Supravodivost je vlastnost některých materiálů mít striktně nulový elektrický odpor , když dosáhnou teploty pod určitou hodnotu (kritická teplota). Je známo, že několik stovek sloučenin, čistých prvků, slitin a keramiky přechází do supravodivého stavu. Supravodivost je kvantový jev . Vyznačuje se také Meissnerovým jevem , který spočívá v úplném vytěsnění magnetického pole z objemu supravodiče. Existence tohoto efektu ukazuje, že supravodivost nelze jednoduše popsat jako ideální vodivost v klasickém smyslu.
Objev řady vysokoteplotních supravodičů (HTSC) v letech 1986–1993 posunul teplotní hranici supravodivosti a umožnil praktické využití supravodivých materiálů nejen při bodu varu kapalného helia (4,2 K), ale také při bod varu kapalného dusíku (77 K), mnohem levnější kryogenní kapalina.
Základem pro objev fenoménu supravodivosti byl vývoj technologií chlazení materiálů na ultranízké teploty. V roce 1877 francouzský inženýr Louis Cayette a švýcarský fyzik Raoul Pictet nezávisle zchladili kyslík do kapalného stavu. V roce 1883 Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski provedli zkapalňování dusíku . V roce 1898 se Jamesi Dewarovi také podařilo získat kapalný vodík .
V roce 1893 se holandský fyzik Heike Kamerling-Onnes začal zabývat problémem ultranízkých teplot . Podařilo se mu vytvořit nejlepší světovou kryogenní laboratoř, do které 10. července 1908 přijal tekuté helium . Později se mu podařilo zvýšit její teplotu až na 1 Kelvin . Kamerling-Onnes použil kapalné helium ke studiu vlastností kovů , zejména k měření závislosti jejich elektrického odporu na teplotě [1] . Podle tehdy existujících klasických teorií [2] , měl odpor plynule klesat s klesající teplotou, existoval však i názor, že při příliš nízkých teplotách se elektrony prakticky zastaví a kov zcela přestane vést proud. Experimenty, které provedl Kamerling-Onnes se svými asistenty Cornelisem Dorsmannem a Gillesem Holstem, zpočátku potvrdily závěr, že odpor postupně opadl. Dne 8. dubna 1911 však nečekaně zjistil, že při 3 Kelvinech (asi -270 °C) je elektrický odpor rtuti prakticky nulový. Další experiment, provedený 11. května, ukázal, že k prudkému poklesu odporu k nule dochází při teplotě asi 4,2 K (později přesnější měření ukázala tuto teplotu na 4,15 K). Tento efekt byl zcela neočekávaný a nemohl být vysvětlen tehdy existujícími teoriemi.
V roce 1912 byly objeveny další dva kovy, které při nízkých teplotách přecházejí do supravodivého stavu: olovo a cín . V lednu 1914 se ukázalo, že supravodivost byla zničena silným magnetickým polem . V roce 1919 bylo zjištěno, že thalium a uran jsou také supravodiče [3] [4] .
Nulová odolnost není jediným znakem supravodičů. Jedním z hlavních rozdílů mezi supravodičem a ideálními vodiči je Meissnerův jev , který objevili Walter Meissner a Robert Oksenfeld v roce 1933 .
První teoretické vysvětlení supravodivosti podali v roce 1935 bratři Fritz a Heinz London . Obecnější teorii zkonstruovali v roce 1950 V. L. Ginzburg a L. D. Landau . Rozšířila se a je známá jako Ginzburg-Landauova teorie . Tyto teorie však byly fenomenologické povahy a neodhalily podrobné mechanismy supravodivosti. Supravodivost byla poprvé vysvětlena na mikroskopické úrovni v roce 1957 americkými fyziky Johnem Bardeenem , Leonem Cooperem a Johnem Schriefferem . Ústředním prvkem jejich teorie, nazývané BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) teorie, jsou takzvané Cooperovy páry elektronů .
