Namagnesowany przedmiot lewituje nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej temperatury przejścia.

Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na zerowej rezystancji , osiągany w niskiej temperaturze.

Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez Kamerlingha Onnesa ^[1]. Jest to zjawisko kwantowe , niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej . Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości pola magnetycznego ( efekt Meissnera ).

Nadprzewodnictwo było obserwowane w różnych materiałach: niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie , rtęci i ołowiu ), stopach , ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.

Rodzaje nadprzewodników

Na podstawie różnych kryteriów można wydzielić różne grupy nadprzewodników:

• Ze względu na właściwości fizyczne:
  • nadprzewodniki I rodzaju, w których przy określonym krytycznym polu magnetycznym B_C dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego,
  • nadprzewodniki II rodzaju, w których przy określonym polu magnetycznym B_C1 dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i utworzenia stanu mieszanego, a powyżej pola B_C2 zachodzi zniszczenie stanu nadprzewodzącego.
• Ze względu na skład chemiczny i budowę:
  • niektóre pierwiastki (na przykład rtęć, kadm, ołów, cynk, cyna, glin, iryd, platyna), inne przechodzą w stan nadprzewodnictwa tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (na przykład tlen, fosfor, siarka, german, żelazo^[2], lit^[3]) lub w postaci cienkich warstw (wolfram, beryl, chrom^[4]); jeszcze innych nie dało się jak dotychczas przeprowadzić w stan nadprzewodnictwa (na przykład srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne^[5], wodór^[6]),
  • stopy i związki międzymetaliczne, takie jak na przykład NbTi,
  • związki organiczne, w tym odmiany alotropowe węgla ( fulereny , nanorurki ^[7]),
  • tlenkowe związki miedzi i żelaza o strukturze perowskitu zarówno w postaci ceramik , jak i monokryształów .
• Ze względu na stosowaną metodę opisu:
  • nadprzewodniki konwencjonalne, które dają się dobrze opisać teorią BCS ,
  • nadprzewodniki niekonwencjonalne, które jeszcze nie posiadają ogólnie akceptowanej teorii tłumaczącej w zadowalający sposób ich właściwości.
• Ze względu na temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa:
  • nadprzewodniki niskotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury ciekłego azotu (77 K),
  • nadprzewodniki wysokotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa powyżej temperatury ciekłego azotu. Niegdyś nazywano tak ceramiczne półprzewodniki tlenkowe, ale wobec odkrywania nowych grup materiałów nadprzewodzących taka konwencja przestała być używana.
• Istnieje grupa nadprzewodników ferromagnetycznych, na przykład UGe₂^[8], URhGe^[9].

Właściwości fizyczne nadprzewodników

Spadek oporu elektrycznego rtęci przy przejściu poniżej temperatury krytycznej (rys. zaczerpnięty z oryginalnej pracy Kamerlingha Onnesa)

Podstawową cechą charakteryzującą nadprzewodniki jest spadek do zera ich oporu elektrycznego poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną. Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia i pola magnetycznego.

Zerowa oporność elektryczna nie jest jedyną cechą nadprzewodnictwa. Drugim efektem jest wypychanie z materiału pola magnetycznego, zwane efektem Meissnera (w nadprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w "wiry" (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju).

Historia

Zjawisko nadprzewodnictwa zostało wykryte w 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badań właściwości materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badań wykorzystano rtęć, gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywać w stanie o bardzo dużej czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze 4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości^[1].

W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy tym czułość zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne.

W 1933 niemieccy fizycy Fritz Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika^[10].

W 1950 roku dwie niezależne grupy wykryły efekt izotopowy - zależność temperatury przejścia w stan nadprzewodnictwa od liczby masowej izotopu. Nasunęło to wniosek, że efekt nadprzewodnictwa zależy nie tylko od nośników ładunku, ale także od właściwości jonów sieci krystalicznej^[11][12].

W 1952 Witalij Ginzburg zaproponował do wyjaśnienia procesu nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie.

W 1957 John Bardeen , Leon Cooper i John Schrieffer stworzyli teorię BCS, wyjaśniającą mechanizm powstania zjawiska nadprzewodnictwa.

W 1986 Georg Bednorz i Alex Müller odkryli w tlenkowym związku Ba-La-Cu-O nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej 35 K.

Podstawy fizyczne zjawiska

Istotą powstania stanu nadprzewodnictwa jest powstanie par nośników ładunku ( pary Coopera ). Pary takie mogą powstać w wyniku łączenia się dwóch elektronów posiadających energię bliską energii Fermiego nawet wtedy, gdy energia wiążącego je oddziaływania jest bardzo mała^[13]. Zmienia to właściwości elektryczne materiału, gdyż pojedyncze nośniki są fermionami , a pary bozonami .

Do opisu klasycznych nadprzewodników niskotemperaturowych stosuje się teorię BCS opisującą oddziaływanie wiążące nośniki w wyniku odkształceń sieci krystalicznej. Na skutek zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze pojawia się sprzężenie pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci. Sprzężenie to pozwala na "sparowanie" elektronów. W modelu BCS para Coopera to rodzaj wzbudzenia elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią krystaliczną , czyli wymianie fononów .

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie elektrony , lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd_2-xCe_xCu_4-δ).

Pary Coopera, będące bozonami , mogą się skondensować na jednym poziomie energetycznym . Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się "wyswobodzić", bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko drgania harmoniczne .

W efekcie pary są trwałe i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami prądu elektrycznego są w nadprzewodnikach pary elektronowe o ładunku 2 e .

Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących

Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności . Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są srebro i miedź .

Podczas analizy właściwości metali i stopów zauważono, że ich rezystywność maleje wraz ze spadkiem temperatury . W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre substancje stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą aluminium , cyna oraz wiele innych metali i niektóre półprzewodniki . Dobre właściwości mają również spieki i związki miedzi i tlenu . Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro) i ferromagnetykach ( żelazo i jego stopy).

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20  °C ).

Tym niemniej nadprzewodniki działające w temperaturze ciekłego helu są już praktycznie wykorzystywane w szczególnych sytuacjach. Przykładem są tu nadprzewodnikowe elektromagnesy stosowane w aparatach NMR , w których generują one bardzo silne pola magnetyczne przy niewielkim poborze mocy , potrzebnym głównie do utrzymywania nadprzewodnika w niskiej temperaturze (jak np. minimalizacja strat ciekłego helu, w którym jest zanurzony). Podobne elektromagnesy są też stosowane w przemysłowych generatorach plazmy oraz w akceleratorach cząstek elementarnych . Zjawisko nadprzewodnictwa wykorzystuje się również w nadprzewodnikowych zasobnikach energii .

Podjęto próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice . Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe , takie jak np. skraplanie się gazu . W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginzburga-Landaua .

Przypisy

Zobacz też

• Półprzewodniki
• Przewodnik elektryczny
• Przewodnictwo elektryczne