Cili është fenomeni i superpërcjellshmërisë? Superpërcjellshmëria është një fenomen me rezistencë elektrike zero dhe lëshimin e fushave të fluksit magnetik që ndodhin në materiale të caktuara, të quajtura superpërçues, kur ftohen nën një temperaturë kritike karakteristike.
Fenomeni u zbulua nga fizikani holandez Heike Kamerling-Onnes më 8 prill 1911 në Leiden. Ashtu si feromagnetizmi dhe linjat spektrale atomike, superpërçueshmëria është një fenomen mekanik kuantik. Karakterizohet nga efekti Meissner - një nxjerrje e plotë e linjave të fushës magnetike nga brenda superpërçuesit gjatë kalimit të tij në gjendjen superpërcjellëse.
Ky është thelbi i fenomenit të superpërçueshmërisë. Shfaqja e efektit Meissner tregon se superpërçueshmëria nuk mund të kuptohet thjesht si një idealizim i përçueshmërisë ideale në fizikën klasike.
Cili është fenomeni i superpërcjellshmërisë
Rezistenca elektrike e një përcjellësi metalik zvogëlohet gradualisht saduke ulur temperaturën. Në përçuesit e zakonshëm si bakri ose argjendi, ky reduktim kufizohet nga papastërtitë dhe defektet e tjera. Edhe afër zeros absolute, një mostër reale e një përcjellësi normal tregon njëfarë rezistence. Në një superpërçues, rezistenca bie ndjeshëm në zero kur materiali ftohet nën temperaturën e tij kritike. Rryma elektrike përmes një unaze teli superpërcjellës mund të mbahet për një kohë të pacaktuar pa një burim energjie. Kjo është përgjigja e pyetjes, cili është fenomeni i superpërçueshmërisë.
Histori
Në vitin 1911, ndërsa studionin vetitë e materies në temperatura shumë të ulëta, fizikani holandez Heike Kamerling Onnes dhe ekipi i tij zbuluan se rezistenca elektrike e merkurit bie në zero nën 4.2 K (-269°C). Ky ishte vëzhgimi i parë i fenomenit të superpërçueshmërisë. Shumica e elementëve kimikë bëhen superpërçues në temperatura mjaft të ulëta.
Nën një temperaturë të caktuar kritike, materialet kalojnë në një gjendje superpërcjellëse, e karakterizuar nga dy veti kryesore: së pari, ato nuk i rezistojnë kalimit të rrymës elektrike. Kur rezistenca bie në zero, rryma mund të qarkullojë brenda materialit pa shpërndarje të energjisë.
Së dyti, me kusht që ato të jenë mjaftueshëm të dobëta, fushat magnetike të jashtme nuk depërtojnë në superpërçues, por mbeten në sipërfaqen e tij. Ky fenomen i dëbimit në terren u bë i njohur si efekti Meissner pasi u vëzhgua për herë të parë nga një fizikant në vitin 1933.
Tre emra, tre shkronja dhe një teori jo e plotë
Fizika e zakonshme nuk jep adekuateshpjegimet e gjendjes superpërcjellëse, si dhe teoria elementare kuantike e gjendjes së ngurtë, e cila merr në konsideratë sjelljen e elektroneve veçmas nga sjellja e joneve në një rrjetë kristalore.
Vetëm në vitin 1957, tre studiues amerikanë - John Bardeen, Leon Cooper dhe John Schrieffer krijuan teorinë mikroskopike të superpërçueshmërisë. Sipas teorisë së tyre BCS, elektronet grumbullohen në çifte përmes ndërveprimit me dridhjet e rrjetës (të ashtuquajturat "fonone"), duke formuar kështu çifte Cooper që lëvizin pa fërkim brenda një trupi të ngurtë. Një e ngurtë mund të shihet si një rrjetë jonesh pozitive të zhytura në një re elektronesh. Kur një elektron kalon nëpër këtë rrjetë, jonet lëvizin pak, duke u tërhequr nga ngarkesa negative e elektronit. Kjo lëvizje gjeneron një rajon elektrik pozitiv, i cili nga ana tjetër tërheq një elektron tjetër.
