvad sellest kõige kergemini, kuigi ka see nõuab energiat.
Väliseid elektrone nimetatakse valentselektronideks. Ainetes, mida nimetatakse metallideks, eralduvad nad tegelikult aatomitest, kui nad ühinevad, moodustades tahke aine ja moodustades peaaegu vabadest elektronidest koosneva gaasi. See on lihtne, ilus ja sageli õige füüsiline pilt: ainetükk on nagu anum, milles on elektronide “gaas” (joonis 2).
Kui tekitame elektrivälja - rakendame uuritavale ainetükile pinge, tekib elektrongaasi tuul, justkui rõhuerinevuse mõjul. See tuul on elektrivool.
Metallid
Kõik ained ei juhi hästi elektrit. Dielektrikutes jäävad valentselektronid oma aatomitega "seotuks" ja neid pole nii lihtne panna läbi kogu proovi liikuma.
On üsna raske seletada, miks mõned ained osutuvad metallideks, teised aga dielektrikuteks. See sõltub sellest, millistest aatomitest need koosnevad ja kuidas need aatomid on paigutatud. Mõnikord on transformatsioonid võimalikud, kui aatomite paigutus muutub, näiteks rõhu mõjul aatomid lähenevad üksteisele ja dielektrik muutub metalliks.
Dielektrikuid ei läbi vool, kuid ka elektronid ei liigu metallides täiesti vabalt. Nad puutuvad kokku aatomi "südamikutega", millest nad "eraldusid" ja on nende peale laiali. Sel juhul tekib hõõrdumine või, nagu öeldakse, elektrivool kogeb takistust.
Ülijuhtivuse korral takistus kaob ja muutub võrdseks nulliga, s.t. elektronide liikumine toimub hõõrdumiseta. Vahepeal näitab meie igapäevaelu kogemus, et selline liikumine on võimatu.
Füüsikute aastakümnetepikkune töö on olnud suunatud selle vastuolu lahendamisele.
Avastatud omadus on nii ebatavaline, et nimetatakse metalle, millel on vastupidavus, mitte ülijuhtidel normaalne.
Vastupidavus
Metallitüki (näiteks traadi) elektritakistust mõõdetakse oomides ning selle määrab proovi suurus ja materjal. Valemis
R = ρ × l / S
R- vastupanu, l— pikkus (proovi suurus voolu liikumise suunas), S— proovi ristlõige. Olles kirjutanud sellise valemi, näib, et jätkame elektronide võrdlemist gaasiga: mida laiem ja lühem toru, seda lihtsam on sellest gaasi läbi puhuda.
Väärtus ρ — eritakistus, mis iseloomustab materjali omadusi, millest proov on valmistatud.
Puhta vase puhul toatemperatuuril ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.
Vask on üks kõige juhtivamaid metalle ja seda kasutatakse laialdaselt elektrijuhtmete valmistamiseks. Mõned teised metallid juhivad toatemperatuuril elektrit halvemini:
Võrdluseks toome mõnede dielektrikute eritakistused ka toatemperatuuril:
Kui temperatuur langeb T Vase eritakistus järk-järgult väheneb ja mitme kelvini temperatuuril on 10 -9 Ohm cm, kuid vask ei muutu ülijuhiks. Ja alumiinium, plii, elavhõbe lähevad ülijuhtivasse olekusse ja nendega tehtud katsed näitavad, et ülijuhi eritakistus ei ületa igal juhul 10–23 Ohm cm – sada triljonit korda vähem kui vasel!
Jääktakistus
Metalli eritakistus sõltub temperatuurist. Tingimuslik graafik ρ( T), ütleme vase puhul, näete joonisel fig. 3. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on takistus, seda rohkem vibreerivad metalli moodustavad aatomi "südamikud" ja seda rohkem häirivad need elektrivoolu. Kui, vastupidi, viime temperatuuri absoluutsele nullile lähemale, kipub proovi takistus ρ 0 -ni - jääktakistus. Jääktakistus sõltub proovi täiuslikkusest ja koostisest. Igas aines on võõrlisandi aatomeid, aga ka igasuguseid muid defekte. Mida vähem on proovis defekte, seda väiksem on jääktakistus. Just see sõltuvus huvitas Onnest 1911. aastal. Ta ei otsinud üldse “ülijuhtivust”, vaid püüdis välja selgitada, kui väikeseks saab jääktakistust proovi puhastamisega muuta. Ta tegi katseid elavhõbedaga, kuna sel ajal sai elavhõbedat viia kõrgema puhtusastmeni kui plaatina, kulda või vaske (need metallid on elavhõbedast paremad juhid ja Onnes uuris neid enne ülijuhtivuse avastamist. Ei kulda ega plaatinat ega vask on ülijuhtiv).
Kriitiline temperatuur
Ülijuhtivus tekib järsult, kui temperatuur langeb. Temperatuur T c, mille saavutamisel toimub hüpe, nimetatakse kriitiliseks. Hoolikas uuring näitab, et sellist üleminekut täheldatakse teatud temperatuurivahemikus (joonis 4). Liikuvate elektronide hõõrdumine kaob sõltumata proovi “puhtusest”, kuid mida “puhtam” on proov, seda teravam on selle takistuse hüpe “puhtamates” proovides alla sajandikkraadi. Sel juhul räägitakse "headest" näidistest või ülijuhtidest; “halbades” proovides võib ülemineku laius ulatuda kümnetesse kraadidesse. (See kehtib loomulikult nn kõrge temperatuuriga ülijuhtide kohta, milles T c ulatub sadade kelviniteni.)
