Mgunduzi wa superconductivity Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
Waandishi wa mfano maarufu wa superconductivity (BCS) ni John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.superconductors.org
Mababu wa HTSC. Mshindi wa Tuzo ya Nobel Alex Müller na Georg Bednorz, www.superconductors.org
Ugunduzi wa awamu za HTSC zilizo na zebaki katika Idara ya Kemia ya Chuo Kikuu cha Jimbo la Moscow - E.V. Antipov na S.N. Putilin, www.icr.chem.msu.ru
Historia ya ugunduzi
(Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A., Kanuni za kemikali za kupata superconductors za oksidi za chuma, Uspekhi Khimii, 2000, v. 69, no. 1, p. 3-40.)
Historia ya superconductivity ina sifa ya mlolongo wa uvumbuzi zaidi na zaidi miundo tata, aina ya "mageuzi ya kemikali" kutoka rahisi hadi tata. Ilianza 1911, wakati mwanafizikia wa Uholanzi Kamerlingh Onnes, ambaye kwanza alipata heliamu ya kioevu na hivyo kufungua njia ya uchunguzi wa utaratibu wa mali ya vifaa kwenye joto karibu na sifuri kabisa, aligundua kuwa 4.2 K ya zebaki ya kawaida ya metali (dutu rahisi). anayewakilisha "chuma mbaya") hupoteza kabisa upinzani wa umeme. Mnamo 1933 Meissner na Ochsenfeld walionyesha kuwa superconductors (SC) pia ni diamagnets bora, ambayo ni kwamba, wanasukuma kabisa mistari. shamba la sumaku kutoka kwa kiasi cha ubia.
Haya yote, kimsingi, yalifungua uwezekano mkubwa wa utumiaji wa vitendo wa superconductivity. Hata hivyo, juu ya njia ya kutambua mawazo haya muda mrefu kulikuwa na kizuizi kisichoweza kushindwa - joto la chini sana la mpito hadi hali ya joto kali, inayoitwa joto muhimu (Tc). Katika miaka 75 ambayo imepita tangu kugunduliwa kwa Kamerlingh Onnes, halijoto hii imeongezwa hadi 23.2 K kwenye kiwanja cha Nb 3 Ge intermetallic, na nadharia zinazokubalika kwa ujumla za superconductivity (BCS) zimesababisha kutoamini uwezekano wa kimsingi. ya kushinda kizuizi hiki cha joto.
Mwaka 1986 Bednorz na Müller waligundua uwezo wa kauri kulingana na shaba, lanthanum na oksidi za bariamu (La 2-x Ba x CuO 4) kuvuka hadi hali ya joto kali kwa 30K. Vikombe ngumu vya muundo sawa viliundwa mnamo 1978. Lazarev, Kahan na Shaplygin, pamoja na watafiti wa Kifaransa miaka miwili baadaye. Kwa bahati mbaya, conductivity ya umeme ya sampuli hizi ilipimwa tu hadi kiwango cha kuchemsha nitrojeni kioevu(77K), ambayo haikuturuhusu kugundua athari za uboreshaji wa hali ya juu.
Kipengele muhimu zaidi cha ugunduzi wa HTSC ni kwamba superconductivity haikugunduliwa katika misombo ya jadi ya intermetallic, miundo ya kikaboni au polima, lakini katika keramik ya oksidi, ambayo kwa kawaida huonyesha sifa za dielectric au semiconductor. Hii iliharibu vizuizi vya kisaikolojia na kuruhusu, ndani ya muda mfupi, kuunda vizazi vipya, vya juu zaidi vya ubia wa oksidi ya chuma karibu wakati huo huo huko USA, Japan, Uchina na Urusi:
Februari 1987 - Chu et al kuunganisha, kwa kutumia wazo la "compression ya kemikali" kurekebisha muundo, kauri za SP kutoka kwa bariamu, yttrium na oksidi za shaba YBa 2 Cu 3 O 7-x na joto muhimu la 93 K, yaani. , juu ya kiwango cha kuchemsha cha nitrojeni kioevu.
