Opdager af superledning Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
Forfatterne af den mest populære model for superledning (BCS) er John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.superconductors.org
HTSCs forfædre. Nobelprismodtagerne Alex Müller og Georg Bednorz, www.superconductors.org
Opdagelse af kviksølvholdige HTSC-faser ved kemiafdelingen ved Moscow State University - E.V. Antipov og S.N. Putilin, www.icr.chem.msu.ru
Opdagelseshistorie
(Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A., Chemical Principles of getting metal oxide superconductors, Uspekhi Khimii, 2000, v. 69, nr. 1, s. 3-40.)
Historien om superledning er præget af en kæde af opdagelser mere og mere komplekse strukturer, en slags "kemisk evolution" fra simpel til kompleks. Det går tilbage til 1911, hvor den hollandske fysiker Kamerlingh Onnes, som først opnåede flydende helium og derved åbnede vejen for systematiske undersøgelser af materialers egenskaber ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, opdagede, at almindeligt metallisk kviksølv (et simpelt stof) ved 4,2 K. repræsenterer et "dårligt metal") mister fuldstændig elektrisk modstand. I 1933 Meissner og Ochsenfeld viste, at superledere (SC) også er ideelle diamagneter, det vil sige, at de fuldstændig skubber linjer ud magnetfelt fra mængden af joint venture.
Alt dette åbnede i princippet enorme muligheder for den praktiske anvendelse af superledning. Dog på vej til at realisere disse ideer lang tid der var en uoverstigelig barriere - den ekstremt lave temperatur ved overgangen til den overophedede tilstand, kaldet den kritiske temperatur (Tc). I de 75 år, der er gået siden opdagelsen af Kamerlingh Onnes, er denne temperatur kun blevet hævet til 23,2 K på den Nb 3 Ge intermetalliske forbindelse, og de generelt accepterede teorier om superledning (BCS) har givet anledning til vantro på den fundamentale mulighed at overvinde denne temperaturbarriere.
I 1986 Bednorz og Müller opdagede evnen af keramik baseret på kobber-, lanthan- og bariumoxider (La 2-x Ba x CuO 4) til at gå over til den overophedede tilstand ved 30K. Komplekse cuprates af lignende sammensætning blev syntetiseret i 1978. Lazarev, Kahan og Shaplygin, samt franske forskere to år senere. Desværre blev den elektriske ledningsevne af disse prøver kun målt op til kogepunktet flydende nitrogen(77K), hvilket ikke tillod os at detektere effekten af superledning.
Det vigtigste træk ved opdagelsen af HTSC er, at superledning ikke blev opdaget i traditionelle intermetalliske forbindelser, organiske eller polymere strukturer, men i oxidkeramik, som normalt udviser dielektriske eller halvlederegenskaber. Dette ødelagde psykologiske barrierer og gjorde det muligt inden for kort tid at skabe nye, mere avancerede generationer af metaloxid-joint ventures næsten samtidigt i USA, Japan, Kina og Rusland:
Februar 1987 - Chu et al syntetiserer, ved hjælp af ideen om "kemisk kompression" til at modificere strukturen, SP keramik fra barium, yttrium og kobberoxider YBa 2 Cu 3 O 7-x med en kritisk temperatur på 93 K, dvs. , over kogepunktet for det flydende nitrogen.
I januar 1988 Maeda et al syntetiserer en række forbindelser med sammensætningen Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, blandt hvilke fasen med n=3 har T c =108K.
En måned senere opnåede Sheng og Herman superlederen Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125K.
I 1993 Antipov, Putilin og andre opdagede en række kviksølvholdige superledere med sammensætningen HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). I øjeblikket har HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) fasen den højeste kendte værdi af den kritiske temperatur (135 K), og ved et eksternt tryk på 350 tusinde atmosfærer stiger overgangstemperaturen til 164 K , hvilket kun er 19 K lavere end minimumstemperaturen, registreret under naturlige forhold på Jordens overflade. Således "udviklede SC'er sig kemisk" og gik fra metallisk kviksølv (4,2 K) til kviksølvholdig HTSC (164 K).
I alt er omkring 50 originale lagdelte HTSC cuprates kendt til dato. Fra tid til anden dukker der opsigtsvækkende rapporter i pressen om oprettelsen af nye SP'er med temperaturer over stuetemperatur. Og selvom kobberfri SC'er har været kendt i ret lang tid, har de endnu ikke været i stand til at opnå nogen høj temperatur for overgang til SC-tilstanden (rekordværdier af T c for kobberfri SC'er blev opnået i Ba 1 -x K x BiO 3 og i den interstitielle fase baseret på fulleren (Cs 3 C 60) Separat bør vi også nævne retningen forbundet med forsøg på at syntetisere "miljøsikre" HTSC'er, der ikke indeholder tungmetaller (Hg, Pb, Ba calciumoxycupratfaser opnået under højt tryk.
