Tinjauan singkat tentang teori superkonduktivitas dan masalah superkonduktivitas suhu tinggi dianalisis. Ensiklopedia sekolah Apa yang dimaksud dengan fenomena superkonduktivitas
Superkonduktivitas - sifat beberapa bahan yang mempunyai hambatan listrik nol ketika mencapai suhu di bawah nilai tertentu (suhu kritis). Beberapa lusin elemen murni, paduan dan keramik diketahui berubah menjadi keadaan superkonduktor. Superkonduktivitas adalah fenomena kuantum. Hal ini juga ditandai dengan efek Meissner, yang terdiri dari perpindahan total medan magnet dari volume superkonduktor. Adanya efek ini menunjukkan bahwa superkonduktivitas tidak dapat digambarkan hanya sebagai konduktivitas ideal dalam pengertian klasik.
Pembukaan pada tahun 1986-1993. sejumlah superkonduktor suhu tinggi (HTSC) telah jauh melampaui batas suhu superkonduktivitas dan memungkinkan penggunaan bahan superkonduktor secara praktis tidak hanya pada suhu helium cair (4,2 K), tetapi juga pada titik didih cairan. nitrogen (77 K), cairan kriogenik yang jauh lebih murah.
Video Youtube
Sejarah penemuan
Dasar penemuan fenomena superkonduktivitas adalah pengembangan teknologi untuk mendinginkan material hingga suhu sangat rendah. Pada tahun 1877, insinyur Perancis Louis Cayette dan fisikawan Swiss Raoul Pictet secara independen mendinginkan oksigen menjadi cair. Pada tahun 1883, Zygmunt Wróblewski dan Karol Olszewski mencairkan nitrogen. Pada tahun 1898, James Dewar berhasil memperoleh hidrogen cair.
Pada tahun 1893, fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes mulai mempelajari masalah suhu sangat rendah. Ia berhasil menciptakan laboratorium kriogenik terbaik di dunia, di mana ia memperoleh helium cair pada 10 Juli 1908. Belakangan ia berhasil menaikkan suhunya hingga 1 derajat Kelvin. Kamerlingh Onnes menggunakan helium cair untuk mempelajari sifat-sifat logam, khususnya untuk mengukur ketergantungan hambatan listriknya terhadap suhu. Menurut teori klasik yang ada pada saat itu, resistansi akan turun secara bertahap seiring dengan menurunnya suhu, namun ada juga yang berpendapat bahwa pada suhu yang terlalu rendah, elektron akan berhenti dan berhenti menghantarkan arus sama sekali. Eksperimen yang dilakukan oleh Kamerlingh Onnes dengan asistennya Cornelis Dorsman dan Gilles Holst pada awalnya menegaskan kesimpulan tentang penurunan resistensi secara bertahap. Namun, pada tanggal 8 April 1911, ia secara tak terduga menemukan bahwa pada suhu 3 derajat Kelvin (sekitar −270 °C), hambatan listrik merkuri praktis nol. Eksperimen berikutnya, yang dilakukan pada tanggal 11 Mei, menunjukkan bahwa lonjakan tajam resistensi terhadap nol terjadi pada suhu sekitar 4,2 K (kemudian, pengukuran yang lebih akurat menunjukkan bahwa suhu tersebut adalah 4,15 K). Efek ini benar-benar tidak terduga dan tidak dapat dijelaskan oleh teori-teori yang ada saat itu.
Pada tahun 1912, dua logam lagi ditemukan yang berubah menjadi superkonduktor pada suhu rendah: timbal dan timah. Pada bulan Januari 1914, ditunjukkan bahwa superkonduktivitas dihancurkan oleh medan magnet yang kuat. Pada tahun 1919, ditemukan bahwa talium dan uranium juga merupakan superkonduktor.
Resistansi nol bukan satu-satunya ciri khas superkonduktivitas. Salah satu perbedaan utama antara superkonduktor dan konduktor ideal adalah efek Meissner, yang ditemukan oleh Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld pada tahun 1933.
Penjelasan teoritis pertama tentang superkonduktivitas diberikan pada tahun 1935 oleh Fritz dan Heinz London. Teori yang lebih umum dibangun pada tahun 1950 oleh L. D. Landau dan V. L. Ginzburg. Teori ini telah tersebar luas dan dikenal sebagai teori Ginzburg-Landau. Namun, teori-teori ini bersifat fenomenologis dan tidak mengungkapkan mekanisme superkonduktivitas secara rinci. Superkonduktivitas pertama kali dijelaskan pada tingkat mikroskopis pada tahun 1957 dalam karya fisikawan Amerika John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer. Elemen sentral dari teori mereka, yang disebut teori BCS, adalah pasangan elektron Cooper.
Belakangan diketahui bahwa superkonduktor dibagi menjadi dua keluarga besar: superkonduktor tipe I (yang khususnya termasuk merkuri) dan tipe II (yang biasanya merupakan paduan logam yang berbeda). Karya L.V. Shubnikov pada tahun 1930-an dan A.A. Abrikosov pada tahun 1950-an memainkan peran penting dalam penemuan superkonduktivitas tipe II.
Yang sangat penting untuk aplikasi praktis dalam elektromagnet berdaya tinggi adalah penemuan superkonduktor pada tahun 1950-an yang dapat menahan medan magnet yang kuat dan membawa kepadatan arus yang tinggi. Maka pada tahun 1960, di bawah pimpinan J. Künzler, ditemukan material Nb3Sn, sebuah kawat yang mampu mengalirkan arus dengan kepadatan hingga 100 kA/cm² pada suhu 4,2 K, berada dalam medan magnet. bidang 8,8 T.
Pada tahun 1962, fisikawan Inggris Brian Josephson menemukan efek yang mendapatkan namanya.
Pada tahun 1986, Karl Müller dan Georg Bednorz menemukan superkonduktor jenis baru, yang disebut superkonduktor suhu tinggi. Pada awal tahun 1987, terlihat bahwa senyawa lantanum, strontium, tembaga dan oksigen (La-Sr-Cu-O) mengalami lonjakan konduktivitas hingga hampir nol pada suhu 36 K. Pada awal Maret 1987, diperoleh superkonduktor. untuk pertama kalinya pada suhu di atas titik didih nitrogen cair (77,4 K): ditemukan bahwa senyawa yttrium, barium, tembaga dan oksigen (Y-Ba-Cu-O) memiliki sifat ini. Pada tanggal 1 Januari 2006, rekor tersebut dimiliki oleh senyawa keramik Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), yang ditemukan pada tahun 2003, suhu kritisnya adalah 138 K. Selain itu, pada tekanan 400 kbar, senyawa yang sama adalah superkonduktor pada suhu hingga 166 K.
Video Youtube
Transisi fase ke keadaan superkonduktor
Kisaran suhu transisi ke keadaan superkonduktor untuk sampel murni tidak melebihi seperseribu Kelvin dan oleh karena itu nilai Tc tertentu - suhu transisi ke keadaan superkonduktor - masuk akal. Nilai ini disebut suhu transisi kritis. Lebar interval transisi bergantung pada heterogenitas logam, terutama pada adanya pengotor dan tekanan internal. Suhu Tc yang diketahui saat ini bervariasi dari 0,0005 K untuk magnesium (Mg) hingga 23,2 K untuk senyawa intermetalik niobium dan germanium (Nb3Ge, dalam film) dan 39 K untuk magnesium diborida (MgB2) untuk superkonduktor suhu rendah (Tc di bawah 77 K , titik didih nitrogen cair), hingga sekitar 135 K untuk superkonduktor suhu tinggi yang mengandung merkuri. Saat ini, fase HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) memiliki nilai suhu kritis tertinggi yang diketahui - 135 K, dan pada tekanan eksternal 350 ribu atmosfer, suhu transisi meningkat menjadi 164 K, yaitu hanya 19 K lebih rendah dari suhu minimum yang tercatat dalam kondisi alami di permukaan bumi. Dengan demikian, superkonduktor dalam perkembangannya telah berubah dari logam merkuri (4,15 K) menjadi superkonduktor suhu tinggi yang mengandung merkuri (164 K).
Transisi suatu zat ke keadaan superkonduktor disertai dengan perubahan sifat termalnya. Namun perubahan ini bergantung pada jenis superkonduktor yang dimaksud. Jadi, untuk superkonduktor tipe I tanpa adanya medan magnet pada suhu transisi Tc, panas transisi (penyerapan atau pelepasan) menjadi nol, dan oleh karena itu mengalami lonjakan kapasitas panas, yang merupakan karakteristik transisi fase tipe II. . Ketergantungan kapasitas panas pada suhu subsistem elektronik superkonduktor menunjukkan adanya kesenjangan energi dalam distribusi elektron antara keadaan dasar superkonduktor dan tingkat eksitasi dasar. Ketika transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal dilakukan dengan mengubah medan magnet yang diterapkan, maka panas harus diserap (misalnya, jika sampel diisolasi secara termal, maka suhunya menurun). Dan ini sesuai dengan transisi fase orde pertama. Untuk superkonduktor tipe II, transisi dari superkonduktor ke keadaan normal dalam kondisi apapun akan menjadi transisi fase tipe II.
Efek Meissner
Sifat yang lebih penting dari superkonduktor daripada hambatan listrik nol adalah apa yang disebut efek Meissner, yang terdiri dari superkonduktor yang mendorong fluks magnet rotB = 0. Dari pengamatan eksperimental ini, disimpulkan bahwa terdapat arus kontinu di dalam superkonduktor, yang menciptakan medan magnet internal yang berlawanan dengan medan magnet eksternal yang diterapkan dan mengimbanginya.
Medan magnet yang cukup kuat pada suhu tertentu menghancurkan keadaan superkonduktor suatu zat. Medan magnet dengan intensitas Hc, yang pada suhu tertentu menyebabkan peralihan suatu zat dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal, disebut medan kritis. Ketika suhu superkonduktor menurun, nilai Hc meningkat. Ketergantungan medan kritis pada suhu dijelaskan dengan akurasi yang baik melalui ekspresi
dimana Hc0 adalah medan kritis pada suhu nol. Superkonduktivitas juga hilang ketika arus listrik dengan kepadatan lebih besar dari arus kritis dilewatkan melalui superkonduktor, karena hal ini menciptakan medan magnet yang lebih besar dari medan magnet kritis.
momen London
Superkonduktor yang berputar menghasilkan medan magnet yang sejajar dengan sumbu rotasi, momen magnet yang dihasilkan disebut “momen London”. Ini digunakan, khususnya, dalam satelit ilmiah Gravity Probe B, di mana medan magnet dari empat giroskop superkonduktor diukur untuk menentukan sumbu rotasinya. Karena rotor giroskop berbentuk bola yang hampir mulus sempurna, menggunakan momen London adalah salah satu dari sedikit cara untuk menentukan sumbu rotasinya.
Penerapan Superkonduktivitas
Fenomena superkonduktivitas digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat, karena tidak ada kehilangan panas ketika arus kuat melewati superkonduktor sehingga menimbulkan medan magnet yang kuat. Namun, karena medan magnet menghancurkan keadaan superkonduktivitas, apa yang disebut medan magnet digunakan untuk memperoleh medan magnet yang kuat. Superkonduktor tipe II, di mana superkonduktivitas dan medan magnet dapat hidup berdampingan. Dalam superkonduktor seperti itu, medan magnet menyebabkan munculnya benang tipis logam normal yang menembus sampel, yang masing-masing membawa kuantum fluks magnet. Substansi di antara benang-benang tersebut tetap bersifat superkonduktor. Karena tidak ada efek Meissner penuh dalam superkonduktor tipe II, superkonduktivitas ada hingga nilai medan magnet Hc2 yang jauh lebih tinggi.
Ada detektor foton berdasarkan superkonduktor. Ada yang menggunakan keberadaan arus kritis, ada juga yang menggunakan efek Josephson, refleksi Andreev, dll. Jadi, ada detektor foton tunggal superkonduktor (SSPD) untuk merekam foton tunggal dalam rentang IR, yang memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan detektor. dari kisaran yang sama (PMT, dll.) menggunakan metode registrasi lainnya.
Vortex pada superkonduktor tipe II dapat digunakan sebagai sel memori. Beberapa soliton magnetik telah menemukan aplikasi serupa. Ada juga soliton magnetik dua dan tiga dimensi yang lebih kompleks, mengingatkan pada pusaran dalam cairan, hanya peran garis arus di dalamnya yang dimainkan oleh garis di mana magnet dasar (domain) berbaris.
Elektron dalam logam
Penemuan efek isotop berarti bahwa superkonduktivitas kemungkinan besar disebabkan oleh interaksi antara elektron konduksi dan atom dalam kisi kristal. Untuk mengetahui bagaimana hal ini menyebabkan superkonduktivitas, kita perlu melihat struktur logamnya. Seperti semua padatan kristal, logam terdiri dari atom bermuatan positif yang tersusun dalam ruang dalam urutan yang ketat. Urutan penempatan atom dapat dibandingkan dengan pola berulang pada kertas dinding, namun pola tersebut harus berulang dalam tiga dimensi. Elektron konduksi bergerak di antara atom-atom kristal dengan kecepatan berkisar antara 0,01 hingga 0,001 kecepatan cahaya; gerakannya adalah arus listrik.
Isi artikel
SUPERKONDUKTIFITAS, suatu keadaan di mana beberapa zat padat penghantar listrik berubah pada suhu rendah. Superkonduktivitas telah ditemukan pada banyak logam dan paduan serta pada semakin banyak bahan semikonduktor dan keramik. Dua fenomena paling mengejutkan yang diamati pada materi superkonduktor adalah hilangnya hambatan listrik pada superkonduktor dan keluarnya fluks magnet ( cm. di bawah) dari volumenya. Efek pertama ditafsirkan oleh para peneliti awal sebagai bukti konduktivitas listrik yang sangat besar, oleh karena itu dinamakan superkonduktivitas.
Hilangnya hambatan listrik dapat ditunjukkan dengan menggairahkan arus listrik pada cincin bahan superkonduktor. Jika cincin didinginkan hingga suhu yang diperlukan, maka arus dalam cincin akan tetap ada tanpa batas waktu bahkan setelah sumber arus yang menyebabkannya dihilangkan. Fluks magnet adalah sekumpulan garis gaya magnet yang membentuk medan magnet. Ketika kekuatan medan berada di bawah nilai kritis tertentu, fluks didorong keluar dari superkonduktor, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1.
Benda padat yang menghantarkan listrik adalah kisi kristal tempat elektron dapat bergerak. Kisi dibentuk oleh atom-atom yang tersusun dalam urutan geometris yang benar, dan elektron yang bergerak adalah elektron dari kulit terluar atom. Karena aliran elektron merupakan arus listrik, maka elektron tersebut disebut elektron konduksi. Jika konduktor berada dalam keadaan normal (non-superkonduktor), maka setiap elektron bergerak secara independen satu sama lain. Kemampuan setiap elektron untuk bergerak dan mempertahankan arus listrik dibatasi oleh tumbukannya dengan kisi serta atom pengotor dalam padatan. Agar arus elektron ada dalam suatu konduktor, suatu tegangan harus diberikan padanya; ini berarti konduktor mempunyai hambatan listrik. Jika konduktor berada dalam keadaan superkonduktor, maka elektron konduksi bergabung menjadi satu keadaan yang tertata secara makroskopis, di mana mereka berperilaku sebagai “kolektif”; Seluruh “tim” juga bereaksi terhadap pengaruh eksternal. Tabrakan antara elektron dan kisi menjadi tidak mungkin, dan arus, setelah dihasilkan, akan ada tanpa adanya sumber arus eksternal (tegangan). Keadaan superkonduktor terjadi secara tiba-tiba pada suhu yang disebut suhu transisi. Di atas suhu ini, logam atau semikonduktor berada dalam keadaan normal, dan di bawahnya - dalam keadaan superkonduktor. Suhu transisi suatu zat ditentukan oleh hubungan antara dua “kekuatan yang berlawanan”: yang satu cenderung mengatur elektron, dan yang lain cenderung menghancurkan tatanan ini. Misalnya, kecenderungan keteraturan pada logam seperti tembaga, emas, dan perak sangat kecil sehingga unsur-unsur ini tidak menjadi superkonduktor bahkan pada suhu hanya sepersejuta kelvin di atas nol mutlak. Nol mutlak (0 K, –273,16° C) adalah batas suhu bawah suatu zat kehilangan seluruh panasnya. Logam dan paduan lainnya memiliki suhu transisi berkisar antara 0,000325 hingga 23,2 K ( lihat tabel). Pada tahun 1986, superkonduktor diciptakan dari bahan keramik dengan suhu transisi yang sangat tinggi. Jadi, untuk sampel keramik YBa 2 Cu 3 O 7 suhu transisi melebihi 90 K.