Kriitiline temperatuur on iga aine puhul erinev. See temperatuur ja ülijuhtivuse avastamise aasta (täpsemalt seda käsitleva artikli avaldamise aasta) on näidatud joonisel fig. 5 mõne puhta elemendi jaoks. Nioobiumil on kõrgeim (atmosfäärirõhul) kriitiline temperatuur kõigist D.I. perioodilises süsteemis sisalduvatest elementidest, kuigi see ei ületa 10 K.
Onnes ei avastanud mitte ainult elavhõbeda, tina ja plii ülijuhtivust, vaid leidis ka esimesed ülijuhtivad sulamid – elavhõbeda sulamid kulla ja tinaga. Sellest ajast alates on see töö jätkunud, ülijuhtivust on testitud üha uute ühendite suhtes ning ülijuhtide klass on tasapisi laienenud.
Madalad temperatuurid
Ülijuhtivuse uurimine edenes väga aeglaselt. Nähtuse jälgimiseks oli vaja metallid jahutada madalale temperatuurile ja see polegi nii lihtne. Proovi tuleb pidevalt jahutada, selleks asetatakse see jahutusvedelikku. Kõik meile igapäevasest kogemusest tuntud vedelikud külmuvad ja kivistuvad madalatel temperatuuridel. Seetõttu tuleb gaasilised ained toatingimustes veeldada. Joonisel fig. Näidatud on 6 keemistemperatuuri T b ja sulamine T m viis ainet (atmosfäärirõhul).
Kui alandate temperatuuri allapoole T b, aine vedeldub ja allpool T m see kõveneb. (Atmosfäärirõhul jääb heelium vedelaks kuni absoluutse nulltemperatuurini.) Seega võib meie eesmärkidel kasutada kõiki neid aineid vahemikus T b ja T m. Kuni 1986. aastani ületas ülijuhtivuse maksimaalne teadaolev kriitiline temperatuur vaevu 20 K, nii et ülijuhtivust uurides ei saanud ilma vedela heeliumita hakkama. Lämmastikku kasutatakse laialdaselt ka jahutusvedelikuna. Järjestikustes jahutusetappides kasutatakse lämmastikku ja heeliumi. Mõlemad ained on neutraalsed ja ohutud.
Heeliumi veeldamine on iseenesest väga huvitav ja põnev probleem, mille lahendamisega tegelesid 19. ja 20. sajandi vahetusel paljud füüsikud. Onnes saavutas eesmärgi 1908. aastal. Spetsiaalselt selleks lõi ta labori Leidenis (Holland). 15 aastat oli laboril monopol ainulaadsete uuringute läbiviimiseks uues temperatuurivahemikus. Aastatel 1923-1925 Nad õppisid vedelat heeliumi tootma veel kahes maailma laboris – Torontos ja Berliinis. Nõukogude Liidus ilmusid sellised seadmed 1930. aastate alguses. Harkovi Füüsika ja Tehnoloogia Instituudis.
Pärast Teist maailmasõda arenes paljudes riikides järk-järgult välja terve tööstus, et varustada laboreid vedela heeliumiga. Enne seda oli kõik "iseteenindus". Tehnilised raskused ja nähtuse füüsiline keerukus tähendasid, et teadmised ülijuhtivuse kohta kogunesid väga aeglaselt. Vaid 22 aastat pärast esimest avastust avastati ülijuhtide teine põhiomadus.
Meissneri efekt
Selle tähelepanekust teatasid Saksa füüsikud W. Meissner ja R. Ochsenfeld 1933. aastal.
Seni oleme elektritakistuse kadumist nimetanud ülijuhtivuseks. Ülijuhtivus on aga keerulisem kui lihtsalt takistuse puudumine. See on ka teatud reaktsioon välisele magnetväljale. Meissneri efekt on siis, kui ülijuhtivast proovist surutakse välja konstantne, mitte liiga tugev magnetväli. Ülijuhi paksuses on magnetväli nõrgenenud nullini ja magnetismi võib nimetada justkui vastandlikeks omadusteks.
Uute ülijuhtide otsimisel testitakse ülijuhtivuse mõlemat peamist omadust:
- ülijuhis elektritakistus kaob;
- Ülijuhist surutakse välja magnetväli.
Mõnel juhul võib "määrdunud" ülijuhtide korral takistuse langus temperatuuri mõjul olla palju pikem, kui on näidatud joonisel fig. 1 elavhõbeda jaoks. Teadusajaloos on korduvalt juhtunud, et füüsikud pidasid ülijuhtivuseks mingil muul põhjusel, näiteks tavalisest lühisest tingitud, takistuse langust.
Ülijuhtivuse olemasolu tõestamiseks on vaja jälgida vähemalt selle mõlema peamise omaduse ilminguid. Väga muljetavaldav eksperiment, mis näitab Meissneri efekti olemasolu, on esitatud joonisel fig. 7: Ülijuhtiva tassi kohal hõljub püsimagnet. Esimest korda viis sellise katse läbi Nõukogude füüsik V. K. Arkadjev 1945. aastal.
Ülijuhis tekivad magnetvälja suruvad voolud, nende magnetväli tõrjub püsimagneti ja kompenseerib selle kaalu. Olulised on ka tassi seinad, mis lükkavad magneti keskkoha poole. Lameda põhja kohal on magneti asend ebastabiilne. See ujuv magnet meenutab legende levitatsioonist. Kõige kuulsam legend räägib usuprohveti hauast. Koopasse asetatud kirst hõljus seal õhus ilma nähtava toeta. Nüüd on võimatu kindlalt öelda, kas sellised lood põhinevad mõnel reaalsel nähtusel. Nüüd on tehniliselt võimalik "legend teoks teha", kasutades Meissneri efekti.