Později bylo zjištěno, že supravodiče se dělí do dvou velkých rodin: supravodiče typu I (patří k nim zejména rtuť) a typu II (což jsou obvykle slitiny různých kovů). Na objevu supravodivosti typu II se významně podílely práce L. V. Shubnikova ve 30. letech a A. A. Abrikosova v 50. letech 20. století .
Pro praktické aplikace ve vysokovýkonných elektromagnetech měl velký význam objev v 50. letech 20. století supravodičů schopných odolávat silným magnetickým polím a propouštět vysoké proudové hustoty . V roce 1960 byl tedy pod vedením J. Künzlera objeven materiál Nb 3 Sn, jehož drát je schopen přenášet proud o hustotě až 100 kA / cm² při teplotě 4,2 K, tj. magnetické pole 8,8T.
V roce 1962 anglický fyzik Brian Josephson objevil (později po něm pojmenovaný) účinek supravodivého proudu protékajícího tenkou dielektrickou vrstvou , která odděluje dva supravodiče .
V roce 1986 objevili Karl Müller a Georg Bednorz nový typ supravodičů, nazvaný vysokoteplotní [5] . Počátkem roku 1987 se ukázalo, že sloučeniny lanthanu , stroncia , mědi a kyslíku (La-Sr-Cu-O) zažívají skokový skok v odporu téměř k nule při teplotě 36 K. Začátkem března 1987 byl poprvé představen supravodič získané při teplotě přesahující teplotu varu kapalného dusíku (77,4 K): bylo zjištěno, že sloučenina yttria , barya , mědi a kyslíku (Y-Ba-Cu-O) má tuto vlastnost. K 1. lednu 2006 patří rekord keramické sloučenině Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), objevené v roce 2003, jejíž kritická teplota je 138 K. Navíc při tlaku 400 kbar tatáž sloučenina je supravodič při teplotách do 166 K [6] .
V roce 2015 byl stanoven nový rekord v teplotě, při které je dosaženo supravodivosti. Pro H 2 S ( sirovodík ) při tlaku 100 GPa byl zaznamenán supravodivý přechod při teplotě 203 K (-70 °C) [7] [8] .
V roce 2017 byl objeven fenomén supravodivosti grafenu o tloušťce dvou atomových vrstev pootočených vůči sobě o úhel 1,1 stupně [9] .
V roce 2019 byla získána supravodivost pro lanthanum hydrid LaH₁₀ při −23 °C (250 K) a níže při tlaku 188 GPa. V tomto případě byla pozorována hystereze: se zvýšením teploty nad 245 K zmizela supravodivost LaH₁₀ [10] [11] . Navíc v Ústavu krystalografie. Shubnikov získal supravodivost v yttriumhydridu YH₆ při teplotách 224 K při 166 GPa a 218 K při 165 GPa (k únoru 2020 nebyla práce recenzována). Vliv supravodivosti v takových hydridech je způsoben krystalovou strukturou, ve které atomy vodíku „obalují“ těžší atomy, které určují strukturu krystalové mřížky a v takové struktuře nebrání vzniku Bose-Einsteinova kondenzátu . Nadějné jsou podle výpočtů i ternární hydridy: např. Li₂MgH₁₆ by měl mít přechodovou teplotu do supravodivosti 473 K při tlaku 2,5 Mbar [11] [12] .
Existuje několik kritérií pro klasifikaci supravodičů. Zde jsou ty hlavní:
Pro stejnosměrný elektrický proud je elektrický odpor supravodiče nulový. To se prokázalo při pokusu, kdy se v uzavřeném supravodiči indukoval elektrický proud, který v něm bez útlumu protékal 2,5 roku (pokus byl přerušen stávkou dělníků, kteří přinesli kryogenní kapaliny).