Fisikawan menyebut keadaan superkonduktor sebagai keadaan mekanika kuantum makroskopis. Mekanika kuantum, yang biasanya digunakan untuk menggambarkan perilaku materi pada skala mikroskopis, di sini diterapkan pada skala makroskopis. Justru fakta bahwa mekanika kuantum di sini memungkinkan untuk menjelaskan sifat makroskopis materi yang membuat superkonduktivitas menjadi fenomena yang menarik.
Pembukaan.
Banyak informasi tentang logam berasal dari hubungan antara tegangan eksternal dan arus yang ditimbulkannya. Secara umum hubungan ini berbentuk kesetaraan V/SAYA = R, Di mana V- tegangan, SAYA– saat ini, dan R- hambatan listrik. Menurut hukum ini (hukum Ohm), arus listrik sebanding dengan tegangan pada nilai berapa pun R, yang merupakan koefisien proporsionalitas.
Resistansi biasanya tidak bergantung pada arus, namun bergantung pada suhu. Setelah memperoleh helium cair pada tahun 1908, G. Kamerlingh-Onnes dari Universitas Leiden (Belanda) mulai mengukur ketahanan merkuri murni yang direndam dalam helium cair dan menemukan (1911) bahwa pada suhu helium cair, ketahanan merkuri turun menjadi nol. Belakangan diketahui bahwa banyak logam dan paduan lain juga menjadi superkonduktor pada suhu rendah.
Penemuan penting berikutnya dilakukan pada tahun 1933 oleh fisikawan Jerman W. Meissner dan kolaboratornya R. Ochsenfeld. Mereka menemukan bahwa jika sampel silinder ditempatkan dalam medan magnet memanjang dan didinginkan di bawah suhu transisi, fluks magnet akan dikeluarkan sepenuhnya. Efek Meissner, demikian sebutan fenomena ini, merupakan penemuan penting karena menjelaskan kepada fisikawan bahwa superkonduktivitas adalah fenomena mekanika kuantum. Jika superkonduktivitas hanya berupa hilangnya hambatan listrik, maka hal ini dapat dijelaskan dengan hukum fisika klasik.
SIFAT-SIFAT SUPERKONDUKTOR
Dalam literatur fisika, zat atau bahan yang dalam kondisi berbeda dapat berada dalam keadaan superkonduktor atau non-superkonduktor sering disebut superkonduktor. Logam, paduan, atau semikonduktor sederhana (terdiri dari atom yang identik) yang sama dapat menjadi superkonduktor dalam rentang suhu atau medan magnet eksternal tertentu; pada suhu atau bidang dengan nilai kritis yang lebih tinggi, itu adalah konduktor biasa (biasanya disebut normal).
Setelah ditemukannya efek Meissner, sejumlah besar percobaan dilakukan dengan superkonduktor. Di antara properti yang dipelajari adalah:
1) Medan magnet kritis - nilai medan di atas mana superkonduktor berada dalam keadaan normal. Medan kritis biasanya berkisar dari beberapa puluh gauss hingga beberapa ratus ribu gauss, bergantung pada superkonduktor dan keadaan metalofisikanya. Medan kritis superkonduktor tertentu bervariasi terhadap suhu, menurun seiring kenaikan suhu. Pada suhu transisi, medan kritisnya nol, dan pada nol mutlak, medan kritisnya maksimum (Gbr. 2).
2) Arus kritis - arus searah maksimum yang dapat ditahan oleh superkonduktor tanpa kehilangan keadaan superkonduktor. Seperti medan magnet kritis, arus kritis sangat bergantung pada suhu, dan semakin berkurang seiring meningkatnya suhu.
3) Kedalaman penetrasi - jarak penetrasi fluks magnet ke dalam superkonduktor. Kedalaman penetrasi ternyata merupakan fungsi suhu dan bervariasi pada bahan yang berbeda: dari 3H 10 –6 hingga 2H 10 –5 cm. Fluks magnet didorong keluar dari superkonduktor oleh arus yang bersirkulasi di lapisan permukaan, yang ketebalannya kira-kira sama dengan kedalaman penetrasi.
Untuk memahami mengapa fluks magnet didorong keluar, mis. Apa penyebab efek Meissner, perlu kita ingat bahwa semua sistem fisik cenderung pada keadaan dengan energi minimal. Medan magnet mempunyai sejumlah energi. Energi superkonduktor meningkat dalam medan magnet. Namun berkurang lagi karena timbul arus di lapisan permukaan superkonduktor. Arus ini menciptakan medan magnet yang mengimbangi medan yang diterapkan dari luar. Energi superkonduktor lebih tinggi dibandingkan tanpa adanya medan magnet luar, tetapi lebih rendah dibandingkan jika medan menembus ke dalamnya.
Pengusiran fluks magnet secara menyeluruh tidak bermanfaat secara energi untuk semua superkonduktor. Pada beberapa material, keadaan energi minimum dalam medan magnet dicapai jika beberapa garis fluks magnet menembus sebagian material, membentuk mosaik daerah superkonduktor yang tidak memiliki medan magnet dan daerah normal yang terdapat medan magnet.
4) Panjang koherensi - jarak interaksi elektron satu sama lain, menciptakan keadaan superkonduktor. Elektron dalam panjang koherensi bergerak secara serempak - secara koheren (seolah-olah “selangkah”). Panjang koherensi untuk superkonduktor yang berbeda bervariasi dari 5×10–7 hingga 10–4 cm. Keberadaan panjang koherensi yang besar (jauh lebih besar dari dimensi atom sekitar 10–8 cm) dikaitkan dengan sifat superkonduktor yang tidak biasa.
5) Kapasitas kalor jenis - jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g suatu zat sebesar 1 K. Kapasitas kalor jenis superkonduktor meningkat tajam mendekati suhu transisi ke keadaan superkonduktor, dan menurun cukup cepat seiring dengan penurunan suhu. Jadi, di daerah transisi, untuk meningkatkan suhu suatu zat dalam keadaan superkonduktor, diperlukan lebih banyak panas daripada dalam keadaan normal, dan pada suhu yang sangat rendah, yang terjadi adalah sebaliknya. Karena kapasitas panas spesifik ditentukan terutama oleh elektron konduksi, fenomena ini menunjukkan bahwa keadaan elektron sedang berubah.
TEORI SUPERKONDUKTIFITAS
Sebelum tahun 1957, sebagian besar upaya untuk menjelaskan data eksperimen bersifat fenomenologis: didasarkan pada asumsi yang dibuat-buat atau modifikasi longgar terhadap teori yang ada dan bertujuan untuk mencapai kesepakatan dengan eksperimen. Contoh upaya tipe pertama adalah model dua fluida, yang mendalilkan bahwa pada suhu transisi, beberapa elektron konduksi memperoleh kemampuan untuk bergerak tanpa mengalami hambatan. Model ini menjelaskan ketergantungan suhu medan kritis, arus kritis, dan kedalaman penetrasi, tetapi tidak memberikan pemahaman fisik apa pun terhadap fenomena itu sendiri, karena tidak menjelaskan superkonduktivitas parsial tersebut.
Kemajuan dicapai pada tahun 1935, ketika fisikawan teoretis, saudara F. dan G. London, mengusulkan untuk mempertimbangkan superkonduktivitas sebagai efek kuantum makroskopis. (Sebelumnya, hanya efek kuantum yang diketahui yang diamati pada skala atom - pada urutan 10 -8 cm.) Bangsa London memodifikasi persamaan klasik elektromagnetisme sedemikian rupa sehingga menghasilkan efek Meissner, konduktivitas tak terbatas, dan penetrasi terbatas kedalaman. Pada awal tahun 1950-an, A. Pippard dari Universitas Cambridge menunjukkan bahwa keadaan kuantum tersebut sebenarnya bersifat makroskopis, mencakup jarak hingga 10 –4 cm, yaitu. 10.000 kali jari-jari atom.
Meskipun upaya ini penting, upaya ini tidak menyentuh inti interaksi mendasar yang mendorong superkonduktivitas. Beberapa indikasi sifat interaksi ini muncul pada awal tahun 1950-an, ketika ditemukan bahwa suhu transisi superkonduktor logam yang terbuat dari isotop berbeda dari unsur yang sama tidaklah sama. Ternyata semakin tinggi massa atom, semakin rendah suhu transisinya. (Isotop dari unsur yang sama memiliki jumlah elektron yang sama, tetapi massa inti berbeda.) Efek isotop menunjukkan bahwa suhu transisi bergantung pada massa atom kisi kristal dan, oleh karena itu, superkonduktivitas bukanlah efek elektronik murni.
Elektron dalam logam.
Penemuan efek isotop berarti bahwa superkonduktivitas kemungkinan besar disebabkan oleh interaksi antara elektron konduksi dan atom dalam kisi kristal. Untuk mengetahui bagaimana hal ini menyebabkan superkonduktivitas, kita perlu melihat struktur logamnya. Seperti semua padatan kristal, logam terdiri dari atom bermuatan positif yang tersusun dalam ruang dalam urutan yang ketat. Urutan penempatan atom dapat dibandingkan dengan pola berulang pada kertas dinding, namun pola tersebut harus berulang dalam tiga dimensi. Elektron konduksi bergerak di antara atom-atom kristal dengan kecepatan berkisar antara 0,01 hingga 0,001 kecepatan cahaya; gerakannya adalah arus listrik.
Teori Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS).
Pada tahun 1956 L. Cooper dari Universitas St. Illinois menunjukkan bahwa jika elektron tertarik satu sama lain, tidak peduli seberapa lemah daya tariknya, mereka harus “berkondensasi” menjadi keadaan terikat. Dapat diasumsikan bahwa keadaan terikat ini adalah keadaan superkonduktor yang dicari. Seperti yang dibayangkan Cooper, tarik-menarik seperti itu mungkin terjadi antara dua elektron dan akan mengarah pada pembentukan pasangan terikat (disebut pasangan Cooper) yang bergerak dalam kisi kristal.
Namun pada tahun 1950, G. Froelich mengemukakan bahwa elektron dapat tertarik satu sama lain karena interaksi dengan atom kisi. Mekanisme tarik-menarik ini disebut interaksi elektron-fonon; itu adalah sebagai berikut. Sebuah elektron yang bergerak dalam kisi kristal tampaknya mendistorsinya. Hal ini disebabkan oleh interaksi antara elektron bermuatan negatif dan atom kisi bermuatan positif. Sebuah elektron yang bergerak melalui kisi “menyatukan” atom-atomnya. Elektron kedua kemudian ditarik ke dalam "daerah terbatas" di bawah pengaruh muatan positif yang meningkat. Energi elektron pertama, yang dikeluarkan untuk “deformasi kisi”, ditransfer tanpa kehilangan ke anggota kedua dari pasangan Cooper. Pasangan seperti itu bergerak sepanjang kisi, bertukar energi melalui atom-atom dalam kisi, tetapi tanpa kehilangan energinya secara keseluruhan (Gbr. 3).
Interaksi ini agak mirip dengan perilaku dua bola berat pada membran karet. Ketika satu bola menggelinding, ia membengkokkan membran sehingga bola kedua mengikuti jejaknya. Elektron, yang bermuatan sama, tidak seperti bola, saling tolak menolak. Namun, tolakan timbal balik ini kuat hanya ketika elektron-elektron tersebut sangat dekat satu sama lain, dan dengan cepat berkurang ketika elektron-elektron tersebut menjauh. Dalam interaksi yang melibatkan kisi, atau interaksi elektron-fonon, jarak elektron satu sama lain cukup jauh (pada jarak orde 5×10 –7 –10 –4 cm). Pada jarak seperti itu, tolakan elektron lebih kecil dibandingkan interaksi elektron-fonon, sehingga elektron tertarik satu sama lain secara efektif. (Fonon adalah kuantum energi getaran kisi kristal.)
Sampai saat ini, kita hanya mempertimbangkan satu pasangan Cooper, padahal kenyataannya terdapat sekitar 10 20 pasangan Cooper dalam 1 cm3 materi. Sangat mudah untuk membayangkan bahwa distorsi kisi yang diciptakan oleh salah satu pasangan Cooper dapat mengganggu daya tarik pasangan lainnya. Pada tahun 1957, J. Bardeen, L. Cooper dan J. Schrieffer mengajukan apa yang disebut teori BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer), dan mereka dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 1972. Menurut teori ini, pasangan-pasangan membentuk keadaan koheren yang semuanya mempunyai momentum yang sama. Elektron koheren ini dikatakan berada dalam keadaan kuantum tunggal; mereka membentuk apa yang disebut cairan kuantum, atau superfluida. Koherensi elektron dalam skala besar ini merupakan demonstrasi makroskopis prinsip kuantum yang luar biasa.
Teori BCS menjelaskan banyak sifat superkonduktor yang telah kita bahas. Elektron dalam superkonduktor masuk ke keadaan kolektif sedemikian rupa sehingga energi potensialnya menjadi minimal. Bergerak bersama, elektron tertarik satu sama lain melalui mekanisme interaksi elektron-fonon, dan energi potensial sistem ternyata lebih kecil dibandingkan dengan dua elektron yang tidak saling tarik menarik. Superkonduktor dalam keadaan kolektif mampu melawan efek peningkatan energi dari arus atau medan magnet; Ini menyiratkan ketergantungan suhu dari arus kritis dan medan. Di atas suhu transisi, elektron memiliki terlalu banyak energi panas dan menjadi “tereksitasi”, yaitu. transisi dari keadaan superkonduktor berenergi rendah ke keadaan normal dengan energi lebih tinggi.
Efek isotop dijelaskan oleh fakta bahwa pada isotop yang lebih ringan, kisi “terganggu” dengan energi yang lebih sedikit. Kisi isotop yang lebih berat lebih sulit diubah bentuknya, dan oleh karena itu transisi ke superkonduktivitas terjadi pada suhu yang lebih rendah. Teori BCS juga menjelaskan mengapa konduktor yang baik seperti tembaga dan emas bukanlah superkonduktor. Elektron konduksi dalam zat ini dengan mudah melewati kisi atom, hampir tanpa berinteraksi dengannya. Hal ini menjadikan bahan tersebut sebagai konduktor listrik yang baik karena bahan tersebut kehilangan sedikit energi akibat hamburan kisi. Untuk mencapai keadaan superkonduktor, diperlukan interaksi yang kuat antara atom kisi dan elektron. Oleh karena itu, penghantar listrik yang sangat baik biasanya bukanlah superkonduktor.
Superkonduktor jenis 1 dan 2.
