Odkrywca nadprzewodnictwa Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
Autorami najpopularniejszego modelu nadprzewodnictwa (BCS) są: John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.superconductors.org
Przodkowie HTSC. Laureaci Nagrody Nobla Alex Müller i Georg Bednorz, www.superconductors.org
Odkrycie faz HTSC zawierających rtęć na Wydziale Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego - E.V. Antipov i S.N. Putilin, www.icr.chem.msu.ru
Historia odkryć
(Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A., Chemical zasad otrzymywania nadprzewodników z tlenku metalu, Uspekhi Khimii, 2000, t. 69, nr 1, s. 3-40.)
Historia nadprzewodnictwa charakteryzuje się coraz większym ciągiem odkryć złożone struktury, rodzaj „ewolucji chemicznej” od prostych do złożonych. Jej początki sięgają 1911 roku, kiedy holenderski fizyk Kamerlingh Onnes, który jako pierwszy otrzymał ciekły hel i tym samym otworzył drogę do systematycznych badań właściwości materiałów w temperaturach bliskich zera absolutnego, odkrył, że w temperaturze 4,2 K zwykła rtęć metaliczna (prosta substancja reprezentujący „zły metal”) całkowicie traci opór elektryczny. W 1933 r Meissner i Ochsenfeld wykazali, że nadprzewodniki (SC) są również idealnymi diamagnetykami, to znaczy całkowicie wypychają linie pole magnetyczne od wielkości wspólnego przedsięwzięcia.
Wszystko to w zasadzie otworzyło ogromne możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodnictwa. Jednak w drodze do realizacji tych pomysłów długi czas istniała bariera nie do pokonania – skrajnie niska temperatura przejścia w stan przegrzania, zwana temperaturą krytyczną (Tc). W ciągu 75 lat, które upłynęły od odkrycia Kamerlingh Onnes, temperatura tego związku międzymetalicznego Nb 3 Ge wzrosła jedynie do 23,2 K, a ogólnie przyjęte teorie nadprzewodnictwa (BCS) wzbudziły niedowierzanie w podstawową możliwość pokonania tej bariery temperaturowej.
W 1986 r Bednorz i Müller odkryli zdolność ceramiki na bazie tlenków miedzi, lantanu i baru (La 2-x Ba x CuO 4) do przejścia w stan przegrzany w temperaturze 30 K. Złożone miedziany o podobnym składzie zsyntetyzowano w 1978 roku. Lazarev, Kahan i Shaplygin, a dwa lata później badacze francuscy. Niestety przewodność elektryczną tych próbek mierzono tylko do temperatury wrzenia ciekły azot(77K), co nie pozwoliło nam wykryć efektu nadprzewodnictwa.
Najważniejszą cechą odkrycia HTSC jest to, że nadprzewodnictwo odkryto nie w tradycyjnych związkach międzymetalicznych, strukturach organicznych czy polimerowych, ale w ceramice tlenkowej, która zwykle wykazuje właściwości dielektryczne lub półprzewodnikowe. Zniszczyło to bariery psychologiczne i pozwoliło w krótkim czasie stworzyć nowe, bardziej zaawansowane generacje spółek joint venture zajmujących się tlenkami metali, niemal jednocześnie w USA, Japonii, Chinach i Rosji:
Luty 1987 - Chu i wsp. syntetyzują, wykorzystując ideę „kompresji chemicznej” do modyfikacji struktury, ceramikę SP z tlenków baru, itru i miedzi YBa 2 Cu 3 O 7-x o temperaturze krytycznej 93 K, czyli powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu.
W styczniu 1988 r Maeda i wsp. syntetyzują szereg związków o składzie Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, wśród których faza o n=3 ma Tc=108K.
Miesiąc później Sheng i Herman otrzymali nadprzewodnik Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125 K.
W 1993 r Antipow, Putilin i inni odkryli szereg nadprzewodników zawierających rtęć o składzie HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). Obecnie najwyższą znaną wartość temperatury krytycznej (135 K) ma faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223), a przy ciśnieniu zewnętrznym 350 tys. atmosfer temperatura przejścia wzrasta do 164 K , czyli tylko o 19 K niższa od temperatury minimalnej, rejestrowanej w warunkach naturalnych na powierzchni Ziemi. Zatem SC „ewoluowały chemicznie”, przechodząc od rtęci metalicznej (4,2 K) do HTSC zawierającej rtęć (164 K).