Přísně vzato, tvrzení, že odpor supravodičů je nulový, platí pouze pro stejnosměrný elektrický proud . Ve střídavém elektrickém poli je odpor supravodiče odlišný od nuly a roste s rostoucí frekvencí pole. Tento efekt, v řeči dvoutekutinového modelu supravodiče , se vysvětluje přítomností, spolu se supravodivým zlomkem elektronů, obyčejných elektronů, jejichž počet je však malý. Když je supravodič umístěn do konstantního pole, toto pole uvnitř supravodiče zmizí, protože jinak by byly supravodivé elektrony urychleny do nekonečna, což je nemožné. V případě střídavého pole je však pole uvnitř supravodiče nenulové a urychluje mimo jiné normální elektrony, které jsou spojeny jak s konečným elektrickým odporem, tak s Jouleovými tepelnými ztrátami. Tento efekt je zvláště výrazný u takových frekvencí světla, pro které stačí energie kvanta k přenosu supravodivého elektronu na skupinu normálních elektronů. Tato frekvence leží obvykle v infračervené oblasti (asi 10 11 Hz), proto se ve viditelné oblasti supravodiče prakticky neliší od běžných kovů [14] .
Teplotní interval pro přechod do supravodivého stavu u čistých vzorků nepřesahuje tisíciny Kelvina , a proto určitá hodnota Tc , přechodové teploty do supravodivého stavu, dává smysl. Tato hodnota se nazývá kritická přechodová teplota . Šířka přechodového intervalu závisí na nehomogenitě kovu, především na přítomnosti nečistot a vnitřních pnutí. V současnosti známé teploty Tc se pohybují od 0,0005 K pro hořčík (Mg) do 23,2 K pro intermetalickou sloučeninu niobu a germania (Nb 3 Ge, ve filmu) a 39 K pro diborid hořečnatý ( Mg B 2 ) pro nízkoteplotní supravodiče ( T c pod 77 K, bod varu kapalného dusíku), až do asi 135 K pro vysokoteplotní supravodiče obsahující rtuť.
V současnosti má fáze HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) nejvyšší známou kritickou teplotu 135 K a při vnějším tlaku 350 tisíc atmosfér stoupá teplota přechodu na 164 K, což je pouze o 19 K nižší než minimální teplota zaznamenaná v přirozených podmínkách na povrchu Země. Supravodiče tak ve svém vývoji přešly od kovové rtuti (4,15 K) k vysokoteplotním supravodičům obsahujícím rtuť (164 K). V roce 2000 se ukázalo, že mírná fluorace výše zmíněné rtuťové keramiky umožňuje zvýšit kritickou teplotu za normálního tlaku na 138 K [15] .
Přechod látky do supravodivého stavu je doprovázen změnou jejích tepelných vlastností. Tato změna však závisí na druhu uvažovaných supravodičů. Takže u supravodičů typu Ι v nepřítomnosti magnetického pole při teplotě přechodu T c mizí teplo přechodu (absorpce nebo uvolňování) a následně tepelná kapacita skáče , což je charakteristické pro fázi . přechod druhu ΙΙ . Taková teplotní závislost tepelné kapacity elektronického subsystému supravodiče ukazuje na přítomnost energetické mezery v distribuci elektronů mezi základním stavem supravodiče a úrovní elementárních excitací. Když je přechod ze supravodivého stavu do normálního stavu proveden změnou aplikovaného magnetického pole, pak musí dojít k absorpci tepla (např. pokud je vzorek tepelně izolován, pak jeho teplota klesá). A to odpovídá fázovému přechodu řádu Ι. Pro supravodiče typu ΙΙ bude přechod ze supravodivého do normálního stavu za jakýchkoli podmínek fázovým přechodem typu ΙΙ.
Ještě důležitější vlastností supravodiče než nulový elektrický odpor je tzv. Meissnerův jev , který spočívá ve vytlačení konstantního magnetického pole ze supravodiče. Z tohoto experimentálního pozorování je učiněn závěr o existenci netlumených proudů v blízkosti povrchu supravodiče, které vytvářejí vnitřní magnetické pole opačné k vnějšímu aplikovanému magnetickému poli a kompenzují jej.
Dostatečně silné magnetické pole při dané teplotě ničí supravodivý stav hmoty. Magnetické pole o síle H c , které při dané teplotě způsobí přechod látky ze supravodivého do normálního stavu, se nazývá kritické pole . S klesající teplotou supravodiče roste hodnota H c . Teplotní závislost kritického pole je popsána s dobrou přesností výrazem
,
kde je kritické pole při nulové teplotě. Supravodivost také zmizí, když elektrický proud s hustotou větší než kritická prochází supravodičem , protože vytváří magnetické pole větší než kritické.