Side 1
Opdagelse af superledning kl højt blodtryk i (TMTSF) 2PF6 og ved normalt tryk (TMTSF) 2C1O4 førte til en mærkbar revision af tidligere eksisterende ideer vedrørende de nødvendige forudsætninger for fremkomsten af en superledende tilstand. Når man studerer krystal strukturer og interatomare afstande i flere forbindelser af typen (TMTSF) 2Ar Woodle kom til den konklusion, at opfyldelsen af betingelserne (a) og (b) ikke er nødvendig. Desuden i I dette tilfælde metallisk elektrisk ledningsevne opstår ikke på grund af overlapning bølgefunktioner tg elektroner af carbon, men på grund af nærhed af selenatomer til hinanden, og en sådan overlapning forekommer ikke kun inden for stakken, men også mellem nabostabler. Med andre ord er krystallerne af de pågældende forbindelser bygget af donor- og acceptorlag og danner kvasi-todimensionelle strukturer. I det væsentlige overstiger alle afstande mellem selenatomer ikke atomernes van der Waals-radier. Magnetresistensmålinger gav følgende resultater: den todimensionelle bevægelse af elektroner, som sker i planer trukket gennem TMTSF-stabler vinkelret på planet i figur 5 6.1, er kohærent, og bevægelsen mellem disse planer er diffusionel. Som Woodl påpegede, når man overvejer de tilgængelige resultater på disse forbindelser, opstår der mindst tre interessante spørgsmål: teoretiske problemstillinger: (1) Hvad er årsagen til den ikke-lineære feltafhængighed af elektrisk ledningsevne.
Opdagelsen af superledning er den største en lys begivenhed i konduktivitetsundersøgelser organisk stof. Det blev første gang observeret af Bechgaard, Jacobsen, Mortensen, Petersen og Tsorap og Jerome, Mazo, Ribot og Bechgaard i 1980 i en familie af isostrukturelle forbindelser med generel formel(TMTSF) 2Ar, som ofte kaldes Bechgaard-salte. Kun saltet ClO4 udviser superledning ved atmosfærisk tryk og har en kritisk superledende overgangstemperatur Tc 1 K.
Siden opdagelsen af superledning, er mulighederne for teknisk brug dette fantastiske fænomen.
Kort efter opdagelsen af superledning i kviksølv var Kamerling-On - Nes og hans samarbejdspartnere i stand til at vise, at andre metaller, såsom bly og tin, kan omdannes til en superledende tilstand. Senere blev de superledende egenskaber af indium, gallium og thallium opdaget, og i 30'erne, med udviklingen af nye dybdekølingsmetoder, blev antallet af superledere genopfyldt med aluminium, zink og andre grundstoffer.
Meget hurtigt efter opdagelsen af superledning blev det opdaget, at det ikke kun kan ødelægges ved at opvarme en prøve, men også ved at placere det i et magnetfelt.
Det skal understreges, at opdagelsen af superledning og særlige egenskaber kvantevæsker sår slet ikke tvivl om det reelle processer altid irreversibel i en eller anden grad.
Så det tog næsten et halvt århundrede fra opdagelsen af superledning, før der blev gjort kvalitative fremskridt med at forstå arten af denne fantastisk fænomen og hans konsekvente teori blev skabt.
I slutningen af 1986 blev der udgivet en rapport af K. Bednorets fra Schweiz om opdagelsen af superledning af lanthan-barium-kobber oxygenkeramik ved temperaturer over 30 K.
Vigtig karakteristisk egenskab superleder er fuldstændig fravær modstand ved temperaturer under overgangstemperaturen Qc. Dette blev faktisk troet i en ret lang periode efter opdagelsen af superledning. Men en superleder ved temperaturer under 6C er ikke bare en ideel leder: den er også en ideel diamagnetisk, eller med andre ord, selv i nærvær af et eksternt magnetfelt, dens indre tæthed magnetisk flux altid lig nul. Det betyder, at når en superleder placeret i et magnetfelt afkøles, elledninger induktioner skubbes ud af materialet, så snart den superledende overgangstemperatur er passeret.
Den første egenskab blev opdaget af Kamerlingh Onnes tre år efter at han var i stand til at gøre helium flydende, den anden blev opdaget af Kapitsa 30 år efter opdagelsen af superledning.
