Metalų superlaidumas, Heike Kamerling-Onnes atradimas

Pirmasis, kuris susidūrė su superlaidumo reiškiniu Heike Kamerling Onnes – olandų fizikas ir chemikas. Reiškinio atradimo metai buvo 1911 m. O jau 1913 metais mokslininkas už savo tyrimus gaus Nobelio fizikos premiją.

Atlikdamas gyvsidabrio elektrinės varžos tyrimą itin žemoje temperatūroje, jis norėjo nustatyti, iki kokio lygio galėtų sumažėti medžiagos atsparumas elektros srovei, jei ji būtų išvalyta nuo priemaišų, ir kiek įmanoma sumažinti, kas gali būti paskambino. „Šiluminis triukšmas“, tai yra, sumažinti šių medžiagų temperatūrą. Rezultatai buvo netikėti ir stulbinantys. Esant žemesnei nei 4,15 K temperatūrai gyvsidabrio atsparumas staiga visiškai išnyko!

Žemiau pateikiamas Onneso pastebėjimo grafikas.

Tais laikais mokslas jau žinojo bent tiek srovė metaluose yra elektronų srautas, kurios yra atskirtos nuo savo atomų ir, kaip ir įkrautos dujos, yra nunešamos elektrinio lauko.Tai kaip vėjas, kai oras juda iš aukšto slėgio srities į žemo slėgio sritį. Tik dabar srovės atveju vietoj oro yra laisvieji elektronai, o potencialų skirtumas tarp laido galų yra analogiškas oro pavyzdžiui slėgio skirtumui.

Dielektrikuose tai neįmanoma, nes elektronai yra glaudžiai surišti su savo atomais ir juos labai sunku išplėšti iš savo vietų. Ir nors metaluose srovę formuojantys elektronai juda gana laisvai, jie retkarčiais susiduria su kliūtimis vibruojančių atomų pavidalu ir atsiranda savotiška trintis, vadinama elektrinė varža.

Tačiau esant itin žemai temperatūrai, tai pradeda reikštis superlaidumas, trinties efektas kažkodėl išnyksta, laidininko varža nukrenta iki nulio, vadinasi, elektronai juda visiškai laisvai, netrukdomai. Bet kaip tai įmanoma?

Norėdami rasti atsakymą į šį klausimą, fizikai tyrinėjo dešimtmečius. Ir net ir šiandien paprasti laidai vadinami „normaliais“ laidais, tuo tarpu laidininkai, kurių varža nulinė, vadinami „superlaidininkais“.

Pažymėtina, kad nors paprasti laidininkai mažėjant temperatūrai savo varžą mažina, varis net kelių kelvinų temperatūroje netampa superlaidininku, o gyvsidabris, švinas ir aliuminis tampa, jų varža, pasirodo, yra mažiausiai šimtas trilijonų. kartų mažesnis nei vario tomis pačiomis sąlygomis.

Verta pažymėti, kad Onnesas nepateikė nepagrįstų tvirtinimų, kad gyvsidabrio varža praeinant srovei tapo lygiai nuliui ir tiesiog nesumažėjo tiek, kad to meto prietaisais tapo neįmanoma išmatuoti.

Jis sukūrė eksperimentą, kurio metu srovė superlaidžioje ritėje, panardintoje į skystą helią, toliau cirkuliavo, kol džinas išgaravo. Kompaso adata, kuri sekė ritės magnetinį lauką, nė kiek nenukrypo! 1950 metais tikslesnis tokio pobūdžio eksperimentas truks pusantrų metų, o srovė niekaip nesumažės, nepaisant tokio ilgo laiko tarpo.

Iš pradžių žinoma, kad metalo elektrinė varža labai priklauso nuo temperatūros, galite sukurti tokį vario grafiką.