Energjia e ndërveprimit elektronik është mjaft e dobët, dhe avujt mund të ndahen lehtësisht nga energjia termike - kështu që superpërçueshmëria zakonisht ndodh në temperatura shumë të ulëta. Megjithatë, teoria BCS nuk ofron një shpjegim për ekzistencën e superpërçuesve me temperaturë të lartë në rreth 80 K (-193 °C) dhe më lart, për të cilët duhet të përfshihen mekanizma të tjerë të lidhjes së elektroneve. Zbatimi i fenomenit të superpërcjellshmërisë bazohet në procesin e mësipërm.
Temperatura
Në vitin 1986, disa materiale qeramike cuprate-perovskite u zbuluan se kishin temperatura kritike mbi 90 K (-183 °C). Kjo temperaturë e lartë e kryqëzimit është teorikishte pamundur për një superpërçues konvencional, gjë që çon në faktin se materialet quhen superpërçues me temperaturë të lartë. Azoti i lëngshëm ftohës i disponueshëm vlon në 77 K, dhe kështu superpërçueshmëria në temperatura më të larta se këto lehtëson shumë eksperimente dhe aplikime që janë më pak praktike në temperatura më të ulëta. Kjo është përgjigja e pyetjes se në cilën temperaturë ndodh fenomeni i superpërcjellshmërisë.
Klasifikimi
Superpërcjellësit mund të klasifikohen sipas disa kritereve që varen nga interesi ynë për vetitë e tyre fizike, nga kuptimi që kemi rreth tyre, nga kostoja e ftohjes së tyre ose nga materiali nga i cili janë bërë.
Për nga vetitë e tij magnetike
Superpërcjellës të tipit I: ata që kanë vetëm një fushë kritike, Hc, dhe kalojnë papritur nga një gjendje në tjetrën kur arrihet.
Superpërcjellësit e tipit II: që kanë dy fusha kritike, Hc1 dhe Hc2, duke qenë superpërçues të përsosur nën fushën kritike të poshtme (Hc1) dhe duke lënë plotësisht gjendjen superpërcjellëse mbi fushën e sipërme kritike (Hc2), duke qenë në një gjendje të përzier midis fushat kritike.
Si i kuptojmë ne rreth tyre
Superpërcjellës të zakonshëm: ata që mund të shpjegohen plotësisht nga teoria BCS ose teoritë e ngjashme.
Superpërcjellës të pazakonshëm: ata që nuk mund të shpjegoheshin duke përdorur teori të tilla, për shembull: fermionikë të rëndësuperpërcjellës.
Ky kriter është i rëndësishëm sepse teoria BCS ka shpjeguar vetitë e superpërçuesve konvencionalë që nga viti 1957, por nga ana tjetër, nuk ka pasur një teori të kënaqshme për të shpjeguar superpërcjellësit plotësisht jokonvencionalë. Në shumicën e rasteve, superpërcjellësit e tipit I janë të zakonshëm, por ka disa përjashtime, si niobium, i cili është i zakonshëm dhe i tipit II.
Për nga temperatura e tyre kritike
Superpërcjellës me temperaturë të ulët, ose LTS: ata, temperatura kritike e të cilëve është nën 30 K.
Superpërcjellës të temperaturës së lartë, ose HTS: ata, temperatura kritike e të cilëve është mbi 30 K. Disa tani përdorin 77 K si ndarje për të theksuar nëse mund ta ftohim kampionin me azot të lëngshëm (pika e vlimit të të cilit është 77 K), e cila është shumë më i realizueshëm se heliumi i lëngshëm (një alternativë për të arritur temperaturat e nevojshme për të prodhuar superpërçues me temperaturë të ulët).