Destrukce supravodivého stavu působením magnetického pole je u supravodičů typu I a typu II odlišná. Pro supravodiče typu II existují 2 hodnoty kritického pole: Hc1 , při kterém magnetické pole proniká supravodičem ve formě Abrikosovových vírů, a Hc2 , při kterém supravodivost mizí.
V roce 1963 vědci Little a Parks objevili, že teplota přechodu tenkostěnného válce o malém poloměru do supravodivého stavu periodicky (s periodou rovnou kvantu toku ) závisí na velikosti magnetického toku . [16] Tento efekt je jedním z projevů makroskopické kvantové podstaty supravodivosti. [17] [18]
Izotopový efekt v supravodičech je ten, že teploty Tc jsou nepřímo úměrné odmocnině atomových hmotností izotopů stejného supravodivého prvku . V důsledku toho se monoizotopové přípravky poněkud liší v kritických teplotách od přirozené směsi a od sebe navzájem [19] .
Rotující supravodič generuje magnetické pole , které je přesně vyrovnáno s osou rotace, výsledný magnetický moment se nazývá " londýnský moment ". Byl použit zejména ve vědecké družici „ Gravity Probe B “, kde byla měřena magnetická pole čtyř supravodivých gyroskopů pro určení jejich osy rotace. Protože rotory gyroskopů byly téměř dokonale hladké koule , bylo použití londýnského momentu jedním z mála způsobů, jak určit jejich osu rotace .
Rotující a zároveň zrychlující, tedy zvyšující se rychlost supravodivého prstence, vytváří gravitační pole . Experimenty související s gravitomagnetickým momentem Londýna provedli Martin Taimar z rakouské společnosti ARC Seibersdorf Research a Clovis de Matos z Evropské kosmické agentury (ESA) v roce 2006. Experimentátoři poprvé změřili takto uměle vytvořené gravitomagnetické pole . Taimar a de Matos se domnívají, že tento efekt vysvětluje záhadu v rozdílu mezi dříve naměřenou s vysokou přesností hmotnosti Cooperových párů (to jsou elektrony , které poskytují vodivost v supravodiči) a stejnou hmotností získanou na papíře - podle výpočtů kvant. teorie [20] [21] .
Výzkumníci nazvali experimentálně objevený gravitační efekt „ gravitomagnetický londýnský moment “, analogicky s podobným magnetickým efektem: vznik magnetického pole během rotace supravodiče, nazývaný „ Londýnský moment “ [22] .
Pole indukované tímto způsobem bylo 100 milionkrát slabší než gravitační pole Země . A ačkoli tento efekt předpovídala Obecná teorie relativity , ukázalo se, že tato síla pole je o 20 řádů silnější než vypočítaná hodnota [22].
V organické chemii existují víceatomové molekuly obsahující tzv. konjugované vazby . Jsou prováděny pomocí elektronů, které se mohou pohybovat v celé molekule, jako elektrony v kovech. Takové molekuly jsou malé supravodiče. Jejich vlastnosti supravodivosti se projevují v interakci molekuly se světlem, v Meissnerově jevu atp. [23]
Jádro neutronové hvězdy může být v supravodivém stavu s kritickou teplotou K. V tomto případě mají vázané neutronové páry vazebnou energii MeV [23] .
V současnosti neexistuje plně uspokojivá mikroskopická teorie supravodivosti [24] .