Kuo aukštesnė temperatūra, tuo labiau atomai vibruoja.Kuo daugiau atomai vibruoja, tuo reikšmingesne kliūtimi jie tampa srovę formuojančių elektronų kelyje. Jei metalo temperatūra mažėja, jo varža sumažės ir artėja prie tam tikro liekamojo pasipriešinimo R0. Ir šis liekamasis pasipriešinimas, kaip paaiškėjo, priklauso nuo mėginio sudėties ir „tobulumo“.

Faktas yra tas, kad defektų ir priemaišų randama bet kuriame metalo pavyzdyje. Ši priklausomybė labiausiai domino 1911 m., iš pradžių jis nesiekė superlaidumo, o tik norėjo pasiekti tokį laidininko dažnį, kaip įmanoma sumažinti jo liekamąją varžą.

Tais metais gyvsidabrį buvo lengviau išvalyti, todėl mokslininkas su juo susidūrė atsitiktinai, nepaisant to, kad platina, auksas ir varis yra geresni laidininkai nei gyvsidabris esant įprastoms temperatūroms, tik juos išvalyti yra sunkiau.

Temperatūrai mažėjant, superlaidumo būsena tam tikru momentu atsiranda staiga, kai temperatūra pasiekia tam tikrą kritinį lygį. Tokia temperatūra vadinama kritine, kai temperatūra nukrenta dar žemiau, varža smarkiai nukrenta iki nulio.

Kuo grynesnis mėginys, tuo kritimas staigesnis, o gryniausiuose mėginiuose šis kritimas įvyksta mažesniu nei šimtosios laipsnio dalies intervalu, bet kuo labiau užterštas mėginys, tuo ilgesnis kritimas ir pasiekia keliasdešimt laipsnių, tai ypač pastebimas viduje aukštos temperatūros superlaidininkai.

Kritinė mėginio temperatūra matuojama staigių kritimų intervalo viduryje ir kiekvienai medžiagai yra individuali: gyvsidabriui 4,15K, niobiui 9,2K, aliuminiui 1,18K ir kt. Lydiniai yra atskira istorija, jų superlaidumą Onnes atrado vėliau: gyvsidabris su auksu ir gyvsidabris su alavu buvo pirmieji jo atrasti superlaidūs lydiniai.

Kaip minėta aukščiau, mokslininkas aušinimą atliko skystu heliu. Beje, Onnesas skystą helią gavo pagal savo metodą, sukurtą savo specialioje laboratorijoje, įkurtoje trejus metus iki superlaidumo reiškinio atradimo.

Norint šiek tiek suprasti superlaidumo fiziką, kuri atsiranda esant kritinei mėginio temperatūrai, kad varža nukrenta iki nulio, reikia paminėti fazių perėjimas… Normali būsena, kai metalas turi normalią elektrinę varžą, yra normali fazė. Superlaidumo fazė — tai būsena, kai metalo varža nulinė. Šis fazinis perėjimas įvyksta iškart po kritinės temperatūros.

Kodėl vyksta fazinis perėjimas? Pradinėje „normalioje“ būsenoje elektronai jaučiasi patogiai savo atomuose, o kai srovė teka per laidą tokioje būsenoje, šaltinio energija išeikvojama tam, kad kai kurie elektronai būtų priversti palikti savo atomus ir pradėti judėti palei elektrinį lauką. nors savo keliuose susiduria su mirgančiomis kliūtimis.

Kai laidas atšaldomas iki temperatūros, žemesnės už kritinę temperatūrą ir tuo pat metu per jį nusileidžia srovė, elektronams tampa patogiau (energija palanku, pigu) būti šioje srovėje ir grįžti į pradinį. "normalios" būsenos, reikėtų tokiu atveju iš kažkur gauti papildomos energijos, bet ji iš niekur neatsiranda. Todėl superlaidumo būsena yra tokia stabili, kad materija negali iš jos išeiti, nebent ji pakartotinai kaitinama.

Taip pat žiūrėkite:Meisnerio efektas ir jo panaudojimas