Mnamo Januari 1988 Maeda et al kuunganisha mfululizo wa misombo na muundo Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, kati ya ambayo awamu na n=3 ina T c =108K.
Mwezi mmoja baadaye, Sheng na Herman walipata superconductor Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125K.
Mwaka 1993 Antipov, Putilin na wengine waligundua idadi ya superconductors zenye zebaki na muundo HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6). Hivi sasa, awamu ya HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) ina thamani ya juu zaidi inayojulikana ya joto muhimu (135 K), na kwa shinikizo la nje la angahewa elfu 350, joto la mpito huongezeka hadi 164 K. , ambayo ni 19 K tu chini ya kiwango cha chini cha joto, kilichorekodiwa chini ya hali ya asili kwenye uso wa Dunia. Kwa hivyo, SCs "ilibadilika kwa kemikali", kutoka kwa zebaki ya metali (4.2 K) hadi HTSC iliyo na zebaki (164 K).
Kwa jumla, takriban viwango 50 vya HTSC vilivyowekwa safu asili vinajulikana hadi sasa. Mara kwa mara, ripoti za kusisimua huonekana kwenye vyombo vya habari kuhusu kuundwa kwa SP mpya na halijoto juu ya joto la kawaida. Na ingawa SC zisizo na shaba zimejulikana kwa muda mrefu sana, bado hazijaweza kufikia joto la juu la mpito kwa hali ya SC (maadili ya rekodi ya T c kwa SCs zisizo na shaba yalipatikana katika Ba 1. -x K x BiO 3 na katika awamu ya unganishi kulingana na fullerene (Cs 3 C 60) Kando, tunapaswa pia kutaja mwelekeo unaohusishwa na majaribio ya kuunganisha HTSC "salama kwa mazingira" ambazo hazina metali nzito (Hg, Pb, Ba ), kwa mfano, awamu za calcium oxycuprate zilizopatikana chini ya shinikizo la juu.
Ukurasa wa 1
Ugunduzi wa superconductivity katika shinikizo la damu katika (TMTSF) 2PF6 na kwa shinikizo la kawaida (TMTSF) 2C1O4 ilisababisha urekebishaji unaoonekana wa mawazo yaliyopo hapo awali kuhusu sharti muhimu kwa ajili ya kuibuka kwa hali ya uendeshaji bora. Wakati wa kusoma miundo ya kioo na umbali wa interatomic katika misombo kadhaa ya aina (TMTSF) 2Ar Woodle ilifikia hitimisho kwamba utimilifu wa masharti (a) na (b) sio lazima. Aidha, katika kwa kesi hii conductivity ya umeme ya metali haitokei kwa sababu ya kuingiliana kazi za wimbi tg elektroni za kaboni, lakini kutokana na ukaribu wa atomi za seleniamu kwa kila mmoja, na kuingiliana vile hutokea si tu ndani ya stack, lakini pia kati ya mwingi wa jirani. Kwa maneno mengine, fuwele za misombo inayozingatiwa hujengwa kutoka kwa tabaka za wafadhili na wakubali na kuunda miundo ya quasi-mbili-dimensional. Kimsingi, umbali wote kati ya atomi za selenium hauzidi radii ya van der Waals ya atomi. Vipimo vya ustahimilivu wa sumaku vilitoa matokeo yafuatayo: mwendo wa pande mbili za elektroni, unaotokea katika ndege zinazotolewa kupitia rundo la TMTSF kwa mwelekeo wa ndege ya Mchoro 5 6.1, ni thabiti, na mwendo kati ya ndege hizi ni wa kueneza. Kama Woodl alivyoonyesha, wakati wa kuzingatia matokeo yanayopatikana kwenye misombo hii, angalau maswali matatu ya kuvutia huibuka: masuala ya kinadharia: (1) Ni nini sababu ya utegemezi wa uwanja usio na mstari wa conductivity ya umeme.