Magnetväli
Kaasaegne füüsika kasutab välja mõistet, et kirjeldada ühe keha mõju teisele kauguselt, ilma otsese kokkupuuteta. Seega interakteeruvad laengud ja voolud läbi elektromagnetvälja. Kõik, kes on uurinud elektromagnetvälja seaduspärasusi, teavad välja visuaalset pilti – pilti selle jõujoontest. Seda pilti kasutas esmakordselt inglise füüsik M. Faraday. Selguse huvides on kasulik meelde tuletada veel üks pilt väljast, mida kasutas teine inglise füüsik – J. C. Maxwell.
Kujutage ette, et väli on liikuv vedelik, näiteks vesi, mis voolab mööda väljajooni. Proovime selle abil kirjeldada laengute vastasmõju Coulombi seaduse järgi. Olgu siin bassein, lihtsuse huvides tasane ja madal, selle pealtvaade on näidatud joonisel fig. 8. Põhjas on kaks auku: läbi ühe siseneb vesi basseini (see on nagu positiivne laeng) ja teisest voolab see välja (see on äravool ehk negatiivne laeng). Sellises basseinis voolav vesi kujutab endast kahe statsionaarse laengu elektrivälja. Vesi on läbipaistev ja selle vool on meile märkamatu. Kuid tutvustame joadesse "testi positiivset laengut" - pall nööril. Kohe tunneme jõudu – vedelik kannab palli endaga kaasas.
Vesi kannab palli allikast eemale – nagu laengud tõrjuvad. Pall tõmmatakse äravoolu või erineva märgiga laengu külge ja laengute vaheline jõud sõltub nendevahelisest kaugusest, nagu nõuab Coulombi seadus.
Voolud ja väljad ülijuhtides
Ülijuhtide voolude ja väljade käitumise mõistmiseks peate meeles pidama magnetinduktsiooni seadust. Nüüd on meie jaoks kasulikum anda sellele üldisem sõnastus kui koolifüüsika kursusel. Magnetinduktsiooni seadus räägib tegelikult elektri- ja magnetvälja suhetest. Kui kujutada elektromagnetvälja vedelikuna, siis välja elektrilise ja magnetilise komponendi vahelist suhet saab kujutada rahuliku (laminaarse) ja keerise vedeliku voolu seosena. Igaüks neist võib eksisteerida omaette. Olgu meie ees näiteks rahulik lai vool – ühtlane elektriväli. Kui proovite seda välja muuta, s.t. Justkui vedeliku aeglustamiseks või kiirendamiseks tekivad kindlasti keerised - magnetväli. Magnetvälja muutus viib alati elektrivälja ilmnemiseni ja elektriväli indutseerib juhtivas ahelas voolu, see on tavaline magnetinduktsiooni nähtus: magnetvälja muutus kutsub esile voolu. Just see füüsikaseadus toimib kõigis maailma elektrijaamades, põhjustades ühel või teisel viisil muutusi juhi magnetväljas. Tekkiv elektriväli tekitab voolu, mis voolab meie kodudesse ja tööstusettevõtetesse.
Aga tuleme tagasi ülijuhtide juurde. Ülijuhi alalisvool ei nõua elektrivälja olemasolu ja tasakaaluolukorras on ülijuhi elektriväli null. Selline väli kiirendaks elektrone, kuid puudub takistus ega hõõrdumine, mis ülijuhtides kiirendust tasakaalustaks. Suvaliselt väike konstantne elektriväli tooks kaasa voolu lõputu suurenemise, mis on võimatu. Elektriväli tekib ainult ahela mitteülijuhtivates osades. Ülijuhtides liigub vool ilma pingelanguseta.
Vaimne arutluskäik ei paljasta midagi, mis võiks takistada ülijuhis magnetvälja olemasolu. Siiski on selge, et ülijuht takistab magnetvälja muutumist. Tõepoolest, magnetvälja muutus tekitaks voolu, mis tekitaks magnetvälja, mis kompenseeriks esialgse muutuse.
Seega peab iga ülijuhtahel säilitama seda läbivat magnetvälja. (Aasa läbiv magnetvoog on lihtsalt magnetvälja tugevuse ja ahela pindala korrutis.)
Sama peaks juhtuma ülijuhi paksusega. Näiteks kui toome magneti ülijuhtivale proovile lähedale, ei saa selle magnetväli ülijuhti läbida. Iga selline "katse" viib ülijuhis voolu tekkeni, mille magnetväli kompenseerib välist välja. Selle tulemusena puudub ülijuhi paksuses magnetväli ja piki pinda liigub täpselt selleks vajalik vool. Tavalise juhi paksuses, mis viiakse magnetvälja, toimub kõik täpselt samamoodi, kuid seal on takistus ja indutseeritud vool laguneb üsna kiiresti ning selle energia muutub hõõrdumise tõttu soojuseks. (Seda soojust on katseliselt väga lihtne tuvastada: vii käsi töötava trafo lähedale ja tunned sellest eralduvat soojust.) Ülijuhis takistust pole, vool ei sure välja ega “lase” magnetväli mis tahes aja jooksul. Kirjeldatud pilt on täpne ja kogemustega korduvalt kinnitust leidnud.
Nüüd teeme veel ühe vaimse eksperimendi. “Võtame” sama tüki ülijuhtivat ainet, kuid piisavalt kõrgel temperatuuril, kui see on veel normaalses olekus. Toome selle magnetvälja ja ootame, kuni kõik rahuneb, voolud surevad välja – ainet läbib magnetvoog. Alandame temperatuuri, oodates, kuni aine läheb ülijuhtivasse olekusse. Tundub, et temperatuuri alandamine ei tohiks mõjutada magnetvälja mustrit. Ülijuhi magnetvoog ei tohiks muutuda. Kui eemaldate magneti - välise magnetvälja allika, siis peaks ülijuht sellele vastu pidama ja pinnale peaksid ilmuma ülijuhtivad voolud, säilitades aine sees magnetvälja.