W sumie znanych jest obecnie około 50 oryginalnych warstwowych miedzianów HTSC. Co jakiś czas w prasie pojawiają się sensacyjne doniesienia o powstaniu nowych SP o temperaturach powyżej temperatury pokojowej. I choć SC bezmiedziowe są znane od dość dawna, to dotychczas nie udało im się osiągnąć żadnej wysokiej temperatury przejścia w stan SC (rekordowe wartości Tc dla SC bezmiedziowych osiągnięto w Ba 1 -x K x BiO 3 oraz w fazie śródmiąższowej na bazie fulerenu (Cs 3 C 60) Osobno warto wspomnieć także o kierunku związanym z próbami syntezy „bezpiecznych dla środowiska” HTSC niezawierających metali ciężkich (Hg, Pb, Ba ), na przykład fazy tlenomiedzianowy wapnia otrzymane pod wysokim ciśnieniem.
Strona 1
Odkrycie nadprzewodnictwa w wysokie ciśnienie krwi w (TMTSF) 2PF6 i pod normalnym ciśnieniem (TMTSF) 2C1O4 doprowadziły do zauważalnej rewizji wcześniej istniejących pomysłów dotyczących warunków niezbędnych do pojawienia się stanu nadprzewodzącego. Podczas nauki struktury krystaliczne i odległości międzyatomowych w kilku związkach typu (TMTSF) 2Ar Woodle doszedł do wniosku, że spełnienie warunków (a) i (b) nie jest konieczne. Co więcej, w w tym przypadku metaliczne przewodnictwo elektryczne nie występuje z powodu nakładania się funkcje falowe tg elektronów węgla, ale ze względu na bliskość atomów selenu do siebie, a takie nakładanie się zachodzi nie tylko w obrębie stosu, ale także pomiędzy sąsiednimi stosami. Innymi słowy, kryształy rozważanych związków zbudowane są z warstw donorowych i akceptorowych i tworzą struktury quasi-dwuwymiarowe. Zasadniczo wszystkie odległości między atomami selenu nie przekraczają promieni van der Waalsa atomów. Pomiary magnetooporu dały następujące wyniki: dwuwymiarowy ruch elektronów, który zachodzi w płaszczyznach przeciągniętych przez stosy TMTSF prostopadłych do płaszczyzny z rysunku 5 6.1, jest spójny, a ruch pomiędzy tymi płaszczyznami ma charakter dyfuzyjny. Jak zauważył Woodl, rozważając dostępne wyniki dotyczące tych związków, pojawiają się co najmniej trzy interesujące pytania: zagadnienia teoretyczne: (1) Jaka jest przyczyna nieliniowej zależności przewodności elektrycznej od pola.
Najbardziej znane jest odkrycie nadprzewodnictwa jasne wydarzenie w badaniach przewodnictwa materia organiczna. Po raz pierwszy zaobserwowali go Bechgaard, Jacobsen, Mortensen, Petersen i Tsorap oraz Jerome, Mazo, Ribot i Bechgaard w 1980 r. w rodzinie związków izostrukturalnych z ogólna formuła(TMTSF)2Ar, które często nazywane są solami Bechgaarda. Jedynie sól ClO4 wykazuje nadprzewodnictwo w temp ciśnienie atmosferyczne i ma krytyczną temperaturę przejścia w stan nadprzewodzący Tc 1 K.
Od odkrycia nadprzewodnictwa możliwości zastosowanie techniczne to niesamowite zjawisko.
Wkrótce po odkryciu nadprzewodnictwa w rtęci Kamerling-On-Nes i jego współpracownicy byli w stanie wykazać, że inne metale, takie jak ołów i cyna, mogą przejść w stan nadprzewodzący. Później odkryto nadprzewodzące właściwości indu, galu i talu, a w latach 30. XX wieku, wraz z rozwojem nowych metod głębokiego chłodzenia, liczbę nadprzewodników uzupełniono aluminium, cynkiem i innymi pierwiastkami.