Høje temperaturer af den superledende overgang kan forekomme i sådanne kemiske forbindelser, hvis komponenter har lav Tc eller slet ikke er superledere. For eksempel har nitrogen og kulstof ingen superledningsevne, ren wolfram, zirconium og molybdæn har Tk 1 K, og for WC Tk - 10 K, for ZrN Tk 10 7 K, for MoC Tk - 14 3 K. Opdagelsen af superledning i en polymer (SN) betyder begyndelsen på et nyt trin i studiet af superledning. Legeringer og forbindelser baseret på overgangsmetaller har de højeste superledende parametre.
De sidste år var tiden aktivt arbejde i det område, vi har overvejet, og der forventes endnu mere aktivitet i fremtiden. Som fra et overflødighedshorn skabt høj kunst organiske kemikere, forbindelser med nye elektriske egenskaber. Opdagelsen af superledning i mere end én type IRS har markant udvidet mulighederne for at bestemme superledningsmekanismen og følgelig syntesen af forbindelser med mere høj temperatur superledende overgang. Syntesen af forbindelser, der opfører sig som kvasi-en-dimensionelle og kvasi-to-dimensionelle systemer, har åbnet et stort aktivitetsområde for teoretikere, som nu kan finde præcis løsning overførselsproblemer. Stor skala har taget brugen af maskinmodellering, som er ved at blive en førende trend, for eksempel inden for studiet af amorfe faste stoffer, hvor transportørens bevægelse har en hoppende karakter. Den fortsatte udvikling af laserteknologi, som gør det muligt at opnå korte strålingsimpulser med præcist definerede bølgelængder, har gjort det muligt at excitere specifikke interne tilstande og studere deres afslapningshastigheder; Ensartede linjebredder måles, og mekanismer til en sådan udvidelse udvikles.
Ved første øjekast ser det ud til, at vidnesbyrdet fra K. P. Yakovlev skarpt modsiger en uigendrivelig historisk kendsgerning: I den sidste korte artikel af P. N. Lebedev, Advances in Physics i 1911, er der ikke et ord om det planetariske atom. Men pointen er, at denne artikel, skrevet til den brede offentlighed og offentliggjort i nytårsudgaven af Russian Gazette, kun var dedikeret til de indiskutable og forståelige succeser i det 11. år. Den nævnte således ikke opdagelsen af superledning, selvom et helt afsnit blev viet til arbejdet i Kammerling-Onnes kryogene laboratorium. Det planetariske atom tilhørte ikke kategorien af indiskutable og forståelige sandheder.
Relaterede storslået åbning udsigterne er fantastiske. At skabe materialer med nul elektrisk modstand ved temperaturer, der let kan opretholdes ved hjælp af et billigt kølemiddel, flydende nitrogen (77 K), åbner vejen for at løse et tal praktiske problemer, såsom energioverførsel uden tab til lange afstande, skabelsen af miniaturecomputer-integrerede kredsløb, der ikke er underlagt varmebegrænsninger, og fremkomsten af jernbaner tog, der bevæger sig i feltet af superledende magneter, dvs. praktisk talt friktionsfri. Men det mest bemærkelsesværdige er, at i de første 75 år efter opdagelsen af superledning blev Tc kun hævet til 23 K. Derefter, på få måneder, blev Tc nået ved 100 K. Der vil helt sikkert blive opdaget andre materialer, der har superledning. på rumtemperaturer. Sådan en opdagelse ville have stærkeste påvirkning på vores kultur, som sandsynligvis kun kan sammenlignes med resultaterne af transistorens fremkomst.
Sider: 1
Lederens modstand afhænger af temperaturen. Når metaller opvarmes, øges modstanden, når metaller afkøles, falder modstanden. Når temperaturen på lederen nærmer sig nul, kan der opstå et fænomen kaldet superledning.
Opdagelseshistorie
Opdagelsen af superledning tilhører den hollandske fysiker H. Kamerlingh-Onnes. Han afkølede kviksølv i flydende helium. Først faldt modstanden gradvist, og derefter, når den nåede en vis bestemt temperatur, faldt modstanden kraftigt til nul. Dette fænomen blev kaldt superledning.
De var dog først i stand til at forklare essensen af fænomenet superledning i 1957. Det er givet på baggrund af kvanteteori. Med en enorm forenkling kan superledning forklares på følgende måde: elektroner forenes i rækker og bevæger sig uden at kollidere med krystalgitter. Denne bevægelse ligner slet ikke almindelig kaotisk termisk bevægelse.
I 1986 blev det opdaget udover lavtemperatursuperledning høj temperatur superledning. Oprettet komplekse forbindelser, som går i en tilstand af superledning ved en temperatur på 100 K.