See käitumine on aga täiesti vastuolus eksperimentaalselt täheldatuga: Meissneri efekt ilmneb ka sel juhul. Kui jahutada tavalist metalli magnetväljas, siis ülijuhtivasse olekusse üleminekul surutakse magnetväli ülijuhist välja. Samal ajal ilmub selle pinnale pidev vool, mis tagab ülijuhi paksuses nulli magnetvälja. Kirjeldatud pilti ülijuhtivast olekust jälgitakse alati – olenemata sellest, kuidas sellesse olekusse üleminek toimub.
Muidugi on see kirjeldus äärmiselt idealiseeritud ja me muudame selle esitluse edenedes keerulisemaks. Kuid nüüd tasub mainida, et on kahte tüüpi ülijuhte, mis reageerivad magnetväljale erinevalt. Hakkasime rääkima I tüüpi ülijuhtide omadustest, mille avastamisest sai alguse ülijuhtivus. Hiljem avastati veidi erinevate omadustega II tüüpi ülijuhid. Neid seostatakse peamiselt ülijuhtivuse praktiliste rakendustega.
Ideaalne diamagnetism
Magnetvälja väljatõrjumine on füüsikule sama üllatav kui takistuse puudumine. Fakt on see, et pidev magnetväli tungib tavaliselt kõikjale. Seda ei sega elektrivälja varjestav maandatud metall. Enamikul juhtudel ei ole keha piiriks magnetvälja jaoks sein, mis piirab selle "voolu", vaid pigem väike samm basseini põhjas, mis muudab sügavust ja avaldab sellele "voolule" veidi mõju. Magnetvälja tugevus aines muutub sajandik- või tuhandikprotsenti võrreldes selle tugevusega väljaspool (erandiks on magnetilised ained nagu raud ja muud ferromagnetid, kus välisele lisandub suur sisemine magnetväli). Kõigis teistes ainetes on magnetväli kas veidi tugevdatud – ja selliseid aineid nimetatakse paramagnetilisteks või nõrgenenud – selliseid aineid nimetatakse diamagnetilisteks.
Ülijuhtides on magnetväli nõrgenenud nullini, nad on ideaalsed diamagnetilised materjalid.
Ainult pidevalt hoitud voolude ekraan ei suuda magnetvälja "läbi lasta". Ülijuht ise loob oma pinnale sellise ekraani ja hoiab seda nii kaua kui soovitakse. Seetõttu pole Meissneri efekt ehk ülijuhi ideaalne diamagnetism vähem üllatav kui selle ideaalne juhtivus.
Joonisel fig. Joonis 9 näitab umbkaudu, mis juhtub metallkuuliga, kui temperatuur muutub T ja magnetvälja rakendamine H(magnetvälja jooned on näidatud proovi läbistavate või selle ümber voolavate nooltega). Tavalises olekus metall on tähistatud sinisega, kui metall läheb ülijuhtivasse olekusse, muutub värv roheliseks. Võrdluseks joonisel fig. 9, V näitab, kuidas käituks ideaalne juht (tähistatakse tähtedega IC) - metall ilma Meissneri efektita nulltakistusega (kui see oleks olemas). See tingimus on tähistatud punasega.
Riis. 9. Meissneri efekt:
A- tavaline juht, mille takistus ei ole mis tahes temperatuuril (1) nullist erinev, viiakse magnetvälja. Vastavalt elektromagnetilise induktsiooni seadusele tekivad voolud, mis takistavad magnetvälja tungimist metalli (2). Kui aga takistus on nullist erinev, lagunevad need kiiresti. Magnetväli tungib läbi tavalise metalli proovi ja on peaaegu ühtlane (3);
b- normaalsest olekust kõrgemal temperatuuril T c on kaks võimalust: Esiteks: kui temperatuur langeb, läheb proov ülijuhtivasse olekusse, siis saab rakendada magnetvälja, mis surutakse proovist välja. Teiseks: esmalt rakendage proovi läbistavat magnetvälja ja seejärel alandage temperatuuri, siis surutakse väli ülemineku ajal välja. Magnetvälja väljalülitamine annab sama pildi;
V- kui Meissneri efekti poleks, käituks takistuseta juht teisiti. Magnetväljas takistuseta olekusse üleminekul säilitaks see magnetvälja ja säilitaks selle ka välise magnetvälja eemaldamisel. Sellist magnetit oleks võimalik demagnetiseerida ainult temperatuuri tõstes. Seda käitumist ei ole aga eksperimentaalselt täheldatud.
Natuke ajalugu
Järgmises peatükis räägime lähemalt ülijuhtide hämmastavatest omadustest ning selle peatüki lõpetuseks loetleme üles olulisemad tööd, mida füüsikud ülijuhtivuse uurimisel on teinud.
Esiteks on need juba mainitud H. Kamerlingh Onnesi (1911) ning W. Meissneri ja R. Ochsenfeldi (1933) avastused. Esimese teoreetilise seletuse ülijuhi käitumise kohta magnetväljas pakkusid välja Inglismaal (1935) Saksamaalt emigreerunud saksa füüsikud F. London ja G. London. 1950. aastal kirjutasid L. D. Landau ja üks selle raamatu autoritest artikli, milles nad koostasid üldisema ülijuhtivuse teooria. See kirjeldus osutus mugavaks ja seda kasutatakse tänapäevalgi, seda nimetatakse Ginzburg-Landau teooriaks või ülijuhtivuse ψ teooriaks.