Ugunduzi wa superconductivity ndio zaidi tukio mkali katika masomo ya conductivity jambo la kikaboni. Ilionekana mara ya kwanza na Bechgaard, Jacobsen, Mortensen, Petersen na Tsorap na Jerome, Mazo, Ribot na Bechgaard mnamo 1980 katika familia ya misombo ya isostructural na formula ya jumla(TMTSF) 2Ar, ambayo mara nyingi huitwa chumvi za Bechgaard. Chumvi tu ya ClO4 inaonyesha uboreshaji wa hali ya juu shinikizo la anga na ina halijoto muhimu ya mpito ya upitishaji joto Tc 1 K.
Tangu ugunduzi wa superconductivity, uwezekano wa matumizi ya kiufundi jambo hili la ajabu.
Mara tu baada ya ugunduzi wa superconductivity katika zebaki, Kamerling-On - Nes na washirika wake waliweza kuonyesha kwamba metali nyingine, kama vile risasi na bati, inaweza kubadilika kuwa hali ya superconducting. Baadaye, mali ya superconducting ya indium, gallium, na thallium iligunduliwa, na katika miaka ya 30, pamoja na maendeleo ya mbinu mpya za baridi, idadi ya superconductors ilijazwa tena na alumini, zinki na vipengele vingine.
Mara tu baada ya ugunduzi wa superconductivity, iligunduliwa kuwa inaweza kuharibiwa sio tu kwa kupokanzwa sampuli, lakini pia kwa kuiweka kwenye uwanja wa sumaku.
Inapaswa kusisitizwa kuwa ugunduzi wa superconductivity na mali maalum quantum liquids haileti shaka hata kidogo juu ya ukweli kwamba michakato halisi daima isiyoweza kutenduliwa kwa shahada moja au nyingine.
Kwa hivyo, ilichukua karibu nusu karne kutoka kwa ugunduzi wa superconductivity kabla ya maendeleo ya ubora kufanywa katika kuelewa asili ya hii. jambo la kushangaza na nadharia yake thabiti iliundwa.
Mwishoni mwa 1986, ripoti ilichapishwa na K. Bednorets kutoka Uswizi juu ya ugunduzi wa superconductivity ya lanthanum - bariamu - keramik ya oksijeni ya shaba kwenye joto linalozidi 30 K.
Muhimu mali ya tabia superconductor ni kutokuwepo kabisa upinzani katika halijoto chini ya halijoto ya mpito Qc. Hakika, hii iliaminika kwa muda mrefu sana baada ya ugunduzi wa superconductivity. Lakini superconductor kwa joto chini ya 6C sio tu kondakta bora: pia ni diamagnetic bora, au, kwa maneno mengine, hata mbele ya uwanja wa nje wa sumaku, wiani wake wa ndani. flux ya magnetic daima ni sawa na sifuri. Inamaanisha kwamba wakati superconductor iliyowekwa kwenye uwanja wa sumaku imepozwa, mistari ya nguvu inductions ni kusukumwa nje ya nyenzo mara tu joto la mpito superconducting ni kupita.
Mali ya kwanza iligunduliwa na Kamerlingh Onnes miaka mitatu baada ya kuweza kufyonza heliamu, ya pili iligunduliwa na Kapitsa miaka 30 baada ya ugunduzi wa superconductivity.
Joto la juu la mpito wa superconducting linaweza kutokea katika vile misombo ya kemikali, vipengele ambavyo vina Tc ya chini au sio superconductors kabisa. Kwa mfano, nitrojeni na kaboni hazina superconductivity, tungsten safi, zirconium na molybdenum zina Tk 1 K, na kwa WC Tk - 10 K, kwa ZrN Tk 10 7 K, kwa MoC Tk - 14 3 K. Ugunduzi wa superconductivity katika a polymer (SN) inamaanisha mwanzo wa hatua mpya katika utafiti wa superconductivity. Aloi na misombo kulingana na metali za mpito zina vigezo vya juu zaidi vya upitishaji.
