Penemu superkonduktiviti Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
Pengarang model superkonduktiviti (BCS) yang paling popular ialah John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.superconductors.org
Nenek moyang HTSC. Pemenang Nobel Alex Müller dan Georg Bednorz, www.superconductors.org
Penemuan fasa HTSC yang mengandungi merkuri di Jabatan Kimia Universiti Negeri Moscow - E.V. Antipov dan S.N. Putilin, www.icr.chem.msu.ru
Sejarah penemuan
(Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A., Prinsip kimia untuk mendapatkan superkonduktor oksida logam, Uspekhi Khimii, 2000, v. 69, no. 1, hlm. 3-40.)
Sejarah superkonduktiviti dicirikan oleh rantaian penemuan yang semakin banyak struktur kompleks, sejenis "evolusi kimia" daripada mudah kepada kompleks. Ia bermula pada tahun 1911, apabila ahli fizik Belanda Kamerlingh Onnes, yang pertama kali memperoleh helium cecair dan dengan itu membuka jalan kepada kajian sistematik sifat bahan pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak, mendapati bahawa pada 4.2 K merkuri logam biasa (bahan ringkas). mewakili "logam buruk") kehilangan rintangan elektrik sepenuhnya. Pada tahun 1933 Meissner dan Ochsenfeld menunjukkan bahawa superkonduktor (SC) juga adalah diamagnet yang ideal, iaitu, mereka menolak sepenuhnya garisan. medan magnet daripada jumlah usaha sama.
Semua ini, pada dasarnya, membuka kemungkinan besar untuk aplikasi praktikal superkonduktiviti. Walau bagaimanapun, dalam perjalanan untuk merealisasikan idea-idea ini masa yang lama terdapat halangan yang tidak dapat diatasi - suhu peralihan yang sangat rendah kepada keadaan panas lampau, dipanggil suhu kritikal (Tc). Dalam tempoh 75 tahun yang telah berlalu sejak penemuan Kamerlingh Onnes, suhu ini hanya dinaikkan kepada 23.2 K pada sebatian antara logam Nb 3 Ge, dan teori superkonduktiviti (BCS) yang diterima umum telah menimbulkan ketidakpercayaan terhadap kemungkinan asas. mengatasi halangan suhu ini.
Pada tahun 1986 Bednorz dan Müller menemui keupayaan seramik berdasarkan kuprum, lanthanum dan barium oksida (La 2-x Ba x CuO 4) untuk beralih kepada keadaan panas lampau pada 30K. Cuprates kompleks dengan komposisi serupa telah disintesis pada tahun 1978. Lazarev, Kahan dan Shaplygin, serta penyelidik Perancis dua tahun kemudian. Malangnya, kekonduksian elektrik sampel ini diukur hanya sehingga takat didih cecair nitrogen(77K), yang tidak membenarkan kami mengesan kesan superkonduktiviti.
Ciri yang paling penting dalam penemuan HTSC ialah superkonduktiviti ditemui bukan dalam sebatian antara logam tradisional, struktur organik atau polimer, tetapi dalam seramik oksida, yang biasanya mempamerkan sifat dielektrik atau semikonduktor. Ini memusnahkan halangan psikologi dan membenarkan, dalam masa yang singkat, untuk mencipta generasi baharu yang lebih maju bagi usaha sama oksida logam hampir serentak di Amerika Syarikat, Jepun, China dan Rusia:
Februari 1987 - Chu et al mensintesis, menggunakan idea "mampatan kimia" untuk mengubah suai struktur, seramik SP daripada barium, yttrium dan kuprum oksida YBa 2 Cu 3 O 7-x dengan suhu kritikal 93 K, iaitu , di atas takat didih nitrogen cecair.
Pada Januari 1988 Maeda et al mensintesis satu siri sebatian dengan komposisi Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, antaranya fasa dengan n=3 mempunyai T c =108K.
Sebulan kemudian, Sheng dan Herman memperoleh superkonduktor Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125K.
Pada tahun 1993 Antipov, Putilin dan lain-lain menemui beberapa superkonduktor yang mengandungi merkuri dengan komposisi HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). Pada masa ini, fasa HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) mempunyai nilai suhu kritikal yang paling tinggi (135 K), dan pada tekanan luaran 350 ribu atmosfera, suhu peralihan meningkat kepada 164 K , yang hanya 19 K lebih rendah daripada suhu minimum, direkodkan dalam keadaan semula jadi di permukaan Bumi. Oleh itu, SC "berevolusi secara kimia", daripada merkuri logam (4.2 K) kepada HTSC yang mengandungi merkuri (164 K).
