Fémek szupravezetése, Heike Kamerling-Onnes felfedezése

Az első, aki találkozott a szupravezetés jelenségével Heike Kamerling Onnes — holland fizikus és kémikus. A jelenség felfedezésének éve 1911 volt. És már 1913-ban a tudós fizikai Nobel-díjat kap kutatásaiért.

A higany elektromos ellenállásának tanulmányozása során ultraalacsony hőmérsékleten azt kívánta meghatározni, hogy milyen szintre csökkenhet egy anyag elektromos árammal szembeni ellenállása, ha megtisztítják a szennyeződésektől, és amennyire csak lehetséges, csökkenteni kívánta az anyag elektromos árammal szembeni ellenállását. hívott. » termikus zaj «, vagyis ezen anyagok hőmérsékletének csökkentése. Az eredmények váratlanok és megdöbbentőek voltak. 4,15 K alatti hőmérsékleten a higany ellenállása hirtelen teljesen eltűnt!

Az alábbiakban egy grafikonon látható, amit Onnes megfigyelt.

Akkoriban a tudomány már legalább ennyit tudott Az áram a fémekben az elektronok áramlása, amelyek elkülönülnek atomjaiktól, és a töltött gázhoz hasonlóan az elektromos tér által elhordják.Olyan, mint a szél, amikor a levegő a magas nyomású területről az alacsony nyomású területre mozog. Csak most, áram esetén levegő helyett szabad elektronok vannak, és a vezeték végei közötti potenciálkülönbség analóg a levegőpélda nyomáskülönbségével.

A dielektrikumokban ez lehetetlen, mert az elektronok szorosan kötődnek az atomjaikhoz, és nagyon nehéz elszakítani őket a helyükről. És bár a fémekben az áramot alkotó elektronok viszonylag szabadon mozognak, időnként rezgő atomok formájában akadályokba ütköznek, és egyfajta súrlódás lép fel, ún. elektromos ellenállás.

De ultraalacsony hőmérsékleten kezd megnyilvánulni szupravezetés, a súrlódási hatás valamiért megszűnik, a vezető ellenállása nullára csökken, ami azt jelenti, hogy az elektronok teljesen szabadon, akadálytalanul mozognak. De hogyan lehetséges ez?

A fizikusok évtizedeket töltöttek kutatással, hogy megtalálják a választ erre a kérdésre. És még ma is a közönséges vezetékeket "normál" vezetékeknek nevezik, míg a nulla ellenállású vezetőket szupravezetőknek nevezzük..

Megjegyzendő, hogy bár a közönséges vezetők a hőmérséklet csökkenésével csökkentik ellenállásukat, a réz még több kelvines hőmérsékleten sem válik szupravezetővé, a higany, az ólom és az alumínium viszont igen, ellenállásuk legalább százbillió. szor alacsonyabb, mint a réz azonos körülmények között.

Érdemes megjegyezni, hogy Onnes nem tett megalapozatlan állításokat arról, hogy a higany ellenállása az áram áthaladásakor pontosan nulla lett, és nem egyszerűen annyira leesett, hogy a korabeli műszerekkel lehetetlenné vált volna megmérni.

Kísérletet állított fel, amelyben a folyékony héliumba merített szupravezető tekercs árama mindaddig keringett, amíg a dzsinn el nem párolog. Az iránytű, amely a tekercs mágneses terét követte, egyáltalán nem tért el! 1950-ben egy ilyen pontosabb kísérlet másfél évig tart, és az áramerősség ilyen hosszú idő ellenére sem csökken.

Kezdetben ismert, hogy a fém elektromos ellenállása jelentősen függ a hőmérséklettől, ilyen grafikont készíthet rézre.

Minél magasabb a hőmérséklet, annál jobban rezegnek az atomok, minél jobban rezegnek az atomok, annál jelentősebb akadályt képeznek az áramot alkotó elektronok útjában. Ha a fém hőmérséklete csökken, akkor ellenállása csökken, és megközelít egy bizonyos R0 maradék ellenállást. És ez a maradék ellenállás, mint kiderült, a minta összetételétől és "tökéletességétől" függ.

A tény az, hogy hibák és szennyeződések minden fémből készült mintában megtalálhatók. Ez a függőség mindenekelőtt 1911-ben érdekelte az Egyeseket, kezdetben nem törekedett a szupravezetésre, hanem csak a vezető olyan frekvenciáját akarta elérni, hogy minimális legyen a maradék ellenállása.

Azokban az években a higany könnyebben tisztítható volt, így véletlenül bukkant rá a kutató, annak ellenére, hogy a platina, az arany és a réz közönséges hőmérsékleten jobb vezető, mint a higany, csak nehezebb megtisztítani őket.

A hőmérséklet csökkenésével a szupravezető állapot hirtelen fellép egy bizonyos pillanatban, amikor a hőmérséklet elér egy bizonyos kritikus szintet. Ezt a hőmérsékletet kritikusnak nevezik, amikor a hőmérséklet még lejjebb csökken, az ellenállás élesen nullára csökken.

Minél tisztább a minta, annál élesebb az esés, és a legtisztább mintákban ez a csökkenés százfok alatti intervallumban következik be, de minél szennyezettebb a minta, annál hosszabb a csökkenés és eléri a több tíz fokot, ez különösen igaz észrevehető benne magas hőmérsékletű szupravezetők.

A minta kritikus hőmérsékletét az éles esési intervallum közepén mérik, és minden anyag esetében egyedi: higanynál 4,15 K, nióbiumnál 9,2 K, alumíniumnál 1,18 K stb. Az ötvözetek külön történet, szupravezető képességüket Onnes később fedezte fel: a higany arannyal és a higany ónnal voltak az első szupravezető ötvözetek, amelyeket felfedezett.

Mint fentebb említettük, a tudós folyékony héliummal végezte a hűtést. Onnes egyébként a folyékony héliumot saját módszere szerint, saját speciális laboratóriumában fejlesztette ki, amelyet három évvel a szupravezetés jelenségének felfedezése előtt alapítottak.

Ahhoz, hogy egy kicsit megértsük a szupravezetés fizikáját, amely a minta kritikus hőmérsékletén fordul elő, így az ellenállás nullára csökken, meg kell említeni fázisátmenet… A normál állapot, amikor a fém normál elektromos ellenállással rendelkezik, a normál fázis. Szupravezető fázis — ez az az állapot, amikor a fém ellenállása nulla. Ez a fázisátalakulás közvetlenül a kritikus hőmérséklet után következik be.

Miért történik fázisátalakulás? A kezdeti "normál" állapotban az elektronok jól érzik magukat atomjaikban, és amikor az áram átfolyik egy vezetéken ebben az állapotban, akkor a forrás energiája arra kényszeríti az elektronokat, hogy elhagyják atomjaikat, és elinduljanak az elektromos tér mentén. még akkor is, ha útjaik során pislákoló akadályokba ütköznek.

Ha a vezetéket a kritikus hőmérséklet alatti hőmérsékletre hűtjük, és egyúttal áram keletkezik rajta, kényelmesebbé válik az elektronok számára (energia kedvező, energia olcsó) ebben az áramban lenni, és visszatérni az eredetihez. "normál" állapot, ilyenkor szükség lenne valahonnan plusz energiát szerezni, de az nem jön sehonnan. Ezért a szupravezető állapot annyira stabil, hogy az anyag nem távozhat belőle, hacsak nem melegítik fel.

Lásd még:Meissner-effektus és felhasználása