Detaje të tjera
Një superpërçues mund të jetë i tipit I, që do të thotë se ka një fushë të vetme kritike, mbi të cilën humbet e gjithë superpërçueshmëria dhe nën të cilën fusha magnetike eliminohet plotësisht nga superpërçuesi. Lloji II, që do të thotë se ka dy fusha kritike midis të cilave lejon depërtimin e pjesshëm të fushës magnetike përmes pikave të izoluara. Këto pika quhen vorbulla. Përveç kësaj, në superpërcjellësit me shumë komponentë, është i mundur një kombinim i dy sjelljeve. Në këtë rast, superpërçuesi është i tipit 1, 5.
Properties
Shumica e vetive fizike të superpërçuesve ndryshojnë nga materiali në material, të tilla si kapaciteti i nxehtësisë dhe temperatura kritike, fusha kritike dhe dendësia kritike e rrymës në të cilën superpërcjellshmëria prishet.
Nga ana tjetër, ekziston një klasë e vetive që janë të pavarura nga materiali bazë. Për shembull, të gjithë superpërçuesit kanë rezistencë absolutisht zero në rrymat e ulëta të aplikuara, kur nuk ka fushë magnetike, ose kur fusha e aplikuar nuk e kalon vlerën kritike.
Prania e këtyre vetive universale nënkupton që superpërçueshmëria është një fazë termodinamike dhe për këtë arsye ka disa veti dalluese që janë kryesisht të pavarura nga detajet mikroskopike.
Situata është e ndryshme në superpërçues. Në një superpërçues konvencional, lëngu elektronik nuk mund të ndahet në elektrone individuale. Në vend të kësaj, ai përbëhet nga çifte të lidhura elektronesh të njohura si çifte Cooper. Ky çiftim shkaktohet nga forca tërheqëse ndërmjet elektroneve që rezulton nga shkëmbimi i fononeve. Për shkak të mekanikës kuantike, spektri energjetik i këtij lëngu të çiftit Cooper ka një hendek energjie, domethënë ekziston një sasi minimale energjie ΔE që duhet të furnizohet për të ngacmuar lëngun.
Prandaj, nëse ΔE është më e madhe se energjia termike e grilës e dhënë nga kT, ku k është konstanta e Boltzmann-it dhe T është temperatura, lëngu nuk do të shpërndahet nga grila. Kështu qëKështu, lëngu i avullit Cooper është superfluid, që do të thotë se ai mund të rrjedhë pa shpërndarë energji.
Karakteristikat e superpërcjellshmërisë
Në materialet superpërcjellëse, karakteristikat e superpërçueshmërisë shfaqen kur temperatura T bie nën temperaturën kritike Tc. Vlera e kësaj temperature kritike ndryshon nga materiali në material. Superpërcjellësit konvencionalë zakonisht kanë temperatura kritike që variojnë nga rreth 20 K në më pak se 1 K.
Për shembull, merkuri i ngurtë ka një temperaturë kritike prej 4,2 K. Që nga viti 2015, temperatura më e lartë kritike e gjetur për një superpërçues konvencional është 203 K për H2S, megjithëse kërkohej një presion i lartë prej rreth 90 gigapascals. Superpërcjellësit Cuprate mund të kenë temperatura kritike shumë më të larta: YBa2Cu3O7, një nga superpërcjellësit e parë të cupratit të zbuluar, ka një temperaturë kritike prej 92 K dhe janë gjetur cuprate me bazë merkur me temperatura kritike që tejkalojnë 130 K. Shpjegimi për këto temperatura të larta kritike mbetet i panjohur.
Çiftimi i elektroneve për shkak të shkëmbimeve të fononeve shpjegon superpërçueshmërinë në superpërcjellësit konvencionalë, por nuk shpjegon superpërcjellshmërinë në superpërcjellësit më të rinj që kanë një temperaturë kritike shumë të lartë.