Secara keseluruhan, kira-kira 50 cuprates HTSC berlapis asal diketahui setakat ini. Dari semasa ke semasa, laporan sensasi muncul dalam akhbar tentang penciptaan SP baharu dengan suhu melebihi suhu bilik. Dan walaupun SC bebas tembaga telah diketahui sejak sekian lama, mereka masih belum dapat mencapai sebarang suhu peralihan yang tinggi kepada keadaan SC (nilai rekod T c untuk SC bebas tembaga telah dicapai dalam Ba 1 -x K x BiO 3 dan dalam fasa interstisial berdasarkan fullerene (Cs 3 C 60) Secara berasingan, kita juga harus menyebut arah yang dikaitkan dengan percubaan untuk mensintesis HTSC "selamat alam sekitar" yang tidak mengandungi logam berat (Hg, Pb, Ba ), contohnya, fasa kalsium oxycuprate yang diperoleh di bawah tekanan tinggi.
Muka surat 1
Penemuan superkonduktiviti di tekanan darah tinggi dalam (TMTSF) 2PF6 dan pada tekanan biasa (TMTSF) 2C1O4 membawa kepada semakan ketara idea sedia ada sebelum ini mengenai prasyarat yang diperlukan untuk kemunculan keadaan superkonduktor. Ketika belajar struktur kristal dan jarak interatomik dalam beberapa sebatian jenis (TMTSF) 2Ar Woodle membuat kesimpulan bahawa pemenuhan syarat (a) dan (b) tidak perlu. Lebih-lebih lagi, dalam dalam kes ini kekonduksian elektrik logam tidak berlaku kerana pertindihan fungsi gelombang tg elektron karbon, tetapi disebabkan oleh kedekatan atom selenium antara satu sama lain, dan pertindihan sedemikian berlaku bukan sahaja dalam timbunan, tetapi juga antara timbunan jiran. Dalam erti kata lain, hablur sebatian yang sedang dipertimbangkan dibina daripada lapisan penderma dan penerima dan membentuk struktur kuasi dua dimensi. Pada asasnya, semua jarak antara atom selenium tidak melebihi jejari van der Waals atom. Pengukuran rintangan magnet memberikan keputusan berikut: pergerakan dua dimensi elektron, yang berlaku dalam satah yang dilukis melalui susunan TMTSF berserenjang dengan satah Rajah 5 6.1, adalah koheren, dan pergerakan antara satah ini adalah difusi. Seperti yang dinyatakan oleh Woodl, apabila mempertimbangkan keputusan yang tersedia pada sebatian ini, sekurang-kurangnya tiga soalan menarik timbul: isu teori: (1) Apakah sebab pergantungan medan tak linear kekonduksian elektrik.
Penemuan superkonduktiviti adalah yang paling banyak peristiwa yang cerah dalam kajian kekonduksian bahan organik. Ia pertama kali diperhatikan oleh Bechgaard, Jacobsen, Mortensen, Petersen dan Tsorap dan Jerome, Mazo, Ribot dan Bechgaard pada tahun 1980 dalam keluarga sebatian isostruktur dengan formula am(TMTSF) 2Ar, yang sering dipanggil garam Bechgaard. Hanya garam ClO4 mempamerkan superkonduktiviti pada tekanan atmosfera dan mempunyai suhu peralihan superkonduktor kritikal Tc 1 K.
Sejak penemuan superkonduktiviti, kemungkinan penggunaan teknikal fenomena yang menakjubkan ini.
Tidak lama selepas penemuan superkonduktiviti dalam merkuri, Kamerling-On - Nes dan rakan usaha samanya dapat menunjukkan bahawa logam lain, seperti plumbum dan timah, boleh berubah menjadi keadaan superkonduktor. Kemudian, sifat superkonduktor indium, galium, dan talium telah ditemui, dan pada tahun 30-an, dengan pembangunan kaedah penyejukan dalam yang baru, bilangan superkonduktor telah diisi semula dengan aluminium, zink dan unsur-unsur lain.