Berdasarkan perilakunya dalam medan magnet, superkonduktor dibedakan menjadi superkonduktor tipe 1 dan tipe 2. Superkonduktor tipe 1 menunjukkan sifat ideal yang telah dibahas. Dengan adanya medan magnet, arus muncul di lapisan permukaan superkonduktor, yang sepenuhnya mengkompensasi medan eksternal pada ketebalan sampel. Jika superkonduktor berbentuk silinder panjang dan berada dalam medan yang sejajar dengan sumbunya, maka kedalaman penetrasi dapat berkisar 3×10–6 cm. Ketika medan kritis tercapai, superkonduktivitas menghilang dan medan tersebut sepenuhnya menembus ke dalam materi. Bidang kritis untuk superkonduktor tipe 1 biasanya berkisar antara 100 hingga 800 Gas. Meskipun superkonduktor tipe 1 memiliki kedalaman penetrasi yang dangkal, mereka memiliki panjang koherensi yang besar - sekitar 10 -4 cm.
Superkonduktor tipe 2 dicirikan oleh kedalaman penetrasi yang besar (sekitar 2×10–5 cm) dan panjang koherensi yang pendek (5×10–7 cm). Dengan adanya medan magnet yang lemah (kurang dari 500 Gauss), semua fluks magnet terdorong keluar dari superkonduktor tipe 2. Tapi lebih tinggi N s 1 – medan kritis pertama – fluks magnet menembus sampel, meskipun pada tingkat yang lebih rendah dibandingkan keadaan normal. Penetrasi parsial ini berlanjut hingga medan kritis kedua - N s 2, yang bisa melebihi 100 kG. Dengan ladang yang luas N s 2, aliran menembus sepenuhnya dan zat menjadi normal. Karakteristik berbagai superkonduktor disajikan pada tabel.
| SUHU DAN BIDANG KRITIS | |||
| Bahan | Suhu kritis, K | Bidang kritis (pada 0 K), G | |
| Superkonduktor tipe 1 | |||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| titanium | 0,39 | 60 | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Seng | 0,85 | 55 | |
| galium | 1,08 | 59 | |
| Talium | 2,37 | 180 | |
| India | 3,41 | 280 | |
| Timah | 3,72 | 305 | |
| Air raksa | 4,15 | 411 | |
| Memimpin | 7,19 | 803 | |
| Superkonduktor jenis ke-2 | Hc 1 | Hc 2 | |
| Niobium | 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* |
| * Diekstrapolasi ke nol mutlak. | |||
Efek Josephson.
Pada tahun 1962, B. Josephson, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Cambridge, memikirkan tentang apa yang akan terjadi jika dua superkonduktor didekatkan pada jarak beberapa angstrom, menyarankan agar pasangan Cooper, karena efek “tunneling”, berpindah dari satu superkonduktor ke superkonduktor lainnya pada tegangan nol.
Dua dampak luar biasa diperkirakan terjadi. Pertama, arus superkonduktor (non-dissipatif) dapat mengalir melalui kontak superkonduktor terowongan (persimpangan yang terdiri dari dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan dielektrik). Nilai kritis arus ini bergantung pada medan magnet luar. Kedua, jika arus yang melalui kontak melebihi arus persimpangan kritis, maka kontak tersebut menjadi sumber radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi. Efek pertama disebut efek Josephson stasioner, yang kedua disebut efek nonstasioner. Kedua efek tersebut diamati dengan jelas secara eksperimental. Secara khusus, osilasi arus superkonduktor maksimum yang melalui persimpangan diamati dengan meningkatnya medan magnet. Jika arus yang ditentukan oleh sumber eksternal melebihi nilai kritis, maka tegangan muncul di sambungan V, secara berkala tergantung waktu. Frekuensi osilasi tegangan tergantung pada seberapa besar arus yang melalui kontak melebihi nilai kritisnya.
Tentu saja, tidak mungkin mendekatkan dua superkonduktor pada jarak beberapa angstrom. Oleh karena itu, dalam percobaan, lapisan tipis bahan superkonduktor, seperti aluminium, disemprotkan ke substrat, kemudian dioksidasi dari permukaan hingga kedalaman beberapa angstrom, dan lapisan aluminium lainnya disemprotkan di atasnya. Ingatlah bahwa aluminium oksida adalah dielektrik. “Sandwich” semacam itu setara dengan dua superkonduktor yang terletak pada jarak beberapa angstrom satu sama lain.
Efek Josephson disebabkan oleh hubungan fasa antar elektron dalam keadaan superkonduktor. Telah dikatakan di atas bahwa inti dari keadaan superkonduktor adalah pergerakan koheren pasangan Cooper melalui kisi atom. Koherensi pasangan Cooper dalam superkonduktor ditentukan oleh fakta bahwa pasangan elektron bergerak “dalam fase.” Pasangan Cooper dari dua superkonduktor berbeda bergerak “keluar fase”. Dengan demikian, setiap prajurit dalam satu kompi berbaris dapat mengimbangi setiap prajurit lain dalam kompinya, tetapi tidak sejajar dengan prajurit dari kompi lainnya. Jika dua superkonduktor didekatkan, pasangan Cooper dapat menembus celah di antara keduanya. Selama penerowongan, fase pasangan Cooper berubah. Jika perubahan sedemikian rupa sehingga pasangan Cooper mulai mengimbangi pasangan di superkonduktor kedua, maka penerowongan dapat dilakukan. Inilah yang terjadi pada efek stasioner Josephson. Besarnya medan magnet menentukan pergeseran fasa yang diperoleh pasangan terowongan.
Efek transien Josephson terjadi ketika arus yang melalui persimpangan melebihi nilai kritis untuk efek Josephson keadaan tunak. Tegangan timbul antara dua superkonduktor, yang menyebabkan fase dalam dua superkonduktor berubah seiring waktu. Hal ini pada gilirannya menyebabkan arus terowongan berosilasi (dengan perubahan arahnya) sesuai dengan perubahan perbedaan fasa pada kedua superkonduktor.
APLIKASI
Dari tahun 1911 hingga 1986, banyak logam dan paduan superkonduktor diselidiki, tetapi suhu transisi tertinggi yang diukur adalah 23,2 K. Pendinginan hingga suhu ini memerlukan helium cair (4 He) yang mahal. Oleh karena itu, penerapan superkonduktivitas yang paling berhasil tetap pada tingkat eksperimen laboratorium, yang tidak memerlukan helium cair dalam jumlah besar.
Pada akhir tahun 1986, K. Müller (Swiss) dan J. Bednorz (Jerman), yang bekerja di laboratorium penelitian IBM di Zurich, menemukan bahwa konduktor keramik yang terbuat dari atom lantanum, barium, tembaga, dan oksigen memiliki suhu transisi ke suhu keadaan superkonduktor sebesar 35 K. Segera, kelompok penelitian di seluruh dunia memproduksi bahan keramik dengan suhu transisi 90 hingga 100 K, yang mampu menjadi superkonduktor yang tersisa (tipe 2, cm. lebih tinggi) di medan magnet hingga 200 kG.
Superkonduktor keramik sangat menjanjikan untuk aplikasi skala besar, terutama karena dapat dipelajari dan digunakan bila didinginkan dengan nitrogen cair yang relatif murah.
Aplikasi laboratorium.
Penerapan superkonduktivitas industri pertama adalah penciptaan magnet superkonduktor dengan medan kritis tinggi. Magnet superkonduktor yang terjangkau memungkinkan perolehan medan magnet di atas 100 kG pada pertengahan 1960-an, bahkan di laboratorium kecil. Sebelumnya, pembuatan medan seperti itu menggunakan elektromagnet konvensional memerlukan listrik dalam jumlah yang sangat besar untuk mempertahankan arus listrik pada belitan dan air dalam jumlah besar untuk mendinginkannya.
Penerapan praktis superkonduktivitas berikutnya berkaitan dengan teknologi perangkat elektronik sensitif. Sampel eksperimental perangkat dengan kontak Josephson dapat mendeteksi tegangan sekitar 10–15 W. Magnetometer yang mampu mendeteksi medan magnet dengan orde 10–9 Gauss digunakan dalam studi bahan magnetik, serta magnetokardiograf medis. Detektor variasi gravitasi yang sangat sensitif dapat digunakan di berbagai bidang geofisika.
Teknik superkonduktivitas dan khususnya kontak Josephson mempunyai dampak yang semakin besar terhadap metrologi. Menggunakan kontak Josephson, standar 1 V dibuat. Termometer primer juga dikembangkan untuk wilayah kriogenik, di mana transisi tajam pada zat tertentu digunakan untuk mendapatkan titik suhu referensi (konstan). Teknik baru ini digunakan dalam pembanding arus, pengukuran daya RF dan koefisien serapan, serta pengukuran frekuensi. Ini juga digunakan dalam penelitian mendasar, seperti mengukur muatan pecahan partikel atom dan menguji teori relativitas.
Superkonduktivitas akan banyak digunakan dalam teknologi komputer. Di sini, elemen superkonduktor dapat memberikan waktu peralihan yang sangat cepat, kehilangan daya yang dapat diabaikan saat menggunakan elemen film tipis, dan kepadatan pengepakan rangkaian volumetrik yang tinggi. Prototipe kontak Josephson film tipis sedang dikembangkan dalam sirkuit yang mengandung ratusan elemen logika dan memori.
Aplikasi industri.
Potensi aplikasi superkonduktivitas industri yang paling menarik melibatkan pembangkitan, transmisi dan penggunaan energi listrik. Misalnya, kabel superkonduktor berdiameter beberapa inci dapat mengalirkan listrik dalam jumlah yang sama dengan jaringan saluran transmisi listrik yang sangat besar, dengan kerugian yang sangat kecil atau tanpa kerugian sama sekali. Biaya isolasi dan pendinginan kriokonduktor harus diimbangi dengan efisiensi transfer energi. Dengan munculnya superkonduktor keramik yang didinginkan dengan nitrogen cair, transmisi daya menggunakan superkonduktor menjadi sangat menarik secara ekonomi.
Kemungkinan penerapan superkonduktor lainnya adalah pada generator arus kuat dan motor listrik kecil. Gulungan material superkonduktor dapat menciptakan medan magnet yang sangat besar pada generator dan motor listrik, menjadikannya jauh lebih bertenaga dibandingkan mesin konvensional. Prototipe telah lama dibuat, dan superkonduktor keramik dapat membuat mesin tersebut cukup ekonomis. Kemungkinan penggunaan magnet superkonduktor untuk menyimpan listrik, magnetohidrodinamika, dan untuk menghasilkan energi termonuklir juga sedang dipertimbangkan.
Para insinyur telah lama bertanya-tanya bagaimana medan magnet besar yang diciptakan oleh superkonduktor dapat digunakan pada kereta maglev (levitasi magnetik). Karena adanya gaya tolak-menolak antara magnet yang bergerak dan arus yang diinduksi dalam konduktor pemandu, kereta akan bergerak dengan lancar, tanpa kebisingan atau gesekan, dan akan mampu mencapai kecepatan yang sangat tinggi. Kereta maglev eksperimental di Jepang dan Jerman telah mencapai kecepatan mendekati 300 km/jam.
Untuk melakukan ini, kita mungkin harus mengingat beberapa tanggal dan mulai dari tahun 1911, ketika fisikawan Belanda Kamerlingh-Onkes menemukan fenomena baru superkonduktivitas di Laboratorium Leiden. Kemudian dia menjadi orang pertama yang mencapai suhu sangat rendah dan mengubah helium menjadi cair pada suhu minus 269 derajat. Akhirnya, dimungkinkan untuk mendinginkan zat dalam helium cair dan mempelajari sifat-sifatnya dalam kisaran suhu yang benar-benar baru dan kini dapat diakses.
Pada saat itu, banyak yang percaya (Onnes juga memiliki pendapat yang sama) bahwa ketika suhu mendekati -273 derajat, hambatan listrik seseorang akan turun ke nol. Betapa menggodanya untuk akhirnya memeriksanya! Namun konfirmasi tidak berhasil. Mungkin kotoran yang harus disalahkan? Onnes menemukan merkuri sebagai logam yang cocok untuk diperiksa dalam keadaan sangat murni. Dan memang - seperti yang diperkirakan oleh teori elektronik logam - ketahanan merkuri secara alami menurun seiring dengan menurunnya suhu. Semuanya berjalan baik-baik saja sampai empat derajat, ketika tiba-tiba perlawanannya hilang sama sekali. Tiba-tiba menghilang, sekaligus – tiba-tiba.
Namun, Omnes menyikapinya dengan cukup tenang. Dia menganggap ini sebagai konfirmasi atas teorinya tentang hambatan listrik dan menyebut keadaan baru merkuri yang dia temukan sebagai “superkonduktor.” Namun segera menjadi jelas bahwa lompatan paradoks dalam resistensi terhadap angka nol tidak dapat dijelaskan oleh teori apa pun dan bahwa Onnes menemukan sesuatu yang sama sekali berbeda dari apa yang diharapkannya.
Apa yang bisa berubah pada logam, mengapa pada suhu tertentu (Onnes menyebutnya kritis) tidak ada yang menghalangi pergerakan elektron, mengapa elektron berhenti berinteraksi dengan atom-atom kisi kristal, atau, seperti yang dikatakan fisikawan, berhenti tersebar di kisi-kisi getaran?
Atau mungkin hambatan suatu zat masih ada, hanya menjadi sangat kecil bahkan tidak dapat diukur? Baik Onnes sendiri maupun banyak peneliti mencoba “menangkap” sisa resistensi ini. Mereka menggunakan metode paling sensitif untuk memperkirakan nilai resistansi dari redaman arus listrik pada cincin superkonduktor. Eksperimen ini berlanjut hingga baru-baru ini dan mencapai puncaknya pada eksperimen Collins yang terkenal, di mana cincin timbal superkonduktor dengan arus listrik disimpan dalam helium cair selama sekitar tiga tahun.
Metode yang paling sensitif tidak mendeteksi penurunan arus. Ini berarti tidak hanya konduktivitas listrik yang baik, tetapi juga superkonduktivitas. Percobaan tidak perlu dilanjutkan: percobaan ini menunjukkan bahwa “resistensi” superkonduktor setidaknya satu miliar kali lebih kecil dibandingkan tembaga murni.
22 tahun berlalu sebelum satu detik pun, penemuan yang tidak kalah mencengangkan pun terjadi. Ternyata superkonduktivitas bukan hanya “konduktivitas ideal”, tetapi juga “diamagnetisme ideal”. Ingatlah bahwa zat diamagnetik adalah zat yang “bertentangan” dengan medan magnet. Ditempatkan dalam medan magnet, mereka cenderung memindahkannya dari dirinya sendiri dan menempati posisi di ruang yang kekuatan medannya minimal. Sebagai diamagnetik ideal, superkonduktor tidak mentolerir medan magnet sedikit pun di dalamnya. Jadi, pada tahun 1933, menjadi jelas bahwa resistansi nol dan medan magnet nol adalah dua sifat keadaan superkonduktor.
Secara bertahap, pengerjaan superkonduktivitas mulai dilakukan di semua pusat utama Eropa dan Amerika. Yang terbesar - karena hanya lembaga ilmiah paling kuat yang mampu memelihara fasilitas pendingin dan pabrik pencairan helium yang mahal.