Wkrótce po odkryciu nadprzewodnictwa odkryto, że można je zniszczyć nie tylko poprzez podgrzanie próbki, ale także umieszczenie jej w polu magnetycznym.
Należy podkreślić, że odkrycie nadprzewodnictwa i specjalne właściwości cieczy kwantowych wcale nie podważa tego faktu prawdziwe procesy zawsze w takim czy innym stopniu nieodwracalne.
Zatem od odkrycia nadprzewodnictwa minęło prawie pół wieku, zanim nastąpił jakościowy postęp w zrozumieniu natury tego zjawiska. niesamowite zjawisko i powstała jego spójna teoria.
Pod koniec 1986 roku ukazał się raport K. Bednoretsa ze Szwajcarii dotyczący odkrycia nadprzewodnictwa ceramiki tlenowej lantan – bar – miedź w temperaturach przekraczających 30 K.
Ważny charakterystyczna właściwość nadprzewodnik jest całkowita nieobecność odporność w temperaturach poniżej temperatury przejścia Qc. Rzeczywiście, wierzono w to dość długo po odkryciu nadprzewodnictwa. Ale nadprzewodnik w temperaturach poniżej 6°C jest nie tylko idealnym przewodnikiem: jest także idealnym diamagnetykiem, czyli innymi słowy, nawet w obecności zewnętrznego pola magnetycznego jego gęstość wewnętrzna strumień magnetyczny zawsze równe zeru. Oznacza to, że po ochłodzeniu nadprzewodnika umieszczonego w polu magnetycznym linie energetyczne Indukcje są wypychane z materiału, gdy tylko temperatura przejścia w stan nadprzewodzący zostanie przekroczona.
Pierwszą właściwość odkrył Kamerlingh Onnes trzy lata po tym, jak udało mu się skroplić hel, drugą odkrył Kapitsa 30 lat po odkryciu nadprzewodnictwa.
W takich przypadkach mogą wystąpić wysokie temperatury przejścia nadprzewodzącego związki chemiczne, których elementy mają niską Tc lub w ogóle nie są nadprzewodnikami. Np. azot i węgiel nie mają nadprzewodnictwa, czysty wolfram, cyrkon i molibden mają Tk 1 K, a dla WC Tk - 10 K, dla ZrN Tk 10,7 K, dla MoC Tk - 14,3 K. Odkrycie nadprzewodnictwa w materiale polimer (SN) oznacza początek nowego etapu badań nadprzewodnictwa. Stopy i związki na bazie metali przejściowych charakteryzują się najwyższymi parametrami nadprzewodzącymi.
Ostatnie lata był czas aktywna praca w rozważanym przez nas obszarze i w przyszłości oczekuje się jeszcze większej aktywności. Jak z utworzonego rogu obfitości wysoki poziom artystyczny chemicy organiczni, związki z nowymi właściwości elektryczne. Odkrycie nadprzewodnictwa w więcej niż jednym typie IRS znacznie rozszerzyło perspektywy określenia mechanizmu nadprzewodnictwa, a w konsekwencji syntezy związków o większej liczbie wysoka temperatura przejście nadprzewodzące. Synteza związków zachowujących się jak układy quasi-jednowymiarowe i quasi-dwuwymiarowe otworzyła szerokie pole aktywności dla teoretyków, którzy mogą obecnie znaleźć dokładne rozwiązanie problemy z transferem. Duża skala przyjęła zastosowanie modelowania maszynowego, co staje się wiodącym trendem np. w badaniach materiałów amorficznych ciała stałe, gdzie ruch przewoźników ma charakter skakalny. Ciągły rozwój technologii laserowej, która umożliwia otrzymywanie krótkich impulsów promieniowania o ściśle określonych długościach fal, umożliwił wzbudzenie określonych modów wewnętrznych i badanie ich szybkości relaksacji; Mierzone są jednakowe szerokości linii i opracowywane są mechanizmy takiego poszerzenia.