Tidak lama selepas penemuan superkonduktiviti, didapati bahawa ia boleh dimusnahkan bukan sahaja dengan memanaskan sampel, tetapi juga dengan meletakkannya dalam medan magnet.
Perlu ditekankan bahawa penemuan superkonduktiviti dan sifat khas cecair kuantum tidak sama sekali menimbulkan keraguan tentang fakta bahawa proses sebenar sentiasa tidak dapat dipulihkan pada satu tahap atau yang lain.
Jadi, ia mengambil masa hampir setengah abad dari penemuan superkonduktiviti sebelum kemajuan kualitatif dibuat dalam memahami sifat ini. fenomena yang menakjubkan dan teorinya yang konsisten dicipta.
Pada akhir tahun 1986, laporan telah diterbitkan oleh K. Bednorets dari Switzerland mengenai penemuan superkonduktiviti lanthanum - barium - seramik oksigen tembaga pada suhu melebihi 30 K.
penting sifat ciri superkonduktor ialah ketiadaan sepenuhnya rintangan pada suhu di bawah suhu peralihan Qc. Malah, ini dipercayai untuk jangka masa yang agak lama selepas penemuan superkonduktiviti. Tetapi superkonduktor pada suhu di bawah 6C bukan hanya konduktor yang ideal: ia juga merupakan diamagnet yang ideal, atau, dengan kata lain, walaupun dengan kehadiran medan magnet luaran, ketumpatan dalamannya fluks magnet sentiasa sama dengan sifar. Ini bermakna apabila superkonduktor yang diletakkan dalam medan magnet disejukkan, talian kuasa aruhan ditolak keluar daripada bahan sebaik sahaja suhu peralihan superkonduktor diluluskan.
Harta pertama ditemui oleh Kamerlingh Onnes tiga tahun selepas dia dapat mencairkan helium, yang kedua ditemui oleh Kapitsa 30 tahun selepas penemuan superkonduktiviti.
Suhu tinggi peralihan superkonduktor boleh berlaku dalam keadaan sedemikian sebatian kimia, komponen yang mempunyai Tc rendah atau bukan superkonduktor sama sekali. Sebagai contoh, nitrogen dan karbon tidak mempunyai superkonduktiviti, tungsten tulen, zirkonium dan molibdenum mempunyai Tk 1 K, dan untuk WC Tk - 10 K, untuk ZrN Tk 10 7 K, untuk MoC Tk - 14 3 K. Penemuan superkonduktiviti dalam suatu polimer (SN) bermaksud permulaan peringkat baru dalam kajian superkonduktiviti. Aloi dan sebatian berdasarkan logam peralihan mempunyai parameter superkonduktor tertinggi.
Tahun lepas adalah masa kerja aktif di kawasan yang telah kami pertimbangkan, dan lebih banyak aktiviti dijangka pada masa hadapan. Seperti dari cornucopia yang dicipta seni tinggi ahli kimia organik, sebatian dengan yang baru sifat elektrik. Penemuan superkonduktiviti dalam lebih daripada satu jenis IRS telah meluaskan prospek untuk menentukan mekanisme superkonduktiviti dan, akibatnya, sintesis sebatian dengan lebih banyak suhu tinggi peralihan superkonduktor. Sintesis sebatian yang berkelakuan sebagai sistem separa-satu-dimensi dan separa-dua-dimensi telah membuka bidang aktiviti yang luas untuk ahli teori yang kini boleh mencari penyelesaian yang tepat masalah pemindahan. Skala besar telah menerima pakai penggunaan pemodelan mesin, yang menjadi trend utama, sebagai contoh, dalam kajian amorfus pepejal, di mana pergerakan pembawa mempunyai watak melompat. Perkembangan teknologi laser yang berterusan, yang memungkinkan untuk mendapatkan denyutan sinaran pendek dengan panjang gelombang yang ditakrifkan dengan tepat, telah memungkinkan untuk merangsang mod dalaman tertentu dan mengkaji kadar kelonggarannya; Lebar garisan seragam diukur dan mekanisme untuk peluasan sedemikian dibangunkan.