Namun tingginya biaya maupun kekurangan helium cair tidak menghalangi fisikawan untuk mengumpulkan sejumlah besar materi faktual selama bertahun-tahun - menemukan ratusan superkonduktor baru dan menemukan serangkaian efek yang sama sekali tidak terduga. Kita telah mengetahui sekitar seribu zat superkonduktor - unsur, senyawa, paduan. Diantaranya terdapat lebih dari dua puluh unsur tabel periodik Mendeleev, hingga teknesium, logam yang tidak ada di Bumi dalam kondisi alami (diproduksi secara buatan di reaktor nuklir). Ternyata superkonduktivitas dimiliki oleh paduan logam dan senyawa anorganik yang terdiri dari unsur-unsur superkonduktor dan - yang paling mengejutkan - tidak mengandung unsur-unsur tersebut. Untuk waktu yang lama, keunggulan suhu kritis tertinggi dipegang oleh niobium nitrida (-259 derajat), kemudian superkonduktivitas ditemukan pada -256 derajat dalam vanadium silisida, dan pada tahun 1954 rekor suhu kritis tertinggi tercatat: -254,8 derajat in niobium stannide (paduan niobium dengan timah).
Berdasarkan beberapa sifat, terutama sifat magnetis, zat superkonduktor mulai dibedakan menjadi superkonduktor jenis pertama dan kedua. Semua zat dengan suhu kritis tinggi ternyata merupakan superkonduktor tipe II. Mereka juga menunjukkan sifat penting lainnya: nilai medan magnet kritis yang tinggi dan kerapatan arus kritis. Apa artinya? Diketahui: superkonduktivitas dapat “dihancurkan” tidak hanya dengan menaikkan suhu di atas suhu kritis, tetapi juga dengan menerapkan medan magnet. Jadi, sampel senyawa ini tetap bersifat superkonduktor, bahkan jika arus dengan kepadatan hingga satu juta ampere per sentimeter persegi penampang melewatinya dalam medan magnet yang sangat kuat.
Pada tahun yang sama, superkonduktivitas mendapat serangan hebat dari arah lain. Tidak ada keluhan di sini tentang kekurangan helium, atau tentang kerumitan dan tingginya biaya peralatan. Para ahli teori menghadapi kesulitan lain - kesulitan matematika. Siapa yang belum menemukan solusi atas misteri superkonduktivitas? Baru pada tahun 1957 hambatan-hambatan tersebut akhirnya dapat diatasi.
Penemuan superkonduktivitas
Jadi, teori umum tentang superkonduktivitas telah muncul. Ide utamanya adalah ini. Partikel-partikel yang bertanda sama harus - menurut hukum Coulomb - saling tolak menolak. Hukum ini, tentu saja, juga diterapkan pada superkonduktor. Namun selain interaksi tersebut, ternyata ada hal lain pada suatu logam yaitu gaya tarik-menarik lemah yang timbul antar elektron melalui media perantara. Media ini adalah kisi logam itu sendiri, atau lebih tepatnya, getarannya. Jadi, jika kondisi muncul ketika gaya tarik-menarik ini menjadi lebih besar daripada gaya tolak-menolak, maka terjadilah superkonduktivitas.
Sekarang tidak ada yang meragukan bahwa teori tersebut pada dasarnya menjelaskan dengan tepat sifat superkonduktivitas. Namun apakah ini berarti semua masalah telah teratasi? Tanyakan kepada para ahli teori: “Mengapa timah memiliki suhu kritis 3,7 derajat, dan niobium 9,2?” Sayangnya, teori masih menyerah pada pertanyaan penting seperti itu...
Jalur yang biasa dalam fisika: fenomena ditemukan - dijelaskan - dipelajari untuk digunakan. Seringkali, perkembangan teori dan pengembangan metode penerapan berjalan secara paralel. Tentu saja, dalam bidang yang tidak biasa, jauh dari kehidupan sehari-hari, seperti superkonduktivitas, kata "aplikasi" harus dipahami agak berbeda dari biasanya - ini bukanlah traktor atau mesin cuci. Menerapkan berarti menggunakan efek unik dan menjadikannya “berhasil”. Biarlah pada awalnya hanya di laboratorium, meski tanpa kesuksesan dan sensasi yang berisik.
Bagaimana jika kita mencoba membuat magnet superkonduktor? - pertanyaan ini muncul pada tahun dua puluhan abad yang lalu. Diketahui bahwa medan magnet terkuat diciptakan dengan bantuan elektromagnet. Ladang dengan kekuatan hingga 20 ribu oersted dapat diperoleh dengan cukup berhasil dengan menggunakan metode ini dengan menggunakan instalasi yang relatif murah. Dan jika Anda membutuhkan ladang yang lebih kuat - seratus atau lebih ribu oersted? Kekuatan magnet meningkat hingga jutaan watt. Mereka perlu diberi daya melalui gardu induk khusus, dan pendinginan air dari magnet memerlukan konsumsi ribuan liter air per menit.
Medan magnet - arus listrik - hambatan dihubungkan dalam satu rangkaian. Betapa menggodanya, alih-alih perangkat yang besar, rumit, dan mahal ini, untuk membuat gulungan mini dari kawat superkonduktor, menempatkannya dalam helium cair dan, dengan menyalakannya dari baterai sederhana, memperoleh medan magnet super kuat. Ide ini terwujud jauh kemudian - hanya ketika material baru dengan medan dan arus kritis tinggi ditemukan: pertama niobium, kemudian paduan niobium dengan zirkonium dan titanium. Dan terakhir, niobium - timah. Di banyak laboratorium di seluruh dunia, magnet superkonduktor portabel sudah digunakan, menghasilkan medan sekitar 100 ribu oersted. Meskipun harga helium cair mahal, magnet semacam itu jauh lebih menguntungkan daripada magnet konvensional.
Penerapan Superkonduktivitas
Medan magnet yang kuat hanyalah salah satu dari banyak kemungkinan dan sebagian realisasi penggunaan superkonduktivitas. Instrumen eksperimen fisik yang paling presisi - galvanometer superkonduktor dan detektor radiasi, resonator dengan lapisan superkonduktor untuk teknologi gelombang mikro dan untuk akselerator linier partikel berat, lensa magnetik untuk perangkat elektronik, motor listrik pada bantalan superkonduktor tanpa gesekan, transformator dan saluran transmisi lossless, magnet layar, baterai energi, dan akhirnya, “sel memori” komputer mini dan berkecepatan tinggi - ini adalah daftar masalah superkonduktivitas yang diterapkan saat ini yang jauh lebih sedikit.
Mereka telah mengatakan bahwa semua teknik kelistrikan klasik dapat “ditemukan kembali” jika tidak dibangun di atas konduktor arus listrik biasa, tetapi di atas bahan superkonduktor.
Nah, bagaimana jika Anda bermimpi sedikit? Bagaimanapun, di luar angkasa terdapat kondisi ideal untuk pengoperasian perangkat superkonduktor, kondisi ideal untuk superkonduktivitas. Dalam ruang hampa luar angkasa, suatu benda dapat dipanaskan dari luar hanya karena radiasi (dari Matahari, misalnya). Jika demikian, maka layar buram apa pun sudah cukup, dan objek apa pun di ruang angkasa diisolasi sepenuhnya secara termal. Dan karena elemen mesin imajiner kita sendiri bersifat superkonduktor dan arus mengalir melaluinya tanpa hambatan, panas tidak dihasilkan di dalamnya. Hampir tidak ada helium cair, yang berarti perangkat akan dapat beroperasi tanpa batas waktu. Ingat pengalaman Collins, yang roda kemudi utamanya tetap bertahan selama hampir tiga tahun.
Dapatkah Anda bayangkan bahwa di suatu tempat di orbit sekitar Bulan terdapat sejenis komputer kriogenik yang berputar, yang melayani seluruh sektor ekonomi, ilmu pengetahuan, dan transportasi bumi? Dan bagaimana dengan magnet superkonduktor - mungkin magnet itulah yang akan menahan plasma di reaktor termonuklir di masa depan? Atau kabel listrik berpendingin, yang melaluinya energi listrik dapat disalurkan sejauh puluhan ribu kilometer tanpa ada kehilangan?
Apakah ini fantasi? Segala sesuatu yang dikatakan di sini pada prinsipnya mungkin. Jadi itu akan dilakukan. Tapi ketika?
Ini adalah area yang bagus untuk imajinasi dan untuk karya teoretis dan eksperimental yang mendalam.
Sementara itu, paduan niobium-timah tetap menjadi satu-satunya zat dengan suhu kritis maksimum minus 254,8 derajat, dan tidak ada yang dapat memahami keunggulan apa yang membedakannya dari ribuan zat anorganik lainnya. Tidak ada penambahan unsur lain, tidak ada perubahan struktur internal paduan ini yang dapat meningkatkan suhu kritisnya. Pencarian paduan lain yang serupa, ganda dan rangkap tiga juga ternyata tidak berhasil - belum ada yang berhasil melampaui angka ajaib ini - minus 254,8 derajat. Mereka mulai mengatakan bahwa, tampaknya, suhu ini bukan suatu kebetulan; mungkin itu adalah batas yang tidak dapat dilewati. Yang tersisa hanyalah menemukan pembenaran teoretis atas fakta ini, untuk menemukan alasan mengapa superkonduktivitas tidak dapat terjadi dalam sistem logam pada suhu yang lebih tinggi.
1. Fenomena superkonduktivitas
2. Sifat superkonduktor
3. Penerapan superkonduktor
Bibliografi
1. Fenomena superkonduktivitas
Superkonduktor mewakili kelompok bahan khusus dengan konduktivitas listrik yang tinggi. Pada suhu rendah (saat ini setidaknya di bawah 18° K) logam dan paduan tertentu memperoleh kemampuan untuk menghantarkan arus tanpa hambatan yang nyata; padatan seperti itu disebut superkonduktor.
Fenomena ini telah diketahui selama satu abad; ditemukan pada tahun 1911 oleh Kamerlingh Onnes, yang mengamati keadaan seperti itu pada merkuri pada suhu helium cair. Tabel 1 menunjukkan daftar beberapa superkonduktor yang diketahui saat ini dan suhu transisinya ke keadaan superkonduktor karena. Transisi biasanya terjadi sangat tiba-tiba: resistansi turun dari nilai normalnya menjadi nol dalam kisaran sekitar 0,05°K.
Gambar 1 - Perubahan hambatan listrik pada logam (M) dan superkonduktor (M sv) dalam kisaran suhu rendah
Dengan menurunnya suhu, hambatan listrik semua logam menurun secara monoton (Gambar 1). Namun, ada logam dan paduan yang hambatan listriknya turun tajam ke nol pada suhu kritis - bahan tersebut menjadi superkonduktor.
Superkonduktivitas telah ditemukan pada 30 elemen dan sekitar 1000 paduan. Sifat superkonduktor ditunjukkan oleh banyak paduan dengan struktur larutan padat teratur dan fase perantara (fasa o, fase Laves, dll.). Pada suhu biasa zat ini tidak mempunyai konduktivitas yang tinggi.
Tabel 1 – Superkonduktor dan suhu transisinya ke keadaan superkonduktor (ºK)
2. Sifat superkonduktor
Sifat paling umum dari superkonduktor adalah adanya suhu kritis superkonduktivitas Tc, di bawah suhu tersebut hambatan listrik zat tersebut menjadi semakin kecil. Menurut perkiraan terbaru, batas atas hambatan listrik suatu zat dalam keadaan superkonduktor (yaitu pada suhu di bawah Tk) adalah 10 -26 Ohm m.
Beberapa unsur dapat mengalami transformasi alotropik di bawah pengaruh tekanan tinggi (sekitar puluhan ribu atmosfer). Modifikasi kristalografi yang dihasilkan (yang disebut fase tekanan tinggi) berubah menjadi keadaan superkonduktor ketika didinginkan, meskipun pada tekanan biasa unsur-unsur ini bukan superkonduktor. Misalnya superkonduktor adalah modifikasi TeII yang terbentuk pada tekanan 56.000 atmosfer, BiII (25 ribu atmosfer, Tk= 3,9 K), BiIII (27 ribu atmosfer, Tk=7,2K). Fase tekanan tinggi GaII dan SbII tetap menjadi superkonduktor bahkan setelah tekanan tinggi dihilangkan, dan pada tekanan atmosfer, suhu kritis transisi superkonduktor fase ini masing-masing adalah 7,2 dan 2,6 K. Dalam keadaan normal, Be dan Ga adalah bukan superkonduktor, tetapi menjadi superkonduktor setelah diendapkan pada substrat dalam bentuk film tipis. Munculnya superkonduktivitas selama pengendapan film dari fase uap juga diamati pada Ce, Pr, Nd, Eu, dan Yb.
Merupakan karakteristik bahwa logam dari subkelompok IA, IB dan IIA, yang merupakan konduktor listrik yang baik pada suhu kamar, bukanlah superkonduktor (dengan pengecualian berilium dalam bentuk film tipis). Unsur ferro dan antiferromagnetik juga bukan superkonduktor.
Sifat superkonduktor dari banyak unsur, terutama Mo, Ir dan W, sangat sensitif terhadap kemurnian logam, yang menunjukkan bahwa dengan berkembangnya teknik pemurnian logam, sifat superkonduktor akan ditemukan pada beberapa unsur lainnya.
Transisi dari keadaan normal (dengan hambatan listrik bukan nol) ke keadaan superkonduktor diamati tidak hanya pada unsur murni, tetapi juga pada paduan dan senyawa intermetalik. Saat ini, lebih dari seribu superkonduktor diketahui. B. Matthias merumuskan aturan yang menghubungkan keberadaan superkonduktivitas dengan valensi Z.
1. Superkonduktivitas hanya ada di 2< Z < 8.
2. Pada logam transisi, paduan dan senyawanya di Z = 3, 5 atau 7 suhu maksimum transisi ke keadaan superkonduktor diamati (lihat Gambar 2).
3. Untuk setiap nilai yang diberikan Z kisi kristal tertentu lebih disukai (untuk mendapatkan hasil maksimal T j) dan Tk meningkat dengan cepat seiring dengan bertambahnya volume atom superkonduktor dan menurun seiring bertambahnya massa atom.
Gambar 2 - Adanya superkonduktivitas dan T pada logam transisi dan logam sederhana
Yang paling menjanjikan dari sudut pandang aplikasi teknis adalah superkonduktor dengan suhu kritis yang tinggi. Paduan dan senyawa logam transisi niobium dan vanadium memiliki Tc tertinggi. Bahan superkonduktor ini dibagi menjadi tiga kelompok: 1) paduan (larutan padat) dengan kisi kubik berpusat pada benda - Nb-Ti, Nb-Zr. TK ~ 10 K ke atas; 2) senyawa dengan kisi garam batu, misalnya NbN dan Nb (C, N), Tc ~ 18K; 3) senyawa niobium dan vanadium dengan unsur subgolongan aluminium dan silikon, mempunyai kisi kristal tipe β-W dan rumus stoikiometri A 3 B, dimana A -Nb atau V, B adalah unsur ShB atau IVB subgrup, misalnya V 3 Si, Nb 3 Sn , Nb 3 (Al, Ge), T K ~ 21 K dan lebih tinggi.
Suhu kritis transisi ke keadaan superkonduktor dan karakteristik superkonduktor lainnya, yang akan dibahas di bawah, dari senyawa A 3 B sangat sensitif terhadap penyimpangan kecil dari stoikiometri, terhadap keadaan struktural sampel (keberadaan partikel terdispersi dari fase lain). ), cacat pada struktur kristal, dan derajat keteraturan jangka panjang. Rupanya, hal ini menjelaskan peningkatan Tc senyawa Nb 8 Al, Nb 3 Ga, Nb 8 (Al, Ge) beberapa derajat setelah pendinginan pada suhu tinggi dan anil berikutnya. Secara khusus, Tk senyawa Nb 3 Ge akibat pendinginan tajam meningkat dari 11 menjadi 17 K. Pada sampel film tipis Nb 3 Ge yang diperoleh dengan sputtering, diperoleh nilai sebagai berikut: Tk= 22 K dan 23 K. Bahan superkonduktor yang berbahan dasar larutan padat memiliki keunggulan tertentu dibandingkan senyawa tipe A 3 B karena plastisitasnya yang lebih besar.