Již v relativně rané fázi studia supravodivosti, v každém případě po vytvoření Ginzburg-Landauovy teorie , se ukázalo, že supravodivost je důsledkem sjednocení makroskopického počtu vodivostních elektronů do jednoho kvantově mechanického stavu. Rysem elektronů vázaných v takovém souboru je, že si nemohou vyměňovat energii s mřížkou v malých částech, menší než je jejich vazebná energie v souboru. To znamená, že když se elektrony pohybují v krystalové mřížce, energie elektronů se nemění a látka se chová jako supravodič s nulovým odporem. Kvantově-mechanická úvaha ukazuje, že v tomto případě nedochází k rozptylu elektronových vln tepelnými vibracemi mřížky nebo nečistotami. A to znamená absenci elektrického odporu. Takové spojení částic je v souboru fermionů nemožné. Je charakteristický pro soubor identických bosonů. To, že se elektrony v supravodičech spojují do bosonických párů, vyplývá z experimentů na měření velikosti kvanta magnetického toku, které je „zamrzlé“ v dutých supravodivých válcích. Proto již v polovině 20. století bylo hlavním úkolem vytvoření teorie supravodivosti vývoj mechanismu pro párování elektronů. První teorie, která tvrdila, že je mikroskopickým vysvětlením příčin supravodivosti, byla Bardeen-Cooper-Schriefferova teorie , kterou vytvořili v 50. letech 20. století. Tato teorie získala všeobecné uznání pod názvem BCS a v roce 1972 byla oceněna Nobelovou cenou . Při tvorbě své teorie autoři vycházeli z izotopového efektu , tedy z vlivu hmotnosti izotopu na kritickou teplotu supravodiče. Věřilo se, že jeho existence přímo ukazuje na vznik supravodivého stavu v důsledku činnosti fononového mechanismu.
Teorie BCS ponechala některé otázky nezodpovězené. Na jeho základě se ukázalo jako nemožné vyřešit hlavní problém – vysvětlit, proč mají konkrétní supravodiče tu či onu kritickou teplotu. Další experimenty s izotopovými substitucemi navíc ukázaly, že v důsledku anharmonicity kmitání iontů v kovech s nulovým bodem má hmotnost iontu přímý vliv na meziiontové vzdálenosti v mřížce, a tedy přímo na hodnotu Fermiho energie kovu. Proto se ukázalo, že existence izotopového efektu není důkazem fononového mechanismu, jako jediného možného zodpovědného za párování elektronů a vznik supravodivosti. Nespokojenost s teorií BCS v pozdějších letech vedla k pokusům vytvořit další modely, jako je model rotace fluktuace a model bipolaron. Ačkoli však zvažovali různé mechanismy spojování elektronů do párů, tento vývoj také nevedl k pokroku v pochopení fenoménu supravodivosti.
Hlavním problémem teorie BCS je existence vysokoteplotní supravodivosti , kterou tato teorie nemůže popsat.
Významného pokroku bylo dosaženo při získávání vysokoteplotní supravodivosti . Na základě cermetů, např. složení YBa 2 Cu 3 O x , se získávají látky, u kterých teplota T c přechodu do supravodivého stavu přesahuje 77 K (teplota zkapalňování dusíku ). Bohužel téměř všechny vysokoteplotní supravodiče nejsou technologicky vyspělé (křehké, nemají stabilní vlastnosti atd.), v důsledku čehož se v technice stále používají převážně supravodiče na bázi niobových slitin.
Fenomén supravodivosti se využívá k získání silných magnetických polí (například u cyklotronů), protože při průchodu silných proudů supravodičem nedochází k tepelným ztrátám, které vytvářejí silná magnetická pole. Avšak vzhledem k tomu, že magnetické pole ničí stav supravodivosti, využívají se k získání silných magnetických polí tzv. magnetická pole. supravodiče druhého druhu, u kterých je možná koexistence supravodivosti a magnetického pole. V takových supravodičích způsobuje magnetické pole vzhled tenkých vláken normálního kovu pronikajícího vzorkem, z nichž každé nese kvanta magnetického toku ( Abrikosovovy víry ). Látka mezi vlákny zůstává supravodivá. Protože v supravodiči typu II neexistuje úplný Meissnerův efekt, existuje supravodivost až do mnohem vyšších hodnot magnetického pole H c 2 . V technologii výroby supravodivých magnetů se používají především tyto supravodiče:
Sloučenina | Tc , K | jc , A/cm2 ( T ), při 4,2 K | Bc , T (T, K) |
---|---|---|---|
NbTi | 9,5–10,5 | (3–8)⋅10 4 (5) | 12,5-16,5 (1,2) 12 (4,2) |
Nb 3 Sn | 18.1—18.5 | (1–8)⋅10 5 (0) | 24,5–28 (0) |
NbN | 14.5—17.8 | (2–5)⋅10 7 (18) | 25 (1,2) 8-13 (4,2) |
Existují fotonové detektory na bázi supravodičů. Některé využívají přítomnost kritického proudu, využívají také Josephsonův jev , Andreevův odraz atd. Pro detekci jednotlivých fotonů v IR oblasti tedy existují supravodivé jednofotonové detektory (SSPD) [25] , které mají řadu výhody oproti detektorům podobného dosahu ( PMT , atd. .) s použitím jiných registračních metod.