Pada pandangan pertama, nampaknya kesaksian K. P. Yakovlev sangat bertentangan dengan satu yang tidak dapat disangkal. fakta sejarah: dalam artikel pendek terakhir oleh P. N. Lebedev, Kemajuan dalam Fizik pada tahun 1911, tidak ada perkataan tentang atom planet. Tetapi intinya ialah artikel ini, yang ditulis untuk orang awam dan diterbitkan dalam edisi Tahun Baru Warta Rusia, hanya didedikasikan untuk kejayaan yang tidak dapat dipertikaikan dan difahami pada tahun ke-11. Oleh itu, ia tidak menyebut penemuan superkonduktiviti, walaupun keseluruhan perenggan dikhaskan untuk kerja makmal kriogenik Kammerling-Onnes. Atom planet tidak tergolong dalam kategori kebenaran yang tidak dapat dipertikaikan dan difahami.
Berkaitan pembukaan besar-besaran prospek adalah menakjubkan. Mencipta bahan dengan sifar rintangan elektrik pada suhu yang mudah dikekalkan menggunakan penyejuk yang murah, nitrogen cecair (77 K), membuka jalan untuk menyelesaikan nombor masalah praktikal, seperti pemindahan tenaga tanpa kerugian kepada jarak jauh, penciptaan litar bersepadu komputer kecil yang tidak tertakluk kepada had haba, dan kemunculan kereta api kereta api bergerak dalam bidang magnet superkonduktor, i.e. hampir tanpa geseran. Tetapi perkara yang paling luar biasa ialah dalam 75 tahun pertama selepas penemuan superkonduktiviti, Tc hanya dinaikkan kepada 23 K. Kemudian, dalam beberapa bulan sahaja, Tc telah dicapai pada 100 K. Pasti bahan lain akan ditemui yang mempunyai superkonduktiviti. di suhu bilik. Penemuan sedemikian akan berlaku impak paling kuat pada budaya kita, setanding, mungkin, hanya dengan hasil kemunculan transistor.
Halaman: 1
Rintangan konduktor bergantung pada suhu. Apabila logam dipanaskan, rintangan meningkat; apabila logam disejukkan, rintangan berkurangan. Apabila suhu konduktor menghampiri sifar, fenomena yang dipanggil superkonduktiviti mungkin muncul.
Sejarah penemuan
Penemuan superkonduktiviti adalah milik ahli fizik Belanda H. Kamerlingh-Onnes. Dia menyejukkan merkuri dalam cecair helium. Pada mulanya rintangan secara beransur-ansur menurun, dan kemudian, apabila mencapai yang tertentu suhu tertentu, rintangan jatuh mendadak kepada sifar. Fenomena ini dipanggil superkonduktiviti.
Walau bagaimanapun, mereka dapat menjelaskan intipati fenomena superkonduktiviti hanya pada tahun 1957. Ia diberikan berdasarkan teori kuantum. Dengan penyederhanaan yang besar, superkonduktiviti boleh dijelaskan dengan cara berikut: elektron bersatu dalam barisan dan bergerak tanpa berlanggar kekisi kristal. Pergerakan ini sama sekali tidak serupa dengan pergerakan terma huru-hara biasa.
Pada tahun 1986, sebagai tambahan kepada superkonduktiviti suhu rendah, ia ditemui superkonduktiviti suhu tinggi. Dicipta sambungan yang kompleks, yang masuk ke dalam keadaan superkonduktiviti pada suhu 100 K.
Sifat superkonduktor
- Suhu kritikal ialah suhu di mana bahan masuk ke dalam keadaan superkonduktor. Fenomena superkonduktiviti berlaku dalam logam dan aloinya pada sangat suhu rendah (kira-kira 25 K dan ke bawah). Terdapat jadual rujukan yang menunjukkan suhu kritikal bahan tertentu.
- Oleh kerana tiada rintangan dalam superkonduktiviti, oleh itu, tiada penjanaan haba berlaku apabila melalui konduktor arus elektrik. Sifat superkonduktor ini digunakan secara meluas.
- Untuk setiap superkonduktor ada nilai kritikal amperage, yang boleh dicapai dalam konduktor tanpa mengganggu superkonduktivitinya. Ini berlaku kerana apabila arus mengalir, medan magnet tercipta di sekeliling konduktor. Dan medan magnet memusnahkan keadaan superkonduktor. Oleh itu, superkonduktor tidak boleh digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat secara sewenang-wenangnya.