Zat dalam keadaan superkonduktor memiliki sifat magnetis tertentu. Hal ini terutama diwujudkan dalam ketergantungan suhu kritis superkonduktivitas pada kekuatan medan magnet luar. Temperatur kritis mencapai maksimum tanpa adanya medan magnet luar dan menurun seiring dengan meningkatnya kekuatan medan. Pada kekuatan medan luar tertentu N km, disebut Tk kritis = 0. Dengan kata lain, dalam medan yang sama dengan atau lebih besar dari N km, keadaan superkonduktor tidak muncul pada zat pada suhu berapa pun. Perilaku superkonduktor ini diilustrasikan oleh kurva H ke (T) (Gambar 3). Setiap titik pada kurva ini memberikan nilai medan eksternal kritis Hc pada suhu tertentu T< Т к, вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза →нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.
Gambar 3 - Ketergantungan medan kritis superkonduktor pada suhu
Sifat magnetik penting lainnya dari superkonduktor adalah diamagnetismenya. Di dalam superkonduktor yang ditempatkan dalam medan magnet, induksinya nol. Jika suatu superkonduktor ditempatkan dalam medan magnet pada suhu di atas suhu kritis, maka bila didinginkan di bawah Tk medan magnet “didorong keluar” dari superkonduktor dan induksinya dalam hal ini juga nol.
Penghancuran superkonduktivitas oleh medan magnet luar dan diamagnetisme ideal superkonduktor dikaitkan dengan fakta bahwa untuk mempertahankan keadaan superkonduktor, momentum total (energi kinetik) elektron harus kurang dari nilai tertentu. Oleh karena itu, terdapat kepadatan arus pembatas (kritis) tertentu j c di atasnya superkonduktivitas rusak dan hambatan listrik terbatas muncul. Diamagnetisme ideal suatu superkonduktor dijelaskan oleh fakta bahwa medan magnet yang diterapkan menginduksi arus pada permukaan superkonduktor yang tidak mengalami hambatan. Arus ini bersirkulasi sedemikian rupa sehingga fluks magnet di dalam superkonduktor musnah. Jadi, medan magnet luar menembus ke dalam superkonduktor hanya sampai kedalaman yang sangat kecil (disebut kedalaman penetrasi) sekitar 10 -8 -10 -9 m. Dengan meningkatnya medan magnet luar, arus penyaringan harus meningkat untuk menjaga diamagnetisme superkonduktor. Jika medan luar cukup kuat, arus akan mencapai nilai kritis dan zat akan kembali ke keadaan normal. Arus pelindung menghilang dan medan magnet menembus zat tersebut. Kedalaman penetrasi medan magnet (pada medan konstan) meningkat seiring suhu dan cenderung tak terhingga pada T→ T k, yang berhubungan dengan transisi ke keadaan normal.
Superkonduktor dengan kedalaman penetrasi yang dangkal (atenuasi tajam medan magnet di dekat permukaan) disebut superkonduktor lunak, atau superkonduktor tipe I. Ada juga superkonduktor keras, atau superkonduktor tipe II. Superkonduktor tipe II dicirikan oleh nilai medan kritis yang lebih tinggi dan lebar wilayah suhu transisi ke keadaan superkonduktor yang lebih besar. Untuk superkonduktor lunak (timah, merkuri, seng, timbal) kisaran suhu transisi ke keadaan superkonduktor adalah sekitar 0,05 K, sedangkan untuk superkonduktor keras (niobium, renium, senyawa dengan struktur β-W) kisaran suhu transisi superkonduktor adalah sekitar 0,5 K.
Perkenalan
Bab 1 Penemuan fenomena superkonduktivitas
1.2 Zat superkonduktor
1.3 Efek Meissner
1.4 Efek isotop
Bab 2 Teori superkonduktivitas
2.1 Teori BCS
2.4 Pembentukan pasangan elektron
2.5 Interaksi efektif antar elektron akibat fonon
2.6 Transformasi kanonik Bogolyubov
2.7 Keadaan perantara
2.8 Superkonduktor tipe II
2.9 Termodinamika superkonduktivitas
2.10 Kontak terowongan dan efek Josephson
2.11 Kuantisasi fluks magnet (efek makroskopis)
2.12 Pergeseran ksatria
2.13 Superkonduktivitas suhu tinggi
Bab 3. Penerapan superkonduktivitas dalam ilmu pengetahuan dan teknologi
3.1 Magnet superkonduktor
3.2 Elektronik superkonduktor
3.3 Superkonduktivitas dan energetika
3.4 Suspensi dan bantalan magnetik
Kesimpulan
Bibliografi
Perkenalan
Untuk sebagian besar logam dan paduan, pada suhu sekitar beberapa derajat Kelvin, resistansinya tiba-tiba menjadi nol. Fenomena yang disebut superkonduktivitas ini pertama kali ditemukan pada tahun 1911 oleh Kamerlingh Onnes. Zat yang mempunyai fenomena ini disebut superkonduktor. Pada tahun 1957, J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer mengembangkan teori mikroskopis superkonduktivitas, yang memungkinkan untuk memahami fenomena ini secara mendasar. Teori BCS menjelaskan fakta dasar di bidang superkonduktivitas (tidak adanya hambatan, ketergantungan Tc pada massa isotop, konduktivitas tak terhingga (E = 0), efek Meissner (B = 0), ketergantungan eksponensial kapasitas panas elektronik mendekati T = 0, dst.). Sejumlah kesimpulan teoretis menunjukkan kesesuaian kuantitatif yang baik dengan eksperimen. Banyak permasalahan yang masih perlu dikembangkan (distribusi logam superkonduktor dalam sistem periodik, ketergantungan Tc pada komposisi dan struktur senyawa superkonduktor, kemungkinan memperoleh superkonduktor dengan suhu transisi setinggi mungkin, dll.). Keberhasilan penelitian eksperimental dan teoretis telah memberikan peluang nyata untuk mulai berupaya menguasai fenomena fisik ini. Selama hampir 100 tahun, perkembangan telah terjadi di bidang ini, bahan superkonduktor baru ditemukan, dan pencarian superkonduktor suhu tinggi sedang dilakukan. Dalam beberapa tahun terakhir, terutama setelah lahirnya teori superkonduktivitas, superkonduktivitas teknis berkembang secara intensif.
Relevansi. Saat ini, superkonduktivitas adalah salah satu bidang fisika yang paling banyak dipelajari, sebuah fenomena yang membuka prospek serius bagi praktik teknik. Perangkat yang didasarkan pada fenomena superkonduktivitas telah tersebar luas; baik elektronik modern, kedokteran, maupun astronotika tidak dapat hidup tanpanya.
Target. Mari kita simak lebih detail fenomena superkonduktivitas, sifat-sifatnya, penerapan praktisnya, pelajari teori BCS, serta cari tahu prospek pengembangan bidang fisika ini.
1) Cari tahu apa itu superkonduktivitas, penyebab terjadinya dan kondisi kemungkinan peralihan suatu zat dari keadaan normal ke keadaan superkonduktor.
2) Jelaskan alasan yang mempengaruhi kehancuran keadaan superkonduktor.
3) Mengungkapkan sifat-sifat dan penerapan superkonduktor.
Sebuah Objek. Objek mata kuliah ini adalah fenomena superkonduktivitas, superkonduktor.
Barang. Pokok bahasannya adalah sifat-sifat superkonduktor dan penerapannya.
Penggunaan praktis. Fenomena superkonduktivitas digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat; superkonduktor digunakan dalam pembuatan komputer, untuk konstruksi modulator, penyearah, sakelar, persistor dan persistron, serta alat ukur.
Metode penelitian. Analisis literatur ilmiah.
Bab 1. Penemuan fenomena superkonduktivitas
1.1 Fakta eksperimental pertama
Pada tahun 1911, di Leiden, fisikawan Belanda H. Kamerlingh-Onnes pertama kali mengamati fenomena superkonduktivitas. Masalah ini telah dipelajari sebelumnya; percobaan menunjukkan bahwa dengan penurunan suhu, resistensi logam menurun. Salah satu penelitian pertamanya di bidang suhu rendah adalah studi tentang ketergantungan hambatan listrik pada suhu selama percobaan dengan rangkaian merkuri. Merkuri kemudian dianggap sebagai logam paling murni yang dapat diperoleh melalui penyulingan. Mempelajari variasi suhu hambatan listrik Hg, ia menemukan bahwa pada suhu di bawah 4,2 0 K, merkuri praktis kehilangan hambatannya. Untuk percobaan ini, ia menggunakan peralatan (Gbr. 1), yang terdiri dari tujuh bejana berbentuk U dengan penampang 0,005 mm 2, dihubungkan terbalik. Bentuk bejana ini diperlukan untuk kompresi dan pemuaian merkuri secara bebas tanpa memutus kontinuitas benang merkuri. Pada titik 1 dan 2, arus disuplai melalui tabung 3 dan 4; pada titik 5 dan 6, penurunan tegangan pada bagian rangkaian merkuri diukur.
Gambar 2 menunjukkan hasil eksperimennya dengan merkuri. Perlu dicatat bahwa kisaran suhu di mana resistansi turun hingga nol sangatlah sempit.
Beras. 2. Ketergantungan ketahanan platina dan merkuri pada suhu.
Grafik menunjukkan bahwa pada suhu 4,2 0 K hambatan listrik merkuri menghilang tajam. Keadaan konduktor yang hambatan listriknya nol disebut superkonduktivitas, dan zat dalam keadaan ini disebut superkonduktor. Transisi suatu zat ke keadaan superkonduktor terjadi dalam kisaran suhu yang sangat sempit (seperseratus derajat) dan oleh karena itu diyakini bahwa transisi terjadi pada suhu tertentu Tc, yang disebut suhu kritis transisi suatu zat ke superkonduktor. negara.
Superkonduktivitas dapat diamati secara eksperimental dengan dua cara:
1) dengan memasukkan tautan superkonduktor ke dalam rangkaian listrik umum yang dilalui arus. Pada saat transisi ke keadaan superkonduktor, beda potensial pada ujung-ujung hubungan ini menjadi nol;
2) dengan menempatkan cincin superkonduktor dalam medan magnet yang tegak lurus dengannya. Setelah itu mendinginkan ring di bawah Tc, matikan lapangan. Akibatnya, arus listrik terus menerus diinduksikan pada cincin. Arus bersirkulasi dalam cincin seperti itu tanpa batas waktu.
Kamerling - Onnes mendemonstrasikan hal ini dengan mengangkut cincin superkonduktor dengan arus yang mengalir melaluinya dari Leiden ke Cambridge. Dalam sejumlah percobaan, tidak adanya redaman arus pada cincin superkonduktor diamati selama sekitar satu tahun. Pada tahun 1959, Collins melaporkan bahwa dia tidak mengamati adanya penurunan arus selama dua setengah tahun. .
Eksperimen telah menunjukkan bahwa jika arus dibuat dalam loop tertutup dari superkonduktor, maka arus ini terus bersirkulasi tanpa sumber EMF. Arus Foucault dalam superkonduktor bertahan sangat lama dan tidak memudar karena kurangnya panas Joule (arus hingga 300A terus mengalir selama berjam-jam berturut-turut). Sebuah studi tentang aliran arus melalui sejumlah konduktor berbeda menunjukkan bahwa resistansi kontak antar superkonduktor juga nol. Ciri khas superkonduktivitas adalah tidak adanya fenomena Hall. Sementara pada konduktor biasa, di bawah pengaruh medan magnet, arus dalam logam bergeser, pada superkonduktor fenomena ini tidak ada. Arus dalam superkonduktor seolah-olah tetap pada tempatnya.
Superkonduktivitas menghilang di bawah pengaruh faktor-faktor berikut:
1) peningkatan suhu;
Saat suhu naik hingga Tk tertentu, hambatan ohmik yang terlihat hampir tiba-tiba muncul. Transisi dari superkonduktivitas ke konduktivitas semakin curam dan semakin terlihat semakin homogen sampelnya (transisi paling curam diamati pada kristal tunggal).
2) aksi medan magnet yang cukup kuat;
Transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal dapat dicapai dengan meningkatkan medan magnet pada suhu di bawah Tc kritis. Medan magnet minimum Bc yang menyebabkan hilangnya superkonduktivitas disebut medan magnet kritis. Ketergantungan medan kritis pada suhu dijelaskan dengan rumus empiris:
di mana B 0 adalah medan kritis yang diekstrapolasi ke suhu nol mutlak. Untuk beberapa zat tampaknya terdapat ketergantungan pada T sampai tingkat pertama. Jika kita mulai meningkatkan kekuatan medan eksternal, maka pada nilai kritisnya, superkonduktivitas akan runtuh. Semakin dekat kita ke titik suhu kritis, semakin rendah kekuatan medan magnet luar yang harus dimiliki untuk menghilangkan efek superkonduktivitas, dan sebaliknya, pada suhu yang sama dengan nol mutlak, kekuatan harus maksimum dibandingkan dengan kasus lain untuk mencapainya. efek yang sama. Hubungan ini diilustrasikan oleh grafik berikut (Gbr. 3).
Jika kita mulai meningkatkan kekuatan medan eksternal, maka pada nilai kritisnya, superkonduktivitas akan runtuh. Semakin dekat kita ke titik suhu kritis, semakin rendah kekuatan medan magnet luar yang harus dimiliki untuk menghilangkan efek superkonduktivitas, dan sebaliknya, pada suhu yang sama dengan nol mutlak, kekuatan harus maksimum dibandingkan dengan kasus lain untuk mencapainya. efek yang sama. Ketika medan magnet bekerja pada superkonduktor, jenis histeresis khusus diamati, yaitu jika, dengan meningkatkan medan magnet, superkonduktivitas dihancurkan pada (H - kekuatan medan, H ke - peningkatan kekuatan medan):
kemudian, dengan penurunan intensitas medan, superkonduktivitas akan muncul kembali di bawah medan, bervariasi dari satu sampel ke sampel lainnya dan biasanya 10% Hc.
3) rapat arus yang cukup tinggi dalam sampel;
Peningkatan kekuatan arus juga menyebabkan hilangnya superkonduktivitas, yaitu Tk menurun. Semakin rendah suhu, semakin tinggi kekuatan arus maksimum ik di mana superkonduktivitas digantikan oleh konduktivitas biasa.
4) perubahan tekanan eksternal;
Perubahan tekanan eksternal p menyebabkan pergeseran Tk dan perubahan kekuatan medan magnet, yang menghancurkan superkonduktivitas.
1.2 Zat superkonduktor
Belakangan diketahui bahwa tidak hanya merkuri, tetapi juga logam dan paduan lainnya, hambatan listriknya menjadi nol bila didinginkan secara memadai.
Niobium (9,22 0 K) memiliki suhu kritis tertinggi di antara zat murni, dan iridium memiliki suhu kritis terendah (0,14 0 K). Temperatur kritis tidak hanya bergantung pada komposisi kimia zat, tetapi juga pada struktur kristal itu sendiri. Misalnya, timah abu-abu adalah semikonduktor, dan timah putih adalah logam yang masuk ke keadaan superkonduktor pada suhu 3,72 0 K. Dua modifikasi kristal lantanum (b-La dan b-La) memiliki suhu transisi kritis yang berbeda ke keadaan superkonduktor (untuk b -La T k =4,8 0 K, c-La T k =5,95 0 K). Oleh karena itu, superkonduktivitas bukanlah sifat atom individu, tetapi efek kolektif yang terkait dengan struktur keseluruhan sampel.