Nähtuse mehhanismi avastasid 1957. aastal Ameerika füüsikud J. Bardeen, L. Cooper ja J. Schrieffer. Nende nimede suurtähtede põhjal nimetatakse seda teooriat BCS-teooriaks ja mehhanismi ennast (selle jaoks on elektronide paariskäitumine hädavajalik) nimetatakse sageli "Cooperi paaristamiseks", kuna selle idee mõtles välja L. Cooper. Ülijuhtivusfüüsika arendamisel mängis olulist rolli kahte tüüpi ülijuhtide – I ja II tüüpi – olemasolu kindlakstegemine. Elavhõbe ja mitmed teised ülijuhid on I tüüpi ülijuhid. II tüüpi ülijuhid on enamasti kahe või enama elemendi sulamid. II tüüpi ülijuhtivuse avastamisel mängis suurt rolli L. V. Šubnikovi ja tema kolleegide töö Harkovis 1930. aastatel. ja A. A. Abrikosov 1950. aastatel.
Lisaks avaldasid suurt mõju 1950. aastate avastused ja uuringud. suhteliselt kõrge kriitilise temperatuuriga ühendid, mis on võimelised taluma väga kõrgeid magnetvälju ja läbima ülijuhtivas olekus suure tihedusega voolusid. Võib-olla olid nende uuringute kulminatsiooniks J. Künzleri ja tema kolleegide katsed (1960). Nad näitasid, et Nb 3 Sn traat at T= 4,2 K 88 000 Oe väljas (nende käsutuses lihtsalt polnud tugevamat välja) läbib voolu tihedusega 100 tuhat A/cm 2 . Tollal avastatud ülijuhid töötavad tehnilistes seadmetes siiani. Sellised materjalid on nüüd klassifitseeritud ülijuhtide eriklassi, mida nimetatakse kõvadeks ülijuhtideks.
Inglise füüsik B. Josephson ennustas 1962. aastal teoreetiliselt täiesti ebatavalisi nähtusi, mis peaksid toimuma ülijuhtide kontaktidel. Need ennustused said seejärel täielikult kinnitust ja nähtusi endid nimetati nõrgaks ülijuhtivuseks või Josephsoni efektiks ning need leidsid kiiresti praktilise rakenduse.
Lõpuks tähistas Zürichis töötavate füüsikute, šveitslase A. Mülleri ja sakslase G. Bednorzi artikkel (1986) uue ülijuhtivate ainete klassi – kõrgtemperatuursete ülijuhtide – avastamist ja tõi kaasa uute uuringute laviini. selles piirkonnas.
Kelvini skaala kraadid on tavaliselt tähistatud suure tähega K, need on võrdsed tavaliste Celsiuse kraadidega, kuid arvestatakse absoluutsest nulltemperatuurist. Celsiuse skaalal on absoluutse nulli temperatuur -273,16 °C, seega on mainitud temperatuur 4,15 K võrdne -269,01 °C-ga. Järgnevalt püüame esitada ümardatud väärtused.
Pilt elektritakistuse tekkimisest on muidugi keerulisem ja seda vaatame lähemalt hiljem.
Destilleerimismeetod, mis sarnaneb vee destilleerimise protsessiga.
(77 K), palju odavam krüogeenne vedelik.
Entsüklopeediline YouTube
1 / 5
✪ Tund 296. Metallide vastupidavuse sõltuvus temperatuurist. Ülijuhtivus
✪ Ülijuhtivus. Elektrivool erinevates keskkondades. Õppefilm
✪ SUPERDIREKT JA KVANTLEVITATSIOON!
✪ Ülijuhtivus (jutustas füüsik Boris Fain)
✪ Erinevate ainete elektrijuhtivus | Füüsika hinne 10 #57 | Infotund
Subtiitrid
Avastamise ajalugu
Ülijuhtivuse fenomeni avastamise aluseks oli tehnoloogiate väljatöötamine materjalide jahutamiseks ülimadalatele temperatuuridele. 1877. aastal jahutasid prantsuse insener Louis Cayette ja Šveitsi füüsik Raoul Pictet iseseisvalt hapniku vedelasse olekusse. 1883. aastal viisid Zygmunt Wróblewski ja Karol Olszewski läbi lämmastiku veeldamise. 1898. aastal õnnestus James Dewaril saada vedel vesinik.
1893. aastal hakkas Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes uurima ülimadalate temperatuuride probleemi. Tal õnnestus luua maailma parim krüogeenne labor, milles ta sai 10. juulil 1908 vedelat heeliumi. Hiljem õnnestus tal viia selle temperatuur 1 Kelvinini. Kamerlingh Onnes kasutas vedelat heeliumi metallide omaduste uurimiseks, eelkõige selleks, et mõõta nende elektritakistuse sõltuvust temperatuurist. Tollal eksisteerinud klassikaliste teooriate järgi peaks takistus temperatuuri langedes sujuvalt langema, kuid oli ka arvamus, et liiga madalatel temperatuuridel elektronid praktiliselt seiskuvad ja metall voolu juhtiva täielikult. Kamerlingh Onnesi koos abilistega Cornelis Dorsmani ja Gilles Holstiga tehtud katsed kinnitasid algselt järeldust takistuse sujuvast vähenemisest. 8. aprillil 1911 avastas ta aga ootamatult, et 3 Kelvini (umbes −270 °C) juures oli elektritakistus praktiliselt null. Järgmine katse, mis viidi läbi 11. mail, näitas, et takistuse järsk langus nullile toimub temperatuuril umbes 4,2 K (hiljem näitasid täpsemad mõõtmised, et see temperatuur on 4,15 K). See mõju oli täiesti ootamatu ja seda ei saanud seletada tollal eksisteerinud teooriatega.
Nulltakistus ei ole ülijuhtide ainus eristav tunnus. Üks peamisi erinevusi ülijuhtide ja ideaaljuhtide vahel on Meissneri efekt, mille avastasid Walter Meissner ja Robert Oxenfeld 1933. aastal.