- Apabila tenaga melalui superkonduktor tak rugi pun. Salah satu bidang penyelidikan ahli fizik moden, ialah penciptaan bahan superkonduktor pada suhu bilik. Jika masalah ini dapat diselesaikan, maka salah satu yang paling penting masalah teknikal- pemindahan tenaga melalui wayar tanpa kehilangan.
Prospek
Superkonduktiviti suhu tinggi- ini adalah bidang penyelidikan yang sangat menjanjikan, yang kemudiannya boleh membawa kepada yang baru revolusi teknikal dalam bidang elektronik, kejuruteraan elektrik dan kejuruteraan radio. Menurut data terkini di kawasan ini, maksimum suhu kritikal Superkonduktiviti yang dicapai ialah 166K.
Kami secara beransur-ansur semakin hampir dengan penemuan bahan yang akan menjadi superkonduktor pada suhu bilik. Ini akan menjadi satu kejayaan dalam dunia teknologi. Elektrik boleh dihantar ke mana-mana jarak tanpa kehilangan.
Pergerakan huru-hara atom konduktor menghalang laluan arus elektrik. Rintangan konduktor berkurangan dengan penurunan suhu. Dengan penurunan selanjutnya dalam suhu konduktor, penurunan lengkap dalam rintangan dan fenomena superkonduktiviti diperhatikan.
Pada suhu tertentu (hampir 0 oK), rintangan konduktor turun secara mendadak kepada sifar. Fenomena ini dipanggil superkonduktiviti. Walau bagaimanapun, fenomena lain juga diperhatikan dalam superkonduktor - kesan Meissner. Konduktor dalam pameran keadaan superkonduktor harta yang luar biasa. Medan magnet disesarkan sepenuhnya daripada isipadu superkonduktor.
Anjakan medan magnet oleh superkonduktor.
Konduktor dalam keadaan superkonduktor, berbeza dengan konduktor ideal, berkelakuan seperti bahan diamagnet. Medan magnet luar disesarkan daripada isipadu superkonduktor. Kemudian jika anda meletakkan magnet di atas superkonduktor, magnet itu tergantung di udara.
Kejadian kesan ini disebabkan oleh fakta bahawa apabila superkonduktor dimasukkan ke dalam medan magnet, arus aruhan pusaran timbul di dalamnya, medan magnet yang sepenuhnya mengimbangi medan luaran (seperti dalam mana-mana bahan diamagnet). Tetapi medan magnet teraruh itu sendiri juga mencipta arus pusar, yang arahnya bertentangan dengan arus aruhan dalam arah dan sama besarnya. Akibatnya, tiada medan magnet atau arus dalam isipadu superkonduktor. Isipadu superkonduktor dilindungi oleh lapisan nipis berhampiran permukaan - lapisan kulit - ke dalam ketebalan yang (kira-kira 10-7-10-8 m) medan magnet menembusi dan di mana pampasannya berlaku.
A- konduktor biasa dengan rintangan bukan sifar pada sebarang suhu (1) dimasukkan ke dalam medan magnet. Mengikut undang-undang aruhan elektromagnet timbul arus yang menentang penembusan medan magnet ke dalam logam (2). Walau bagaimanapun, jika rintangan adalah bukan sifar, ia cepat reput. Medan magnet menembusi sampel logam biasa dan hampir seragam (3);
b- dari keadaan normal pada suhu di atas T c terdapat dua cara: Pertama: apabila suhu menurun, sampel masuk ke dalam keadaan superkonduktor, maka medan magnet boleh digunakan, yang ditolak keluar dari sampel. Kedua: mula-mula gunakan medan magnet yang menembusi sampel, dan kemudian turunkan suhu, maka medan akan ditolak semasa peralihan. Mematikan medan magnet memberikan gambaran yang sama;
V- jika tiada kesan Meissner, konduktor tanpa rintangan akan berkelakuan berbeza. Apabila beralih kepada keadaan tanpa rintangan dalam medan magnet, ia akan mengekalkan medan magnet dan akan mengekalkannya walaupun apabila medan magnet luar dialihkan. Adalah mungkin untuk menyahmagnetkan magnet sedemikian hanya dengan meningkatkan suhu. Tingkah laku ini, bagaimanapun, tidak diperhatikan secara eksperimen.