Konduktor yang baik (perak, emas dan tembaga) tidak memiliki sifat ini, namun banyak zat lain yang merupakan konduktor yang sangat buruk dalam kondisi normal, sebaliknya, memiliki sifat ini. Hal ini benar-benar mengejutkan para peneliti dan semakin memperumit penjelasan fenomena ini. Sebagian besar superkonduktor bukanlah zat murni, melainkan paduan dan senyawanya. Selain itu, paduan dua zat non-superkonduktor dapat memiliki sifat superkonduktor. Ada superkonduktor tipe I dan tipe II.
Superkonduktor tipe I adalah logam murni; totalnya ada lebih dari 20 logam. Diantaranya tidak ada logam yang merupakan konduktor yang baik pada suhu kamar, tetapi sebaliknya, logam yang memiliki konduktivitas relatif buruk pada suhu kamar (merkuri, timbal). , titanium, dll.).
Superkonduktor tipe kedua adalah senyawa dan paduan kimia, dan tidak harus berupa senyawa atau paduan logam, yang dalam bentuknya murni merupakan superkonduktor tipe pertama. Misalnya senyawa MoN, WC, CuS merupakan superkonduktor tipe II, meskipun Mo, W, Cu dan khususnya N, C dan S bukanlah superkonduktor. Jumlah superkonduktor tipe II berjumlah beberapa ratus dan terus meningkat. .
Untuk waktu yang lama, keadaan superkonduktor berbagai logam dan senyawa hanya dapat diperoleh pada suhu yang sangat rendah, yang dapat dicapai dengan bantuan helium cair. Pada awal tahun 1986, nilai maksimum suhu kritis yang diamati sudah 23 0 K.
1.3 Efek Meissner
Pada tahun 1933, Meissner dan Ochsenfeld menetapkan bahwa di balik fenomena superkonduktivitas terdapat sesuatu yang lebih dari sekadar konduktivitas ideal, yaitu resistivitas nol. Mereka menemukan bahwa medan magnet didorong keluar dari superkonduktor terlepas dari apakah medan tersebut diciptakan oleh sumber eksternal atau oleh arus yang mengalir melalui superkonduktor itu sendiri (Gbr. 4). Ternyata medan magnet tidak menembus ketebalan sampel superkonduktor.
Gambar 4. Mendorong keluar fluks induksi magnet dari superkonduktor.
Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu kritis transisi ke keadaan superkonduktor, dalam sampel yang ditempatkan di medan magnet luar, seperti pada logam apa pun, induksi medan magnet di dalamnya berbeda dari nol. Jika, tanpa mematikan medan magnet luar, suhu diturunkan secara bertahap, maka pada saat transisi ke keadaan superkonduktor, medan magnet akan didorong keluar dari sampel dan induksi medan magnet di dalam akan menjadi nol (B = 0 ). Efek ini disebut efek Meissner.
Seperti diketahui, logam, kecuali feromagnet, tidak memiliki induksi magnet jika tidak ada medan magnet luar. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa medan magnet arus elementer, yang selalu ada dalam materi, saling mengimbangi karena lokasinya yang acak-acakan.
Ditempatkan di medan magnet luar, mereka menjadi termagnetisasi, mis. Sebuah medan magnet “diinduksi” di dalamnya. Medan magnet total suatu zat yang dimasukkan ke dalam medan magnet luar dicirikan oleh induksi magnet yang sama dengan jumlah vektor induksi medan magnet luar dan induksi medan magnet dalam, yaitu. . Dalam hal ini, medan magnet total bisa lebih besar atau lebih kecil dari medan magnet.
Untuk menentukan derajat partisipasi suatu zat dalam penciptaan medan magnet secara induksi, dicari perbandingan nilai induksi. Koefisien µ disebut permeabilitas magnetik suatu zat. Zat yang ketika medan magnet luar diterapkan, medan dalam yang dihasilkan ditambahkan ke medan luar (µ > 1) disebut paramagnet. Pada koefisien >1, medan luar dalam sampel berkurang.
Dalam zat diamagnetik (<1) наблюдается ослабление приложенного поля. В сверхпроводниках В=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. В поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю и компенсирует его, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.
Keberadaan arus superkonduktor stasioner terungkap dalam percobaan berikut: jika bola superkonduktor ditempatkan di atas cincin superkonduktor logam, maka arus superkonduktor kontinu diinduksikan pada permukaannya. Kemunculannya menimbulkan efek diamagnetik dan munculnya gaya tolak menolak antara cincin dan bola, akibatnya bola akan melayang di atas cincin. Kedalaman penetrasi medan ke dalam sampel adalah salah satu karakteristik utama superkonduktor. Biasanya kedalaman penetrasi sekitar 100...400E. Dengan meningkatnya suhu, kedalaman penetrasi medan magnet meningkat menurut hukum:
Perkiraan paling sederhana tentang kedalaman penetrasi medan magnet ke dalam superkonduktor diberikan oleh saudara Fritz dan Hans London. Mari kita sajikan perkiraan ini. Kita akan berasumsi bahwa kita sedang berhadapan dengan bidang yang perlahan berubah seiring berjalannya waktu. Karena superkonduktor bukan bersifat feromagnetik, kita dapat mengabaikan perbedaan antara dan dan menuliskan persamaan dasar elektrodinamika dalam bentuk
Selain itu, kita juga akan mengabaikan perbedaan antara turunan parsial dan total terhadap waktu. Dengan asumsi bahwa arus diciptakan hanya oleh pergerakan elektron superkonduktor, selanjutnya kita akan menulis di mana konsentrasi elektron tersebut. Setelah diferensiasi terhadap waktu diperoleh: Percepatan elektron dapat dicari dari persamaan jika pengaruh medan magnet diabaikan. Kemudian
di mana sebutan itu diperkenalkan
Setelah membedakan persamaan pertama (4) terhadap, tidak termasuk besaran dan dari persamaan (4) dan (5), kita memperoleh
Persamaan ini terpenuhi, namun solusi seperti itu tidak sesuai dengan efek Meissner, karena pasti ada di dalam superkonduktor. Solusi tambahan diperoleh karena selama derivasi operasi diferensiasi terhadap waktu digunakan dua kali. Untuk menghilangkan solusi ini secara otomatis, keluarga London mengajukan hipotesis bahwa pada persamaan terakhir turunan harus diganti dengan vektor itu sendiri. Ini memberi
Untuk menentukan kedalaman penetrasi medan magnet ke dalam superkonduktor, mari kita asumsikan superkonduktor dibatasi oleh bidang di salah satu sisinya. Mari arahkan sumbu di dalam superkonduktor normal ke batasnya. Biarkan medan magnet sejajar dengan sumbu, jadi. Kemudian
Dan persamaan (8) memberi
Solusi persamaan ini, yang hilang di, mempunyai bentuk
Konstanta integrasi memberikan medan pada permukaan superkonduktor. Sepanjang panjangnya, medan magnet berkurang satu faktor. Nilai tersebut diambil sebagai ukuran kedalaman penetrasi medan ke dalam logam.
Untuk memperoleh perkiraan numerik, kita asumsikan bahwa untuk setiap atom logam terdapat satu elektron superkonduktor, dengan asumsi cm -3. kemudian dengan menggunakan rumus (6) kita mencari cm, yang urutan besarnya bertepatan dengan nilai yang diperoleh dengan pengukuran langsung.
Lapisan permukaan superkonduktor memiliki sifat khusus yang berhubungan dengan kekuatan medan magnet bukan nol di dalamnya. Sifat-sifat ini mempunyai dampak yang sangat signifikan terhadap produksi superkonduktor dengan medan kritis tinggi.
Situasi muncul ketika arus permukaan, sering disebut arus pelindung, mencegah medan yang diterapkan menembus fluks magnet ke dalam sampel. Jika fluks magnet di dalam suatu zat dalam medan luar adalah nol, maka zat tersebut dikatakan menunjukkan diamagnetisme ideal. Ketika kerapatan medan yang diterapkan berkurang menjadi nol, sampel tetap berada dalam keadaan non-magnet. Dalam kasus lain, ketika medan magnet diterapkan pada sampel di atas suhu transisi, gambaran akhir akan berubah secara nyata. Untuk sebagian besar logam (kecuali feromagnet), permeabilitas magnet relatif mendekati satu. Oleh karena itu, kerapatan fluks magnet di dalam sampel hampir sama dengan kerapatan fluks medan yang diterapkan. Hilangnya hambatan listrik setelah pendinginan tidak mempengaruhi magnetisasi, dan distribusi fluks magnet tidak berubah. Jika sekarang kita mengurangi medan yang diterapkan menjadi nol, maka kerapatan fluks magnet di dalam superkonduktor tidak dapat berubah; arus tidak teredam muncul di permukaan sampel, mempertahankan fluks magnet di dalamnya. Akibatnya, sampel tetap termagnetisasi sepanjang waktu. Jadi, magnetisasi konduktor ideal bergantung pada urutan perubahan kondisi eksternal.
Efek mendorong medan magnet keluar dari superkonduktor dapat dijelaskan berdasarkan gagasan tentang magnetisasi. Jika arus penyaringan, yang sepenuhnya mengkompensasi medan magnet luar, memberikan momen magnet m pada sampel, maka magnetisasi M dinyatakan dengan hubungan:
di mana V adalah volume sampel. Kita dapat mengatakan bahwa arus pelindung menyebabkan munculnya magnetisasi yang sesuai dengan magnetisasi feromagnet ideal dengan kerentanan magnet sama dengan minus satu.
Efek Meissner dan fenomena superkonduktivitas berkaitan erat dan merupakan konsekuensi dari pola umum yang ditetapkan oleh teori superkonduktivitas, yang tercipta lebih dari setengah abad setelah ditemukannya fenomena tersebut.
1.4 Efek isotop
Pada tahun 1950, E. Maxwell dan C. Reynolds menemukan efek isotop, yang sangat penting bagi penciptaan teori superkonduktivitas modern. Sebuah studi terhadap beberapa isotop superkonduktor merkuri menunjukkan bahwa terdapat hubungan antara suhu kritis transisi ke keadaan superkonduktor dan massa isotop. Ketika massa M isotop berubah dari 199,5 menjadi 203,4, suhu kritis berubah dari 4,185 menjadi 4,14 K. Untuk unsur kimia superkonduktor ini, rumus dibuat yang dibenarkan dengan akurasi yang cukup:
di mana const memiliki nilai spesifik untuk setiap elemen.
Massa isotop merupakan karakteristik kisi kristal, karena kontribusi utamanya dibuat oleh ion logam. Massa menentukan banyak sifat kisi. Diketahui bahwa frekuensi getaran kisi berhubungan dengan massa:
Superkonduktivitas, yang merupakan sifat sistem elektronik suatu logam, ternyata berhubungan, berkat ditemukannya efek isotop, dengan keadaan kisi kristal. Akibatnya terjadinya efek superkonduktivitas akibat interaksi elektron dengan kisi logam. Interaksi ini bertanggung jawab atas ketahanan logam dalam keadaan normal. Dalam kondisi tertentu, hal ini akan menyebabkan hilangnya resistensi, yaitu efek superkonduktivitas.
1.5 Prasyarat terciptanya teori superkonduktivitas
Teori pertama yang cukup berhasil menggambarkan sifat-sifat superkonduktor adalah teori F. London dan G. London, yang diajukan pada tahun 1935. Teori London dalam teorinya didasarkan pada model superkonduktor dua fluida. Dipercaya bahwa dalam superkonduktor terdapat elektron “superkonduktor” dengan konsentrasi dan elektron “normal” dengan konsentrasi, dimana adalah konsentrasi konduktivitas total). Kepadatan elektron superkonduktor berkurang seiring bertambahnya dan menjadi nol pada. Ketika cenderung pada kepadatan semua elektron. Arus elektron superkonduktor mengalir melalui sampel tanpa hambatan.
London, selain persamaan Maxwell, memperoleh persamaan medan elektromagnetik dalam superkonduktor, yang kemudian sifat dasarnya mengikuti: tidak adanya hambatan terhadap arus searah dan diamagnetisme ideal. Namun, karena teori London bersifat fenomenologis, teori tersebut tidak menjawab pertanyaan utama tentang apa itu elektron “superkonduktor”. Selain itu, ia memiliki sejumlah kekurangan lain yang dihilangkan oleh V.L. Ginzburg dan L.D. Landau.
Dalam teori Ginzburg-Landau, mekanika kuantum digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat superkonduktor. Dalam teori ini, seluruh rangkaian elektron superkonduktor dijelaskan oleh fungsi gelombang satu koordinat spasial. Secara umum, fungsi gelombang elektron dalam benda padat adalah fungsi koordinat. Dengan memperkenalkan fungsi tersebut, perilaku yang koheren dan konsisten dari semua elektron superkonduktor dapat ditentukan. Memang benar, jika semua elektron berperilaku persis sama, secara konsisten, maka untuk menggambarkan perilakunya, fungsi gelombang yang sama sudah cukup untuk menggambarkan perilaku satu elektron, yaitu. fungsi dari satu variabel.
Terlepas dari kenyataan bahwa teori Ginzburg-Landau, yang dikembangkan lebih lanjut dalam karya A.A. Abrikosov, menggambarkan banyak sifat superkonduktor, namun tidak dapat memberikan pemahaman tentang fenomena superkonduktivitas pada tingkat mikroskopis.
Bab ini membahas tentang penemuan fenomena superkonduktivitas, fakta percobaan pertama, teori pertama, serta beberapa sifat superkonduktor.
Menganalisis hal di atas, kita dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut:
1) Keadaan konduktor yang hambatan listriknya nol disebut superkonduktivitas, dan zat dalam keadaan ini disebut superkonduktor.
2) Arus Foucault dalam superkonduktor bertahan sangat lama dan tidak memudar karena kurangnya panas Joule (arus hingga 300A terus mengalir selama berjam-jam berturut-turut).
3) Superkonduktivitas menghilang di bawah pengaruh faktor-faktor berikut: peningkatan suhu, aksi medan magnet yang cukup kuat, kerapatan arus yang cukup tinggi dalam sampel, perubahan tekanan eksternal.
4) Medan magnet didorong keluar dari superkonduktor terlepas dari bagaimana medan ini dibuat - sumber eksternal atau arus yang mengalir melalui superkonduktor itu sendiri.
5) Terdapat hubungan antara suhu kritis transisi ke keadaan superkonduktor dan massa isotop, yang disebut efek isotop.
6) Efek isotop menunjukkan bahwa getaran kisi terlibat dalam penciptaan superkonduktivitas.
Bab 2. Teori superkonduktivitas
2.1 Teori BCS
Pada tahun 1957, Bardeen, Cooper dan Schrieffer membangun teori yang konsisten tentang keadaan materi superkonduktor (teori BCS). Jauh sebelum Landau, teori superfluiditas helium II telah diciptakan. Ternyata superfluiditas merupakan efek kuantum makroskopis. Namun, pengalihan teori Landau ke fenomena superkonduktivitas terhambat oleh fakta bahwa atom helium, yang memiliki putaran nol, mematuhi statistik Bose-Einstein. Elektron, yang mempunyai setengah putaran, mematuhi prinsip Pauli dan statistik Fermi-Dirac. Untuk partikel seperti itu, kondensasi Bose-Einstein, yang diperlukan untuk terjadinya superfluiditas, tidak mungkin terjadi. Para ilmuwan berpendapat bahwa elektron dikelompokkan menjadi pasangan yang memiliki putaran nol dan berperilaku seperti partikel Bose. Terlepas dari mereka, pada tahun 1958 N.N. Bogolyubov mengembangkan versi yang lebih maju dari teori superkonduktivitas.