Hiljem avastati, et ülijuhid jagunevad kahte suurde perekonda: I tüüpi ülijuhid (mis sisaldab eelkõige elavhõbedat) ja II tüüpi ülijuhid (mis on tavaliselt erinevate metallide sulamid). II tüüpi ülijuhtivuse avastamisel mängis olulist rolli L. V. Shubnikovi töö 1930. aastatel ja A. A. Abrikosov.
Suur tähtsus praktiliste rakenduste jaoks suure võimsusega elektromagnetites oli ülijuhtide avastamine 1950. aastatel, mis on võimelised taluma tugevaid magnetvälju ja edastama suurt voolutihedust. Nii avastati 1960. aastal J. Künzleri eestvedamisel Nb 3 Sn materjal, millest traat on võimeline läbima voolu tihedusega kuni 100 kA/cm² temperatuuril 4,2 K, olles magnetväli 8,8 T.
2015. aastal püstitati ülijuhtivuse saavutamise temperatuuri uus rekord. H 2 S (vesiniksulfiid) puhul rõhul 100 GPa registreeriti ülijuhtiv üleminek temperatuuril 203 K (-70 ° C).
Klassifikatsioon
Ülijuhtide klassifitseerimisel on mitu kriteeriumi. Siin on peamised:
Ülijuhtide omadused
Elektritakistus null
Alalisvoolu korral on ülijuhi elektritakistus null. Seda demonstreeriti katses, kus suletud ülijuhis indutseeriti elektrivool, mis voolas selles sumbumata 2,5 aastat (katse katkestas krüogeenseid vedelikke tarnivate töötajate streik).
Ülijuhid kõrgsagedusväljas
Rangelt võttes kehtib väide, et ülijuhtide takistus on null, ainult alalisvoolu puhul. Vahelduvas elektriväljas on ülijuhi takistus nullist erinev ja suureneb välja sageduse suurenedes. Ülijuhi kahe vedeliku mudeli keeles on see efekt seletatav tavaliste elektronide olemasoluga koos elektronide ülijuhtiva fraktsiooniga, kuid nende arv on väike. Ülijuhi paigutamisel konstantsesse välja muutub see ülijuhi sees olev väli nulliks, kuna vastasel juhul kiirendaksid ülijuhtivad elektronid lõpmatuseni, mis on võimatu. Vahelduvvälja puhul on ülijuhi sees olev väli aga nullist erinev ja kiirendab ka normaalseid elektrone, millega on seotud nii lõplik elektritakistus kui ka Joule’i soojuskaod. See efekt on eriti väljendunud selliste valguse sageduste puhul, mille jaoks on kvantenergia h ν (\displaystyle h\nu ) piisav ülijuhtiva elektroni ülekandmiseks normaalsete elektronide rühma. See sagedus asub tavaliselt infrapuna piirkonnas (umbes 10 11 Hz), seetõttu ei erine ülijuhid nähtavas piirkonnas praktiliselt tavalistest metallidest.
Faasi üleminek ülijuhtivasse olekusse
Puhaste proovide ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuurivahemik ei ületa tuhandeid kelvineid ja seetõttu on teatud väärtus mõistlik T s- ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuur. Seda kogust nimetatakse kriitiline üleminekutemperatuur. Üleminekuintervalli laius sõltub metalli heterogeensusest, eelkõige lisandite olemasolust ja sisepingetest. Praegused teadaolevad temperatuurid T s varieeruvad vahemikus 0,0005 K magneesiumi (Mg) puhul 23,2 K-ni nioobiumi ja germaaniumi intermetallilise ühendi puhul (Nb 3 Ge, filmis) ja 39 K magneesiumdiboriidi (2) puhul madala temperatuuriga ülijuhtide puhul ( T s alla 77 K, vedela lämmastiku keemistemperatuur) kuni umbes 135 K elavhõbedat sisaldavate kõrge temperatuuriga ülijuhtide puhul.
Praegu on HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) faasis suurim teadaolev kriitilise temperatuuri väärtus - 135 K ja välisrõhul 350 tuhat atmosfääri tõuseb üleminekutemperatuur 164 K-ni, mis on vaid 19 K madalam kui looduslikes tingimustes registreeritud miinimumtemperatuur Maa pinnal. Seega on ülijuhid oma arengus läinud metallilisest elavhõbedast (4,15 K) elavhõbedat sisaldavate kõrgtemperatuursete ülijuhtideni (164 K). 2000. aastal näidati, et ülalmainitud elavhõbedakeraamika kerge fluorimine võimaldab tõsta kriitilist temperatuuri normaalrõhul 138 K-ni.
Aine üleminekuga ülijuhtivasse olekusse kaasneb selle soojusomaduste muutumine. See muutus sõltub aga kõnealuste ülijuhtide tüübist. Seega I tüüpi ülijuhtide puhul magnetvälja puudumisel üleminekutemperatuuril T cüleminekusoojus (neeldumine või vabanemine) läheb nulli ja seetõttu hüppab soojusmahtuvus, mis on iseloomulik ΙΙ tüüpi faasisiiretele. Ülijuhi elektroonilise alamsüsteemi soojusmahtuvuse selline sõltuvus temperatuurist näitab energiavahe olemasolu elektronide jaotuses ülijuhi põhiseisundi ja elementaarergastuste taseme vahel. Kui üleminek ülijuhtivast olekust normaalolekusse toimub rakendatud magnetvälja muutmise teel, siis peab soojus neelduma (näiteks kui proov on soojusisoleeritud, siis selle temperatuur langeb). Ja see vastab 1. järku faasiüleminekule. II tüüpi ülijuhtide puhul on mis tahes tingimustes üleminek ülijuhtivusest normaalolekusse II tüüpi faasiüleminek.