Na pierwszy rzut oka wydaje się, że zeznania K. P. Jakowlewa ostro zaprzeczają temu niezaprzeczalnemu fakt historyczny: w ostatnim krótkim artykule P. N. Lebiediewa, Postępy fizyki w 1911 r., nie ma ani słowa o atomie planetarnym. Rzecz jednak w tym, że ten artykuł, napisany dla ogółu społeczeństwa i opublikowany w noworocznym numerze „Gazety Rosyjskiej”, poświęcony był wyłącznie bezspornym i zrozumiałym sukcesom 11. roku. Nie wspomniano więc o odkryciu nadprzewodnictwa, chociaż cały akapit poświęcono pracom laboratorium kriogenicznego Kammerling-Onnes. Atom planetarny nie należał do kategorii prawd niepodważalnych i zrozumiałych.
Powiązany wielkie otwarcie perspektywy są niesamowite. Tworzenie materiałów z zerem opór elektryczny w temperaturach, które można łatwo utrzymać przy użyciu niedrogiego czynnika chłodniczego, ciekłego azotu (77 K), otwiera drogę do rozwiązania liczby problemy praktyczne, takie jak transfer energii bez strat długie dystanse, tworzenie miniaturowych komputerowych układów scalonych, które nie podlegają ograniczeniom cieplnym, oraz pojawienie się szyny kolejowe pociągi poruszające się w polu magnesów nadprzewodzących, tj. praktycznie bez tarcia. Ale najbardziej niezwykłą rzeczą jest to, że w ciągu pierwszych 75 lat po odkryciu nadprzewodnictwa Tc wzrosła jedynie do 23 K. Następnie, w ciągu zaledwie kilku miesięcy, Tc osiągnięto na poziomie 100 K. Z pewnością odkryte zostaną inne materiały posiadające nadprzewodnictwo Na temperatury w pomieszczeniu. Takie odkrycie by miało najsilniejszy wpływ w naszej kulturze, porównywalne prawdopodobnie tylko z wynikami pojawienia się tranzystora.
Strony: 1
Rezystancja przewodnika zależy od temperatury. Gdy metale są podgrzewane, opór wzrasta, a gdy metale są chłodzone, opór maleje. Kiedy temperatura przewodnika zbliża się do zera, może pojawić się zjawisko zwane nadprzewodnictwem.
Historia odkryć
Odkrycie nadprzewodnictwa należy do holenderskiego fizyka H. Kamerlingha-Onnesa. Schłodził rtęć w ciekłym helu. Początkowo opór stopniowo malał, a następnie po osiągnięciu pewnego pewna temperatura, opór gwałtownie spadł do zera. Zjawisko to nazwano nadprzewodnictwem.
Udało im się jednak wyjaśnić istotę zjawiska nadprzewodnictwa dopiero w 1957 roku. Podano to na podstawie teoria kwantowa. Nadprzewodnictwo można wyjaśnić w ogromnym uproszczeniu w następujący sposób: elektrony łączą się w szeregi i poruszają się bez zderzenia sieci krystalicznej. Ruch ten wcale nie jest podobny do zwykłego chaotycznego ruchu termicznego.
W 1986 roku odkryto oprócz nadprzewodnictwa niskotemperaturowego nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe. Utworzony złożone połączenia, które w temperaturze 100 K przechodzą w stan nadprzewodnictwa.
Właściwości nadprzewodników
- Temperatura krytyczna to temperatura, w której substancja przechodzi w stan nadprzewodzący. Zjawisko nadprzewodnictwa występuje w metalach i ich stopach w bardzo niskie temperatury (około 25 K i poniżej). Istnieją tabele referencyjne wskazujące temperatury krytyczne niektórych substancji.
- Ponieważ w nadprzewodnictwie nie ma oporu, nie następuje wytwarzanie ciepła podczas przechodzenia przez przewodnika prąd elektryczny. Ta właściwość nadprzewodników jest szeroko stosowana.
- Dla każdego nadprzewodnika istnieje Krytyczna wartość natężenie w amperach, co można osiągnąć w przewodniku bez zakłócania jego nadprzewodnictwa. Dzieje się tak, ponieważ gdy przepływa prąd, wokół przewodnika wytwarza się pole magnetyczne. A pole magnetyczne niszczy stan nadprzewodzący. Dlatego nadprzewodników nie można używać do wytwarzania dowolnie silnego pola magnetycznego.