Teori BCS mengacu pada model ideal di mana fitur struktural logam sejauh ini dibuang sepenuhnya. Logam dianggap sebagai kotak potensial berisi gas elektron yang mematuhi statistik Fermi. Gaya tolak-menolak Coulomb bekerja antara masing-masing elektron, sebagian besar dilemahkan oleh medan inti atom. Efek isotop pada superkonduktivitas menunjukkan adanya interaksi elektron dengan getaran termal kisi (dengan fonon).
Sebuah elektron yang bergerak dalam logam merusak dan mempolarisasi kisi kristal sampel oleh gaya listrik. Perpindahan ion kisi yang disebabkan oleh hal ini tercermin dalam keadaan elektron lainnya, karena elektron tersebut sekarang berada dalam bidang kisi terpolarisasi, yang agak mengubah struktur periodiknya. Dengan demikian, kisi kristal bertindak sebagai media perantara dalam interaksi elektronik, karena dengan bantuannya elektron mewujudkan daya tarik satu sama lain. Pada suhu tinggi, gerakan termal yang cukup kuat mendorong partikel menjauh satu sama lain, sehingga secara efektif mengurangi gaya tarik-menarik. Namun pada suhu rendah, gaya tarik menarik memainkan peran yang sangat penting.
Dua elektron akan saling tolak menolak jika berada di ruang kosong. Di lingkungan, kekuatan interaksinya sama dengan:
di mana e adalah konstanta dielektrik medium. Jika lingkungannya seperti itu<0, то одноименные заряды, в том числе и электроны, будут притягиваться. Кристаллическая решетка некоторых веществ является той средой, в которой выполняется это условие, а значит при определенных температурах возможно возникновение эффекта сверхпроводимости. Таким образом, эффект взаимного притяжения электронов не противоречит законам физики, так как происходим в некоторой среде.
Mari kita perhatikan sebuah logam pada T = 0 0 K. Kisi kristalnya mengalami getaran “nol”, yang keberadaannya dikaitkan dengan hubungan ketidakpastian mekanika kuantum. Sebuah elektron yang bergerak dalam kristal mengganggu mode getaran dan memindahkan kisi ke keadaan tereksitasi. Transisi kembali ke tingkat energi sebelumnya disertai dengan pelepasan energi yang ditangkap oleh elektron lain dan eksitasinya. Eksitasi kisi kristal digambarkan oleh kuanta suara - fonon, oleh karena itu proses yang dijelaskan di atas dapat direpresentasikan sebagai emisi fonon oleh satu elektron dan penyerapannya oleh elektron lain, sedangkan kisi kristal memainkan peran perantara sebagai pemancar. Pertukaran fonon menentukan ketertarikan timbal balik mereka.
Pada suhu rendah, daya tarik sejumlah zat lebih besar daripada gaya tolak menolak elektron Coulomb. Dalam hal ini, sistem elektronik berubah menjadi suatu kolektif yang terhubung, dan untuk menggairahkannya, diperlukan pengeluaran sejumlah energi yang terbatas. Spektrum energi sistem elektronik dalam hal ini tidak akan kontinu - keadaan tereksitasi dipisahkan dari keadaan dasar oleh celah energi.
Kini telah diketahui bahwa keadaan normal logam berbeda dari keadaan superkonduktor berdasarkan sifat spektrum energi elektron di dekat permukaan Fermi. Dalam keadaan normal pada suhu rendah, eksitasi elektronik berhubungan dengan transisi elektron dari keadaan awalnya ditempati ke (<к F) под поверхностью Ферми в свободное состояние к (>ke F) di atas permukaan Fermi. Energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi pasangan elektron-lubang dalam kasus permukaan Fermi berbentuk bola adalah sama dengan
Karena k dan k 1 terletak cukup dekat dengan permukaan Fermi, maka.
Sistem elektronik dalam superkonduktor dapat direpresentasikan sebagai terdiri dari pasangan elektron terikat (pasangan Cooper), dan eksitasi sebagai pemutusan pasangan. Ukuran pasangan elektron kira-kira ~10 -4 cm, ukuran periode kisi 10 -8 cm. Artinya, elektron-elektron dalam pasangan tersebut terletak pada jarak yang sangat jauh.
Sifat paling khas dari logam dalam keadaan superkonduktor adalah energi eksitasi suatu pasangan selalu melebihi nilai tertentu 2D, yang disebut energi pasangan. Dengan kata lain, terdapat kesenjangan spektrum energi eksitasi pada sisi energi rendah. Misalnya, untuk logam Hg, Pb, V, Nb, nilai 2D sama dengan energi panas pada suhu 18 0 K, 29 0 K, 18 0 K, dan 30 0 K.
Besarnya energi pasangan diukur secara langsung secara eksperimental: ketika mempelajari penyerapan radiasi elektromagnetik, hanya radiasi dengan frekuensi = 2Д yang diserap, ketika mempelajari perubahan eksponensial dalam redaman suara, dll.
Jika terdapat kesenjangan dalam spektrum energi, transisi kuantum sistem tidak selalu mungkin terjadi. Sistem elektronik tidak akan tereksitasi pada kecepatan rendah, sehingga pergerakan elektron akan terjadi tanpa gesekan yang berarti tidak ada hambatan. Pada arus kritis tertentu, sistem elektronik akan dapat berpindah ke tingkat energi berikutnya dan superkonduktivitas akan runtuh.
2.2 Kesenjangan dalam spektrum energi
Indikasi pertama adanya kesenjangan energi diperoleh dari hukum peluruhan eksponensial kapasitas panas elektronik superkonduktor:
c es ~ g T ke - bTk / T ~ c ns e - bTk / T . (16)
Kesenjangan energi dalam superkonduktor diamati secara langsung secara eksperimental, dan keberadaan kesenjangan dalam spektrum tidak hanya dikonfirmasi, tetapi besarnya juga diukur. Transisi elektron melalui lapisan tipis non-konduktor setebal ~10E, memisahkan film normal dan superkonduktor, dipelajari. Dengan adanya penghalang, ada kemungkinan terbatas bagi sebuah elektron untuk melewati penghalang tersebut. Dalam logam normal semua tingkat energi terisi, hingga e F maksimum, dalam logam superkonduktor hingga e F -D. Dalam hal ini, aliran arus tidak mungkin dilakukan.
Adanya kesenjangan energi dalam superkonduktor menyebabkan tidak adanya keadaan yang sesuai dimana transisi akan terjadi. Agar transisi dapat terjadi, sistem harus ditempatkan pada medan listrik luar. Di lapangan, gambaran keseluruhan level bergeser. Efeknya menjadi mungkin jika tegangan eksternal yang diberikan sama dengan D/e. Arus terowongan muncul pada tegangan terbatas U, ketika eU sama dengan celah energi. Tidak adanya arus terowongan pada tegangan rendah yang diberikan adalah bukti adanya kesenjangan energi.
Saat ini, sejumlah metode telah dikembangkan untuk mendeteksi celah tersebut dan mengukur lebarnya. Salah satunya berdasarkan studi serapan gelombang elektromagnetik di daerah inframerah jauh oleh logam. Ide metodenya adalah sebagai berikut. Jika aliran gelombang elektromagnetik diarahkan ke superkonduktor dan frekuensinya u terus berubah, maka selama energi kuanta V radiasi ini tetap kurang dari lebar celah E w (jika ada, tentu saja), energi radiasi tidak boleh diserap oleh superkonduktor. Pada frekuensi зк, dimana ђш к = Е ь, penyerapan radiasi yang intens akan dimulai, meningkat ke nilainya pada logam normal. Dengan mengukur shk, Anda dapat menentukan lebar celah E sh.
Eksperimen telah sepenuhnya mengkonfirmasi adanya kesenjangan dalam spektrum energi elektron konduksi di semua superkonduktor yang diketahui. Sebagai contoh, tabel menunjukkan lebar celah E w pada T = 0 0 K untuk sejumlah logam dan suhu kritis transisinya ke keadaan superkonduktor. Dari data pada tabel ini terlihat jelas bahwa gap E sangat sempit ~10 -3 -10 -2 eV; Ada hubungan langsung antara lebar celah dan suhu transisi kritis Tc: semakin tinggi Tc, semakin lebar celah Ec. teori
BCS menghasilkan perkiraan ekspresi berikut yang menghubungkan T k dengan E sh (0):
E sh (0) = 3,5 kT k, (17)
yang cukup baik dikonfirmasi oleh pengalaman.
Dalam teori superkonduktivitas, sebagian besar hasil diperoleh untuk model isotropik. Logam asli sebenarnya bersifat anisotropik, yang terbukti dalam banyak percobaan. Dengan asumsi yang cukup luas, kita dapat memperoleh rumus:
dimana adalah vektor satuan pada arah impuls p; dan merupakan vektor jari-jari Fermi permukaan dan kecepatan di atasnya. Besarnya tergantung pada arahnya. Menurut data eksperimen, perubahan. Pada saat yang sama, ketergantungan suhu adalah sama untuk semua arah, yaitu. .
Tabel 1.
|
Zat |
|||||||
|
E sh (0),10 -3 eV |
|||||||
|
E = 3,5 kTk |
Anisotropi sudah terlihat ketika membandingkan data teoritis dan eksperimen tentang kapasitas panas. Pada suhu rendah
di mana adalah kesenjangan minimum, dan menurut kurva teoritis (untuk model isotropik), di mana adalah kesenjangan rata-rata. Oleh karena itu, sebagai suatu peraturan, kurva teoretis pada lebih rendah daripada kurva eksperimental.
Ada berbagai metode untuk penentuan gap anisotropi yang lebih rinci. Dengan demikian, mengukur konduktivitas termal superkonduktor inti tunggal kristal tunggal memungkinkan untuk menentukan apakah celah minimum terletak pada arah sumbu utama atau terletak pada bidang dasar. Sifat anisotropi celah juga dapat ditentukan dari eksperimen dengan kontak terowongan jika salah satu superkonduktornya berupa kristal tunggal. Hasil paling menarik pada anisotropi diperoleh dari eksperimen penyerapan suara. Jika frekuensi bunyi merupakan energi ikat berpasangan, maka pada suhu rendah penyerapan hanya terjadi pada eksitasi, yaitu. secara proporsional. Namun, kita harus memperhitungkan bahwa mekanisme penyerapan suara adalah kebalikan dari efek Cherenkov. Artinya bunyi hanya diserap oleh elektron-elektron yang proyeksi kecepatannya ke arah rambat bunyi bertepatan dengan laju bunyi, yaitu. . Tetapi kecepatan elektron dalam logam adalah cm/detik, dan kecepatan suara adalah cm/detik; ini berarti, yaitu. tegak lurus, dengan kata lain bunyi diserap oleh elektron-elektron yang terletak pada kontur hasil perpotongan permukaan Fermi dengan bidang tegak lurus. Mengingat hal ini, penyerapan suara suhu rendah ditentukan oleh nilai minimum celah pada sirkuit ini. Dengan mengubah arah rambat suara, Anda dapat memperoleh informasi yang cukup detail tentang celah tersebut.
Kesenjangan anisotropi juga dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa perubahan besaran termodinamika ketika cacat dimasukkan ke dalam superkonduktor lebih besar daripada model isotropik. Misalnya dengan penurunan dibandingkan (untuk logam murni), yaitu. sebanding dengan anisotropi kuadrat rata-rata.
2.3 Superkonduktivitas tanpa celah
Pada tahun-tahun pertama setelah penciptaan teori BCS, adanya kesenjangan energi dalam spektrum elektronik dianggap sebagai tanda karakteristik superkonduktivitas, tetapi superkonduktivitas tanpa kesenjangan energi juga dikenal - superkonduktivitas tanpa celah.
Seperti yang pertama kali ditunjukkan oleh A.A. Abrikosov dan L.P. Gorkov, dengan masuknya pengotor magnet, suhu kritis menurun secara efektif. Atom-atom pengotor magnet mempunyai putaran, dan karenanya mempunyai momen magnet putaran. Dalam hal ini, putaran pasangan tampak berada dalam medan magnet pengotor yang paralel dan antiparalel. Dengan peningkatan konsentrasi atom dan pengotor magnet dalam superkonduktor, semakin banyak pasangan yang akan dimusnahkan, dan dengan demikian, lebar celah energi akan berkurang. Pada konsentrasi tertentu n sama dengan 0,91n cr (n cr adalah nilai konsentrasi di mana keadaan superkonduktor hilang seluruhnya), kesenjangan energi menjadi sama dengan nol.
Dapat diasumsikan bahwa munculnya superkonduktivitas tanpa celah disebabkan oleh fakta bahwa ketika berinteraksi dengan atom pengotor, beberapa pasangan terputus untuk sementara. Peluruhan sementara pasangan ini berhubungan dengan munculnya tingkat energi lokal dalam kesenjangan energi itu sendiri. Ketika konsentrasi pengotor meningkat, kesenjangan menjadi semakin terisi dengan tingkat lokal hingga hilang sepenuhnya. Keberadaan elektron yang terbentuk ketika pasangan putus menyebabkan hilangnya kesenjangan energi, dan pasangan Cooper yang tersisa memastikan bahwa hambatan elektronik adalah nol.
Kami sampai pada kesimpulan bahwa keberadaan celah itu sendiri sama sekali bukan kondisi yang diperlukan untuk perwujudan keadaan superkonduktor. Selain itu, superkonduktivitas tanpa celah ternyata bukanlah fenomena langka. Hal utama adalah adanya keadaan elektronik terikat - pasangan Cooper. Keadaan inilah yang dapat menunjukkan sifat superkonduktor bahkan tanpa adanya kesenjangan energi.
2.5 Pembentukan pasangan elektron
Pita terlarang dalam spektrum energi semikonduktor muncul karena interaksi elektron dengan kisi, yang menciptakan medan dalam kristal dengan potensi yang bervariasi secara berkala.
Wajar untuk berasumsi bahwa kesenjangan energi pada pita konduksi logam dalam keadaan superkonduktor muncul karena beberapa interaksi tambahan elektron yang muncul selama transisi logam ke keadaan ini. Sifat interaksi tersebut adalah sebagai berikut.
Sebuah elektron pita konduksi bebas, yang bergerak melalui kisi dan berinteraksi dengan ion, sedikit “menarik” mereka menjauh dari posisi kesetimbangan (Gambar 5), menciptakan “penggerak” muatan positif berlebih, yang dapat menyebabkan elektron lain. tertarik. Oleh karena itu, dalam logam, selain tolakan Coulomb antar elektron yang biasa, gaya tarik menarik tidak langsung dapat timbul karena adanya kisi ion positif. Jika gaya ini ternyata lebih besar daripada gaya tolak menolak, maka kombinasi elektron menjadi pasangan terikat, yang disebut pasangan Cooper, menjadi menguntungkan secara energetik.
Ketika pasangan Cooper terbentuk, energi sistem berkurang sebesar jumlah energi ikat Eb elektron dalam pasangan tersebut. Artinya jika pada logam normal elektron pada pita konduksi pada T = 0 K memiliki energi maksimum E F , maka pada transisi ke keadaan terikat berpasangan, energi dua elektron (pasangan) berkurang sebesar E St, dan energi masing-masingnya - sebesar E st /2, karena energi inilah yang harus dikeluarkan untuk menghancurkan pasangan ini dan mentransfer elektron ke keadaan normal (Gbr. 6a). Oleh karena itu, antara tingkat energi atas elektron dalam pasangan terikat dan tingkat energi elektron normal yang lebih rendah harus terdapat celah selebar E, yang merupakan hal yang diperlukan untuk munculnya superkonduktivitas. Sangat mudah untuk memverifikasi bahwa kesenjangan ini bersifat mobile, yaitu mampu bergeser di bawah pengaruh medan eksternal bersama dengan kurva distribusi elektron antar negara.