Srovnávací charakteristiky nejběžnějších IR detektorů, jak nesupravodivých (první čtyři), tak supravodivých (poslední tři):
Typ detektoru | Maximální rychlost počítání, s −1 | Kvantová účinnost, % | , s− 1 [26] | NEP, W [27] |
---|---|---|---|---|
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu) | 1⋅10 6 | ≈20 | ≈6⋅10 3 | ≈1⋅10 -17 |
R5509-43 PMT (Hamamatsu) | 9⋅10 6 | jeden | 1,6⋅10 4 | ≈1⋅10 -16 |
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G) | 5⋅10 6 | 0,01 | ≈1⋅10 -16 | - |
Mepsicron II (Quantar) | 1⋅10 6 | 0,001 | 0,1 | - |
STJ | 5⋅10 3 | 60 | - | - |
TES | 5⋅10 3 | 90 | méně než 1⋅10 -3 | méně než 1⋅10 -19 |
SSPD | 7⋅10 7 | třicet | méně než 1⋅10 -3 | 6⋅10 -18 |
Víry v supravodičích typu II lze použít jako paměťové buňky. Podobné uplatnění již našly některé magnetické solitony . Existují i složitější dvou- a trojrozměrné magnetické solitony, připomínající víry v kapalinách, jen roli proudnic v nich hrají čáry, podél kterých se řadí elementární magnety (domény).
Absence tepelných ztrát při průchodu stejnosměrného proudu supravodičem činí použití supravodivých kabelů pro dodávku elektřiny atraktivní, protože jediný tenký podzemní kabel je schopen přenášet energii, což v tradičním způsobu vyžaduje obvod elektrického vedení s několik kabelů mnohem větší tloušťky. Problémy bránící širokému použití jsou náklady na kabely a jejich údržbu – kapalný dusík je nutné neustále čerpat supravodivými vedeními. První komerční supravodivé přenosové vedení zprovoznila společnost American Superconductor na Long Islandu ve státě New York na konci června 2008 [28] . Energetické systémy Jižní Koreje měly do roku 2015 vytvořit supravodivé elektrické vedení o celkové délce 3000 km [29] .
Důležitou aplikaci nachází v miniaturních supravodivých prstencových zařízeních - SQUID , jejichž činnost je založena na vztahu mezi změnami magnetického toku a napětí. Jsou součástí supersenzitivních magnetometrů, které měří magnetické pole Země , a používají se i v medicíně k získávání magnetogramů různých orgánů [30] .
Supravodiče se také používají v maglevech .
U kryotronů se využívá jevu závislosti teploty přechodu do supravodivého stavu na velikosti magnetického pole - řízené odpory.
V SSSR vznikly na počátku 80. let turbogenerátory KGT-20 a KGT-1000 na bázi supravodičů [31] , [32] . Později byl v Leningradském institutu elektrotechniky vytvořen první kryogenní turbogenerátor na světě o výkonu 20 MW (po ukončení testování byl zařazen do energetické soustavy Leningradu) [33] .
Slibným směrem je vytváření supravodivých elektrických strojů .
Slovníky a encyklopedie | ||||
---|---|---|---|---|
|
Termodynamické stavy látek | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fázové stavy |
| ||||||||||||||||
Fázové přechody |
| ||||||||||||||||
Disperzní systémy | |||||||||||||||||
viz také |