Meissneri efekt
Nullelektritakistusest veelgi olulisem ülijuhi omadus on nn Meissneri efekt, mis seisneb konstantse magnetvälja nihkumises ülijuhist. Sellest eksperimentaalsest vaatlusest järeldatakse, et ülijuhi sees on püsivad voolud, mis loovad sisemise magnetvälja, mis on vastupidine välisele rakendatud magnetväljale ja kompenseerib seda.
Isotoopne efekt
Isotoopne efektülijuhtide jaoks on see temperatuur T s on pöördvõrdelised sama ülijuhtiva elemendi isotoopide aatommasside ruutjuurtega. Selle tulemusena erinevad monoisotooppreparaadid kriitiliste temperatuuride poolest mõnevõrra looduslikust segust ja üksteisest.
Londoni hetk
Pöörlev ülijuht tekitab täpselt pöörlemisteljega joondatud magnetvälja, tekkivat magnetmomenti nimetatakse "Londoni momendiks". Seda kasutati eelkõige teadussatelliidis Gravity Probe B, kus mõõdeti nelja ülijuhtiva güroskoopi magnetvälju, et määrata nende pöörlemistelge. Kuna güroskoopide rootorid olid peaaegu täiesti siledad kerad, oli Londoni momendi kasutamine üks väheseid võimalusi nende pöörlemistelje määramiseks.
Londoni gravitomagnetiline moment
Ülijuhi pöörlev ja samal ajal kiirenev, st pöörete sagedust suurendav rõngas tekitab gravitatsioonivälja. Londoni gravitomagnetilise momendiga seotud katsed viisid 2006. aastal läbi Martin Tajmar Austria ettevõttest ARC Seibersdorf Research ja Clovis de Matos Euroopa Kosmoseagentuurist (ESA). Katsetajad mõõtsid esimest korda sel viisil kunstlikult loodud gravitomagnetvälja. Tajmar ja de Matos usuvad, et see efekt selgitab varem suure täpsusega mõõdetud Cooperi paaride massi (need on ülijuhis juhtivuse tagavad elektronid) ja paberil saadud sama massi - kvantteooria arvutuste kohaselt saadud sama massi vahel. .
Teadlased nimetasid eksperimentaalselt avastatud gravitatsiooniefekti "Gravitomagnetilise Londoni momendiks" analoogselt sarnase magnetilise efektiga: ülijuhi pöörlemise ajal tekkiv magnetväli, mida nimetatakse "Londoni momendiks".
Sel viisil tekitatud väli oli 100 miljonit korda nõrgem kui Maa gravitatsiooniväli. Ja kuigi seda mõju ennustas üldrelatiivsusteooria, osutus see väljatugevus arvutatud väärtusest 20 suurusjärku tugevamaks.
Ülijuhtivuse efekti teoreetiline seletus
Praegu puudub täiesti rahuldav ülijuhtivuse mikroskoopiline teooria.
Juba ülijuhtivuse uurimise suhteliselt varases staadiumis, vähemalt pärast Ginzburg-Landau teooria loomist, sai selgeks, et ülijuhtivus on makroskoopilise arvu juhtivuselektronide ühendamise tagajärg üheks kvantmehaaniliseks olekuks. Sellises ansamblis seotud elektronide eripära on see, et nad ei saa võrega energiat vahetada väikeste portsjonitena, vähem kui nende sidumisenergia ansamblis. See tähendab, et kui elektronid liiguvad kristallvõres, siis elektronide energia ei muutu ning aine käitub nagu nulltakistusega ülijuht. Kvantmehaaniline analüüs näitab, et sel juhul ei toimu elektronlainete hajumist võre termiliste vibratsioonide või lisandite tõttu. Ja see tähendab elektritakistuse puudumist. Selline osakeste kombinatsioon on fermioonide ansamblis võimatu. See on iseloomulik identsete bosonite ansamblile. Asjaolu, et ülijuhtides olevad elektronid liidetakse bosonipaarideks, tuleneb katsetest, millega mõõdeti õõnsates ülijuhtivates silindrites "külmutatud" magnetvookvanti suurust. Seetõttu oli ülijuhtivuse teooria loomise peamiseks ülesandeks juba 20. sajandi keskel elektronide sidumise mehhanismi väljatöötamine. Esimene teooria, mis väitis andvat ülijuhtivuse põhjuste mikroskoopilise seletuse, oli Bardeeni – Cooperi – Schriefferi teooria, mille nad lõid 20. sajandi 50. aastatel. See teooria sai universaalse tunnustuse BCS nime all ja pälvis 1972. aastal Nobeli preemia. Oma teooria loomisel toetusid autorid isotoopefektile ehk isotoobi massi mõjule ülijuhi kriitilisele temperatuurile. Usuti, et selle olemasolu viitab otseselt ülijuhtiva oleku tekkele fononmehhanismi töö tõttu.
BCS-i teooria jättis mõned küsimused vastuseta. Selle põhjal osutus võimatuks lahendada põhiprobleemi – selgitada, miks konkreetsetel ülijuhtidel on üks või teine kriitiline temperatuur. Lisaks näitasid täiendavad katsed isotoopaasendustega, et ioonide nullpunkti vibratsiooni ebaharmoonsuse tõttu metallides on ioonimassil otsene mõju võres olevatele ioonidevahelistele kaugustele ja seega otseselt ka ioonide Fermi energiale. metallist. Seetõttu sai selgeks, et isotoopefekti olemasolu ei tõenda fononi mehhanismi, kuna see on ainus võimalik elektronide sidumise ja ülijuhtivuse esinemise eest vastutav. Hilisemate aastate rahulolematus BCS-i teooriaga viis katseteni luua muid mudeleid, nagu spinni kõikumise mudel ja bipolaarmudel. Kuigi nad kaalusid erinevaid mehhanisme elektronide paarideks ühendamiseks, ei toonud need arengud kaasa ka edusamme ülijuhtivuse nähtuse mõistmisel.