Fushat magnetike
Në mënyrë të ngjashme, në një temperaturë fikse nën temperaturën kritike, materialet superpërçuese ndalojnë superpërcjelljen kur aplikohet një fushë magnetike e jashtme që është më e madhe sefushë magnetike kritike. Kjo ndodh sepse energjia e lirë e Gibbs-it e fazës superpërcjellëse rritet në mënyrë kuadratike me fushën magnetike, ndërsa energjia e lirë e fazës normale është afërsisht e pavarur nga fusha magnetike.
Nëse materiali është superpërçues në mungesë të një fushe, atëherë energjia e lirë e fazës superpërcjellëse është më e vogël se ajo e fazës normale, dhe për rrjedhojë, për një vlerë të kufizuar të fushës magnetike (proporcionale me katrorin rrënja e diferencës në energjitë e lira në zero), të dy energjitë e lira do të jenë të barabarta dhe do të ketë një kalim fazor në fazën normale. Në përgjithësi, një temperaturë më e lartë dhe një fushë magnetike më e fortë rezulton në një përqindje më të vogël të elektroneve superpërcjellëse dhe për rrjedhojë një thellësi më të madhe të depërtimit në Londër të fushave dhe rrymave magnetike të jashtme. Thellësia e depërtimit bëhet e pafundme në tranzicionin fazor.
Fizike
Fillimi i superpërcjellshmërisë shoqërohet me ndryshime të papritura në vetitë e ndryshme fizike, gjë që është shenjë dalluese e një tranzicioni fazor. Për shembull, kapaciteti i nxehtësisë së elektronit është proporcional me temperaturën në regjimin normal (jo superpërcjellës). Në tranzicionin superpërcjellës, ai përjeton një kërcim dhe pas kësaj ai pushon së qeni linear. Në temperatura të ulëta, ai ndryshon në vend të e−α/T për disa α konstante. Kjo sjellje eksponenciale është një nga provat për ekzistencën e një hendeku energjetik.
Tranzicioni i fazës
Shpjegimi i fenomenit të superpërçueshmërisë është mjaftpadyshim. Rendi i tranzicionit të fazës superpërcjellëse është diskutuar për një kohë të gjatë. Eksperimentet tregojnë se nuk ka tranzicion të rendit të dytë, domethënë nxehtësi latente. Megjithatë, në prani të një fushe magnetike të jashtme, ka nxehtësi latente sepse faza superpërcjellëse ka një entropi më të ulët, më të ulët se temperatura kritike, sesa faza normale.
E demonstroi eksperimentalisht sa vijon: kur fusha magnetike rritet dhe shkon përtej fushës kritike, tranzicioni fazor që rezulton çon në një ulje të temperaturës së materialit superpërçues. Fenomeni i superpërçueshmërisë është përshkruar shkurtimisht më sipër, tani është koha t'ju tregojmë diçka rreth nuancave të këtij efekti të rëndësishëm.
Llogaritjet e bëra në vitet 1970 treguan se në fakt mund të ishte më i dobët se rendi i parë për shkak të ndikimit të luhatjeve me rreze të gjatë në fushën elektromagnetike. Në vitet 1980, u tregua teorikisht duke përdorur teorinë e fushës së çrregullimit, në të cilën linjat e vorbullës së superpërcjellësit luajnë një rol të madh, se tranzicioni është i rendit të dytë në modalitetin e tipit II dhe i rendit të parë (d.m.th., nxehtësia latente) në modalitetin e tipit I, dhe se dy rajonet janë të ndara nga një pikë trikritike.
Rezultatet u konfirmuan fuqishëm nga simulimet kompjuterike në Monte Carlo. Kjo luajti një rol të rëndësishëm në studimin e fenomenit të superpërçueshmërisë. Puna vazhdon edhe për momentin. Thelbi i fenomenit të superpërçueshmërisë nuk është kuptuar dhe shpjeguar plotësisht nga pikëpamja e shkencës moderne.