- Kiedy energia przechodzi przez nadprzewodnik nie ma na tym żadnej straty. Jeden z obszarów badań współcześni fizycy, to tworzenie materiałów nadprzewodzących w temperaturze pokojowej. Jeśli ten problem można rozwiązać, to jeden z najważniejszych problemy techniczne- przesyłanie energii przewodami bez strat.
Horyzont
Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe- jest to bardzo obiecujący obszar badań, który może później doprowadzić do nowych rewolucja techniczna w elektronice, elektrotechnice i radiotechnice. Według najnowszych danych w tym zakresie maksymalnie krytyczna temperatura Osiągnięte nadprzewodnictwo wynosi 166 K.
Stopniowo zbliżamy się do odkrycia materiałów, które w temperaturze pokojowej będą nadprzewodnikami. To będzie przełom w świecie technologii. Energię elektryczną można przesyłać na dowolną odległość bez strat.
Chaotyczny ruch atomów przewodnika uniemożliwia przepływ prądu elektrycznego. Opór przewodnika maleje wraz ze spadkiem temperatury. Wraz z dalszym spadkiem temperatury przewodnika obserwuje się całkowity spadek rezystancji i zjawisko nadprzewodnictwa.
W pewnej temperaturze (bliskiej 0 oK) rezystancja przewodnika gwałtownie spada do zera. Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem. Jednak w nadprzewodnikach obserwuje się także inne zjawisko - efekt Meissnera. Wystawa przewodników w stanie nadprzewodzącym niezwykła nieruchomość. Pole magnetyczne jest całkowicie wyparte z objętości nadprzewodnika.
Przemieszczenie pola magnetycznego przez nadprzewodnik.
Przewodnik w stanie nadprzewodzącym, w przeciwieństwie do przewodnika idealnego, zachowuje się jak materiał diamagnetyczny. Zewnętrzne pole magnetyczne jest wypierane z objętości nadprzewodnika. Następnie, jeśli umieścisz magnes nad nadprzewodnikiem, magnes wisi w powietrzu.
Wystąpienie tego efektu wynika z faktu, że po wprowadzeniu nadprzewodnika do pola magnetycznego powstają w nim wirowe prądy indukcyjne, których pole magnetyczne całkowicie kompensuje pole zewnętrzne (jak w każdym materiale diamagnetycznym). Ale samo indukowane pole magnetyczne wytwarza również prądy wirowe, których kierunek jest przeciwny do kierunku prądów indukcyjnych i ma równą wielkość. W rezultacie w objętości nadprzewodnika nie ma pola magnetycznego ani prądu. Objętość nadprzewodnika osłonięta jest cienką warstwą przypowierzchniową – warstwą naskórkową – w grubość (około 10-7-10-8 m) wnika pole magnetyczne i w której następuje jego kompensacja.
A- w pole magnetyczne wprowadza się normalny przewodnik o niezerowej rezystancji w dowolnej temperaturze (1). Zgodnie z prawem Indukcja elektromagnetyczna powstają prądy, które są odporne na przenikanie pola magnetycznego do metalu (2). Jeśli jednak rezystancja jest różna od zera, szybko zanikają. Pole magnetyczne przenika próbkę normalnego metalu i jest prawie jednolite (3);
B- z normalna kondycja w temperaturach powyżej T c są dwa sposoby: Pierwszy: gdy temperatura spada, próbka przechodzi w stan nadprzewodzący, wówczas można przyłożyć pole magnetyczne, które jest wypychane z próbki. Po drugie: najpierw przyłóż pole magnetyczne, które wnika w próbkę, a następnie obniż temperaturę, wtedy pole zostanie wypchnięte podczas przejścia. Wyłączenie pola magnetycznego daje ten sam obraz;
V- gdyby nie było efektu Meissnera, przewodnik bez oporu zachowywałby się inaczej. Przechodząc do stanu bez oporu w polu magnetycznym, utrzymywałby pole magnetyczne i utrzymywałby je nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Rozmagnesowanie takiego magnesu byłoby możliwe jedynie poprzez podniesienie temperatury. Jednak takiego zachowania nie zaobserwowano eksperymentalnie.