BCS-teooria põhiprobleemiks on olemasolu, mida selle teooriaga ei saa kirjeldada.
Ülijuhtivuse rakendused
Märkimisväärseid edusamme on tehtud kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse saavutamisel. Metallkeraamika, näiteks koostise YBa 2 Cu 3 O x põhjal on saadud aineid, mille temperatuur T cüleminek ülijuhtivasse olekusse ületab 77 K (lämmastiku veeldamise temperatuur). Kahjuks ei ole peaaegu kõik kõrgtemperatuursed ülijuhid tehnoloogiliselt arenenud (haprad, ei oma stabiilseid omadusi jne), mistõttu kasutatakse tehnoloogias endiselt peamiselt nioobiumisulamitel põhinevaid ülijuhte.
Ülijuhtivuse nähtust kasutatakse tugevate magnetväljade tekitamiseks (näiteks tsüklotronites), kuna ülijuhti läbiva tugeva voolu läbimisel soojuskadu ei teki, tekitades tugevaid magnetvälju. Kuna aga magnetväli hävitab ülijuhtivuse seisundi, kasutatakse tugevate magnetväljade saamiseks nn magnetvälju. II tüüpi ülijuhid, milles on võimalik ülijuhtivuse ja magnetvälja kooseksisteerimine. Sellistes ülijuhtides põhjustab magnetväli proovi läbistavate õhukeste normaalse metalli filamentide ilmnemise, millest igaüks kannab endas magnetvookvanti (Abrikosovi keerised). Keermete vahel olev aine jääb ülijuhtivaks. Kuna II tüüpi ülijuhtidel puudub täielik Meissneri efekt, eksisteerib ülijuhtivus kuni palju suuremate magnetvälja väärtusteni. H c 2. Tehnoloogias kasutatakse peamiselt järgmisi ülijuhte:
Miniatuursed ülijuhtivad rõngasseadmed – SQUIDS, mille tegevus põhineb seosel magnetvoo ja pinge muutuste vahel, leidub olulistes rakendustes. Need on osa ülitundlikest magnetomeetritest, mis mõõdavad Maa magnetvälja ning neid kasutatakse ka meditsiinis erinevate elundite magnetogrammide saamiseks.
Ülijuhte kasutatakse ka maglevides.
Ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuuri sõltuvuse nähtust magnetvälja suurusest kasutatakse krüotronites - kontrollitud takistustes.
Vaata ka
Märkmed
- Ülijuhtivuse avastamine – peatükk J. Triggi raamatust “20. sajandi füüsika: võtmekatsed”
- Dirk van Delft ja Peter Kes.
Juhtide takistus sõltub temperatuurist. Metallide kuumutamisel takistus suureneb, kui metallid jahutatakse, takistus väheneb. Kui juhi temperatuur läheneb nullile, võib ilmneda nähtus, mida nimetatakse ülijuhtivuseks.
Avastamise ajalugu
Ülijuhtivuse avastus kuulub Hollandi füüsikule H. Kamerlingh-Onnesile. Ta jahutas elavhõbedat vedelas heeliumis. Algul takistus järk-järgult vähenes ja seejärel teatud temperatuuri saavutamisel langes takistus järsult nullini. Seda nähtust nimetati ülijuhtivuseks.
Ülijuhtivuse nähtuse olemust suutsid nad aga selgitada alles aastal 1957. See on antud kvantteooria põhjal. Ülijuhtivust saab tohutu lihtsustusega seletada järgmiselt: elektronid ühinevad ridades ja liiguvad kristallvõrega kokku põrkamata. See liikumine ei sarnane üldse tavalise kaootilise soojusliikumisega.
1986. aastal avastati lisaks madalatemperatuurilisele ülijuhtivusele ka kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus. Nad lõid keerukaid ühendeid, mis lähevad ülijuhtivusseisundisse temperatuuril 100 K.
Ülijuhtide omadused
- Kriitiline temperatuur on temperatuur, mille juures aine läheb ülijuhtivasse olekusse. Ülijuhtivuse nähtus esineb metallides ja nende sulamites väga madalatel temperatuuridel(umbes 25 K ja alla selle). Seal on viitetabelid, mis näitavad teatud ainete kriitilisi temperatuure.
- Kuna ülijuhtivuses puudub takistus, soojust ei teki kui elektrivool läbib juhti. Seda ülijuhtide omadust kasutatakse laialdaselt.
- Iga ülijuhi jaoks on olemas kriitiline vooluväärtus, mida on võimalik saavutada juhis selle ülijuhtivust häirimata. See juhtub seetõttu, et voolu läbimisel tekib juhi ümber magnetväli. Ja magnetväli hävitab ülijuhtiva oleku. Seetõttu ei saa ülijuhte kasutada meelevaldselt tugeva magnetvälja tekitamiseks.
- Kui energia läbib ülijuhti sellest pole kaotust. Kaasaegsete füüsikute üks uurimisvaldkondi on ülijuhtivate materjalide loomine toatemperatuuril. Kui see probleem on lahendatav, siis lahendatakse üks olulisemaid tehnilisi probleeme - energia edastamine juhtmete kaudu ilma kadudeta.
Väljavaated
Kõrge temperatuuri ülijuhtivus on väga paljutõotav uurimisvaldkond, mis võib hiljem viia uue tehnilise revolutsioonini elektroonikas, elektrotehnikas ja raadiotehnikas. Selle valdkonna viimastel andmetel on saavutatud ülijuhtivuse maksimaalne kriitiline temperatuur 166K.
Järk-järgult jõuame lähemale materjalide avastamisele, mis on toatemperatuuril ülijuhtivad. See on läbimurre tehnoloogiamaailmas. Elektrit saab edastada mis tahes kaugusele ilma kadudeta.