Pada Gambar. Gambar 7 menunjukkan model skema pasangan Cooper. Ini terdiri dari dua elektron yang bergerak mengelilingi muatan positif yang diinduksi, agak mengingatkan pada atom helium. Setiap elektron berpasangan dapat memiliki momentum dan vektor gelombang yang besar; pasangan secara keseluruhan (pusat massa pasangan) dapat diam, mempunyai kecepatan translasi nol. Hal ini menjelaskan sifat elektron yang tampaknya tidak dapat dipahami yang menempati tingkat atas dari bagian pita konduksi yang terisi dengan adanya celah (Gbr. 6a). Elektron tersebut memiliki (dan) kecepatan translasi yang sangat besar. Karena muatan positif pusat dari pasangan tersebut diinduksi oleh elektron yang bergerak itu sendiri, di bawah pengaruh medan eksternal, pasangan Cooper dapat bergerak bebas di seluruh kristal, dan celah energi E akan bergeser seiring dengan seluruh distribusi, seperti yang ditunjukkan pada Ara. 6b. Jadi, dari sudut pandang ini, kondisi munculnya superkonduktivitas terpenuhi.
Gambar.5 Gambar. 7
Namun, tidak semua elektron pita konduksi mampu berikatan menjadi pasangan Cooper. Karena proses ini disertai dengan perubahan energi elektron, hanya elektron yang mampu mengubah energinya yang dapat berikatan berpasangan. Ini hanyalah elektron yang terletak di pita sempit yang terletak di dekat tingkat Fermi (“elektron Fermi”). Perkiraan kasar menunjukkan bahwa jumlah elektron tersebut adalah ~ 10 -4 dari jumlah total, dan lebar pita, dalam urutan besarnya, adalah 10 -4.
Pada Gambar. sebuah bola Fermi dengan jari-jari dibangun dalam ruang momentum.
Di atasnya terdapat cincin dengan lebar dl, terletak relatif terhadap sumbu p y pada sudut q1, q2, q3. elektron-elektron yang vektornya berakhir pada luas cincin tertentu membentuk suatu golongan dengan momentum yang hampir sama. Jumlah elektron pada setiap golongan sebanding dengan luas cincin yang bersangkutan. Karena seiring bertambahnya μ, luas cincin juga meningkatkan jumlah elektron dalam golongan yang sesuai. Secara umum, elektron dari salah satu kelompok ini dapat berikatan berpasangan. Jumlah pasangan maksimum dibentuk oleh elektron yang lebih besar. Dan yang paling penting adalah elektron, yang momentumnya sama besarnya dan berlawanan arah. Ujung-ujung vektor elektron tersebut terletak bukan pada jalur sempit, tetapi di sepanjang seluruh permukaan Fermi. Jumlah elektron ini sangat banyak dibandingkan dengan elektron lainnya sehingga praktis hanya satu kelompok pasangan Cooper yang terbentuk - pasangan yang terdiri dari elektron-elektron yang mempunyai momentum yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. Ciri yang luar biasa dari pasangan ini adalah urutan momentumnya, yang terdiri dari fakta bahwa pusat massa semua pasangan mempunyai momentum yang sama, sama dengan nol ketika pasangan diam, dan berbeda dari nol, tetapi sama untuk semua pasangan. ketika pasangan bergerak sepanjang kristal. Hal ini menyebabkan korelasi yang cukup ketat antara pergerakan masing-masing elektron dan pergerakan semua elektron lain yang terikat berpasangan.
Elektron “bergerak seperti pemanjat yang diikat dengan tali: jika salah satu dari mereka gagal karena medan yang tidak rata (disebabkan oleh pergerakan termal atom), maka tetangganya akan membawanya kembali.” Properti ini membuat kumpulan pasangan Cooper kurang rentan terhadap penyebaran. Oleh karena itu, jika pasangan-pasangan tersebut digerakkan secara teratur oleh satu atau lain pengaruh luar, maka arus listrik yang dihasilkan oleh pasangan-pasangan tersebut dapat ada dalam penghantar untuk waktu yang tidak terbatas, bahkan setelah penghentian kerja faktor penyebabnya. Karena faktor tersebut hanya dapat berupa medan listrik E, ini berarti bahwa dalam logam yang elektron Fermi terikat dalam pasangan Cooper, arus listrik tereksitasi i tetap tidak berubah bahkan setelah medan tersebut berhenti: i=konstanta di E =0. Ini merupakan bukti bahwa logam tersebut memang berada dalam keadaan superkonduktor, memiliki konduktivitas yang ideal. Secara kasar, keadaan elektron ini dapat dibandingkan dengan keadaan benda yang bergerak tanpa gesekan: benda tersebut, setelah menerima impuls awal, dapat bergerak selama yang diinginkan, menjaganya tidak berubah.
Di atas kami membandingkan pasangan Cooper dengan atom helium. Namun perbandingan ini harus dilakukan dengan sangat hati-hati. Seperti telah disebutkan, muatan positif dari pasangan ini tidak stabil dan tetap, seperti atom helium, tetapi diinduksi oleh elektron yang bergerak itu sendiri dan bergerak bersamanya. Selain itu, energi ikat elektron berpasangan jauh lebih rendah daripada energi ikat elektron pada atom helium. Berdasarkan data pada Tabel 1, untuk pasangan Cooper E light = (10 -2 -10 -3) eV, sedangkan untuk atom helium E light = 24,6 eV. Oleh karena itu, ukuran pasangan Cooper jauh lebih besar daripada ukuran atom helium. Perhitungan menunjukkan diameter efektif pasangan adalah L? (10 -7 -10 -6) m; itu juga disebut panjang koherensi. Volume L 3 yang ditempati oleh pasangan tersebut berisi pusat massa ~ 10 6 pasangan serupa lainnya. Oleh karena itu, pasangan-pasangan ini tidak dapat dianggap sebagai semacam “molekul kuasi” yang terpisah secara spasial. Di sisi lain, tumpang tindih fungsi gelombang semua pasangan yang sangat besar meningkatkan efek kuantum pasangan elektron ke manifestasi makroskopisnya.
Ada analogi lain, dan analogi yang sangat mendalam, antara pasangan Cooper dan atom helium. Terdiri dari fakta bahwa sepasang elektron adalah sistem dengan putaran bilangan bulat, seperti halnya atom. Diketahui bahwa superfluiditas helium dapat dianggap sebagai manifestasi efek spesifik kondensasi boson pada tingkat energi yang lebih rendah. Dari sudut pandang ini, superkonduktivitas dapat dianggap sebagai superfluiditas pasangan elektron Cooper. Analogi ini bahkan lebih jauh lagi. Isotop helium lain, yang intinya mempunyai putaran setengah bilangan bulat, tidak memiliki superfluiditas. Namun fakta yang paling luar biasa, yang ditemukan baru-baru ini, adalah ketika suhu menurun, atom-atom dapat membentuk pasangan yang sangat mirip dengan pasangan Cooper, dan cairan menjadi superfluida. Sekarang kita dapat mengatakan bahwa superfluiditas seperti superkonduktivitas pasangan atomnya.
Dengan demikian, proses pemasangan elektron merupakan efek kolektif yang khas. Gaya tarik menarik yang timbul antar elektron tidak dapat menyebabkan berpasangannya dua elektron yang terisolasi. Pada dasarnya seluruh kumpulan elektron Fermi dan atom kisi berpartisipasi dalam pembentukan pasangan. Oleh karena itu, energi ikat (lebar celah E w) bergantung pada keadaan kumpulan elektron dan atom secara keseluruhan. Pada nol mutlak, ketika semua elektron Fermi terikat berpasangan, kesenjangan energi E q mencapai lebar maksimum E q (0). Dengan meningkatnya suhu, muncul fonon yang mampu memberikan energi ke elektron selama hamburan, cukup untuk memutus pasangan. Pada suhu rendah, konsentrasi fonon ini rendah, sehingga jarang terjadi kasus pemutusan pasangan elektron. Pemutusan beberapa pasangan tidak dapat menyebabkan hilangnya celah elektron dari pasangan yang tersisa, tetapi membuatnya lebih sempit; batas kesenjangan mendekati tingkat Fermi. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, konsentrasi fonon meningkat sangat cepat, dan energi rata-ratanya juga meningkat. Hal ini menyebabkan peningkatan tajam dalam laju pemutusan pasangan elektron dan, oleh karena itu, penurunan cepat dalam lebar celah energi untuk pasangan yang tersisa. Pada suhu tertentu Tk celahnya hilang sama sekali, ujung-ujungnya menyatu dengan tingkat Fermi dan logam kembali ke keadaan normal.
2.5 Interaksi efektif antar elektron akibat fonon logam
Fröhlich menunjukkan bahwa interaksi elektron dengan fonon dapat menimbulkan interaksi efektif antar elektron. Di bawah ini kami uraikan ketentuan pokok teorinya.
Dalam kisi ideal, pergerakan elektron pada pita konduksi ditentukan oleh fungsi Bloch
yang mewakili gelombang bidang yang dimodulasi oleh suatu fungsi u k (r) yang memenuhi kondisi periodisitas u k (r) = u k (r+n), di mana n adalah vektor kisi, k adalah vektor gelombang; h y adalah fungsi dari keadaan putaran. Kita tidak memerlukan bentuk eksplisit dan bentuk fungsi u k (r) lebih lanjut.
Fungsi gelombang elektron seluruh logam yang mengandung N elektron dalam volume V adalah hasil kali antisimetris dari fungsi N q k,y. Keadaan dasar sesuai dengan pengisian keadaan yang terletak di ruang k di dalam permukaan Fermi. Kita asumsikan bahwa permukaan ini terletak jauh dari batas zona dan bersifat isotropik, yaitu bola berjari-jari k 0 . pada saat eksitasi, elektron dari keadaan |k|< k 0 переходят в состояния k| >k 0 .
Jika е k adalah energi keadaan elektron dengan momentum kuasi k, maka dalam representasi kuantisasi sekunder sistem elektron Hamilton (sampai suku konstan) berbentuk
dimana a + kу, a kу adalah operator Fermi dalam penciptaan dan pemusnahan partikel kuasi.
Untuk menentukan operator interaksi dengan fonon kisi logam, kita memperhitungkan bahwa ketika ion positif yang menempati tempat ke-n dalam kisi dipindahkan sebesar n, energi interaksi elektron dengan kisi akan berubah sebesar jumlah. Oleh karena itu, dalam representasi kuantisasi sekunder, operator interaksi elektron-fonon dapat dituliskan dalam bentuk
dimana operator dinyatakan melalui operator Fermi a kу dan fungsi Bloch menggunakan persamaan
Oleh karena itu, operator perpindahan ion didefinisikan,
Dimana operator Bose; s adalah cepat rambat gelombang suara longitudinal yang berhubungan dengan vektor gelombang q, karena hanya gelombang longitudinal yang memberikan kontribusi dan bagi gelombang tersebut u(q) = sq.
Dengan mempertimbangkan bahwa jumlah, jika, dan sama dengan nol, jika, kita memperoleh ekspresi akhir untuk operator interaksi elektron-fonon dalam representasi nomor pekerjaan
dimana (1825) adalah singkatan dari jumlah produk operator Fermi; - jumlah kecil yang menentukan interaksi elektron-fonon. Integrasi dilakukan pada satu sel dasar. Huruf "es." istilah konjugat Hermitian dengan semua yang sebelumnya ditunjukkan.
Operator interaksi (24) tidak bergantung pada keadaan spin elektron, sehingga berikut ini kita dapat menghilangkan penulisan indeks spin y. Operator (24) diperoleh dengan asumsi bahwa ion-ion dalam kisi bergerak sebagai satu kesatuan, bahwa D(q) hanya bergantung pada q dan tidak bergantung pada k, dan bahwa getaran ion-ion dalam kisi terbagi menjadi longitudinal dan melintang untuk semua nilai q, sehingga interaksi hanya terjadi dengan fonon memanjang. Tanpa penyederhanaan ini, perhitungan menjadi sangat rumit. Kerumitan seperti itu hanya dibenarkan jika diperlukan untuk memperoleh hasil kuantitatif.
Dokumen serupa
Kuantisasi fluks magnet. Teori termodinamika superkonduktivitas. Efek Josephson sebagai fenomena kuantum superkonduktor. Detektor interferensi kuantum superkonduktor, aplikasinya. Alat untuk mengukur medan magnet lemah.
tes, ditambahkan 02/09/2012
Konsep dan sifat superkonduktivitas, penerapan praktisnya. Karakteristik sifat-sifat superkonduktor tipe 1 dan tipe 2. Inti dari “teori Bardeen-Cooper-Schrieffer” (BCS), yang menjelaskan fenomena superkonduktivitas logam pada suhu sangat rendah.
abstrak, ditambahkan 12/01/2010
Penemuan superkonduktor, efek Meissner, superkonduktivitas suhu tinggi, ledakan superkonduktor. Sintesis superkonduktor suhu tinggi. Penerapan bahan superkonduktor. Dielektrik, semikonduktor, konduktor dan superkonduktor.
tugas kursus, ditambahkan 06/04/2016
Penemuan kekhasan perubahan resistensi merkuri pada tahun 1911. Inti dari fenomena superkonduktivitas, karakteristik banyak konduktor. Kemungkinan penerapan superkonduktivitas industri yang paling menarik. Bereksperimenlah dengan "peti mati Muhammad".
presentasi, ditambahkan 22/11/2010
Hipotesis monopole Dirac. Muatan magnet sebuah elektron, yang identik dengan kuantum fluks magnet yang diamati dalam kondisi superkonduktivitas. Analisis efek kuantisasi fluks magnet. Hukum Coulomb: interaksi muatan listrik dan magnet.
artikel, ditambahkan 09.12.2010
Pengurangan hambatan listrik terhadap arus searah hingga nol dan pengusiran medan magnet dari volume. Produksi bahan superkonduktor. Keadaan antara ketika superkonduktivitas dihancurkan oleh arus. Superkonduktor jenis pertama dan kedua.
tugas kursus, ditambahkan 24/07/2010
Sifat bahan superkonduktor. Penentuan hambatan listrik dan permeabilitas magnetik celah non-magnetik. Penurunan kekuatan medan magnet berdasarkan luas. Kondisi pengoperasian perangkat. Penerapan efek Meissner dan penemuannya.
karya ilmiah, ditambahkan 20/04/2010
Fisikawan hebat yang menjadi terkenal karena menggarap teori dan praktik superkonduktivitas. Studi tentang sifat-sifat materi pada suhu rendah. Reaksi superkonduktor terhadap pengotor. Sifat fisik superkonduktivitas dan prospek penerapan praktisnya.
presentasi, ditambahkan 04/11/2015
Sejarah penemuan superkonduktor, klasifikasinya. Transisi fase ke keadaan superkonduktor. Teori ilmiah yang menjelaskan fenomena ini dan eksperimen yang menunjukkannya. Efek Josephson. Penerapan superkonduktivitas dalam akselerator, kedokteran, dan transportasi.
tugas kursus, ditambahkan 04/04/2014
Dukungan ilmiah dan teoretis untuk pembenaran proyek ini didasarkan pada apa yang sekarang dianggap sebagai pengetahuan dasar fisika teoretis. Ini adalah serangkaian penemuan hukum dan dampak yang luar biasa, dalam banyak kasus karena alasan tertentu tidak digunakan hingga saat ini.