Egenskaber for superledere
- Den kritiske temperatur er den temperatur, hvor et stof går i en superledende tilstand. Fænomenet superledning forekommer i metaller og deres legeringer på meget lave temperaturer (ca. 25 K og derunder). Der er referencetabeller, der angiver de kritiske temperaturer for visse stoffer.
- Da der ikke er nogen modstand i superledning, derfor ingen varmeudvikling forekommer når man passerer gennem en leder elektrisk strøm. Denne egenskab ved superledere er meget udbredt.
- For hver superleder der er kritisk værdi strømstyrke, som kan opnås i en leder uden at forstyrre dens superledningsevne. Dette sker, fordi når strømmen passerer, skabes et magnetfelt omkring lederen. Og magnetfeltet ødelægger den superledende tilstand. Derfor kan superledere ikke bruges til at producere et vilkårligt stærkt magnetfelt.
- Når energi passerer gennem en superleder der er intet tab af det. Et af forskningsområderne moderne fysikere, er skabelsen af superledende materialer ved stuetemperatur. Hvis dette problem kan løses, så er et af de vigtigste tekniske problemer- overførsel af energi gennem ledninger uden tab.
Udsigter
Høj temperatur superledningsevne- dette er et meget lovende forskningsområde, som efterfølgende kan føre til nye teknisk revolution i elektronik, elektroteknik og radioteknik. Ifølge de seneste data på dette område er det maksimale kritisk temperatur Den opnåede superledningsevne er 166K.
Vi kommer gradvist tættere på opdagelsen af materialer, der vil være superledende ved stuetemperatur. Dette vil være et gennembrud i teknologiens verden. Elektricitet kan overføres til enhver afstand uden tab.
Den kaotiske bevægelse af lederens atomer forhindrer passage af elektrisk strøm. Modstanden af en leder falder med faldende temperatur. Med et yderligere fald i lederens temperatur observeres et fuldstændigt fald i modstand og fænomenet superledning.
Ved en bestemt temperatur (tæt på 0 oK) falder lederens modstand kraftigt til nul. Dette fænomen kaldes superledning. Et andet fænomen observeres dog også i superledere - Meissner-effekten. Dirigenter i en superledende tilstand udstiller usædvanlig ejendom. Magnetfeltet er fuldstændigt forskudt fra superlederens volumen.
Forskydning af et magnetfelt med en superleder.
En leder i en superledende tilstand opfører sig i modsætning til en ideel leder som et diamagnetisk materiale. Det eksterne magnetfelt forskydes fra superlederens volumen. Så hvis du placerer en magnet over en superleder, hænger magneten i luften.
Forekomsten af denne effekt skyldes det faktum, at når en superleder indføres i et magnetfelt, opstår der hvirvelinduktionsstrømme i det, hvis magnetfelt fuldstændig kompenserer for det ydre felt (som i ethvert diamagnetisk materiale). Men selve det inducerede magnetfelt skaber også hvirvelstrømme, hvis retning er modsat induktionsstrømmene i retning og lige store. Som et resultat er der ikke noget magnetfelt eller strøm i superlederens volumen. Rumfanget af superlederen er afskærmet af et tyndt overfladenært lag - et hudlag - i hvis tykkelse (ca. 10-7-10-8 m) magnetfeltet trænger ind, og hvor dets kompensation sker.
EN- en normal leder med modstand mod nul ved enhver temperatur (1) indføres i et magnetfelt. Ifølge loven elektromagnetisk induktion der opstår strømme, der modstår magnetfeltets indtrængning i metallet (2). Men hvis modstanden ikke er nul, henfalder de hurtigt. Det magnetiske felt trænger ind i en prøve af normalt metal og er næsten ensartet (3);
b- fra normal tilstand ved temperaturer over T c der er to måder: For det første: Når temperaturen falder, går prøven i en superledende tilstand, derefter kan der påføres et magnetfelt, som skubbes ud af prøven. For det andet: påfør først et magnetfelt, der trænger ind i prøven, og sænk derefter temperaturen, så vil feltet blive skubbet ud under overgangen. Sluk for magnetfeltet giver det samme billede;
V- hvis der ikke var nogen Meissner-effekt, ville lederen uden modstand opføre sig anderledes. Ved overgang til en tilstand uden modstand i et magnetfelt, ville det opretholde et magnetfelt og ville bevare det, selv når det eksterne magnetfelt fjernes. Det ville kun være muligt at afmagnetisere en sådan magnet ved at øge temperaturen. Denne adfærd er dog ikke blevet observeret eksperimentelt.