Miaka iliyopita ulikuwa wakati kazi hai katika eneo ambalo tumezingatia, na shughuli nyingi zaidi zinatarajiwa katika siku zijazo. Kama kutoka kwa cornucopia iliyoundwa sanaa ya juu kemia kikaboni, misombo na mpya mali ya umeme. Ugunduzi wa superconductivity katika zaidi ya aina moja ya IRS umepanua kwa kiasi kikubwa matarajio ya kuamua utaratibu wa superconductivity na, kwa hiyo, usanisi wa misombo na zaidi. joto la juu mpito wa superconducting. Mchanganyiko wa misombo ambayo hufanya kama mifumo ya nusu-dimensional na nusu-dimensional ya nusu imefungua uwanja mkubwa wa shughuli kwa wananadharia ambao sasa wanaweza kupata. suluhisho kamili matatizo ya uhamisho. Kiwango kikubwa imepitisha matumizi ya mfano wa mashine, ambayo inakuwa mwelekeo unaoongoza, kwa mfano, katika utafiti wa amorphous yabisi, ambapo harakati ya wabebaji ina tabia ya kurukaruka. Uendelezaji unaoendelea wa teknolojia ya laser, ambayo inafanya uwezekano wa kupata mapigo mafupi ya mionzi na urefu uliofafanuliwa kwa usahihi, imefanya iwezekanavyo kusisimua njia maalum za ndani na kujifunza viwango vyao vya kupumzika; Upana wa mstari sawa hupimwa na njia za upanuzi huo zinatengenezwa.
Kwa mtazamo wa kwanza, inaonekana kwamba ushuhuda wa K. P. Yakovlev unapingana vikali na moja isiyoweza kupingwa. ukweli wa kihistoria: katika nakala fupi ya mwisho ya P. N. Lebedev, Maendeleo katika Fizikia mnamo 1911, hakuna neno juu ya atomi ya sayari. Lakini suala ni kwamba makala hii, iliyoandikwa kwa ajili ya umma kwa ujumla na kuchapishwa katika toleo la Mwaka Mpya la Gazeti la Kirusi, ilijitolea tu kwa mafanikio yasiyopingika na yanayoeleweka ya mwaka wa 11. Kwa hivyo, haikutaja ugunduzi wa superconductivity, ingawa aya nzima ilitolewa kwa kazi ya maabara ya cryogenic ya Kammerling-Onnes. Atomu ya sayari haikuwa ya kategoria ya ukweli usiopingika na unaoeleweka.
Kuhusiana ufunguzi mkubwa matarajio ni ya ajabu. Kujenga vifaa na sifuri upinzani wa umeme kwa joto linalotunzwa kwa urahisi kwa kutumia jokofu la bei nafuu, nitrojeni kioevu (77 K), hufungua njia ya kutatua nambari. matatizo ya vitendo, kama vile uhamishaji wa nishati bila hasara masafa marefu, uundaji wa nyaya ndogo za kompyuta zilizounganishwa ambazo haziko chini ya mapungufu ya joto, na kuibuka kwa reli treni zinazohamia katika uwanja wa sumaku za superconducting, i.e. karibu isiyo na msuguano. Lakini jambo la kushangaza zaidi ni kwamba katika miaka 75 ya kwanza baada ya ugunduzi wa superconductivity, Tc ilifufuliwa hadi 23 K. Kisha, katika miezi michache tu, Tc ilifikiwa kwa 100 K. Hakika nyenzo nyingine zitagunduliwa ambazo zina superconductivity. katika joto la chumba. Ugunduzi kama huo ungekuwa athari kali zaidi juu ya utamaduni wetu, kulinganishwa, pengine, tu na matokeo ya kuonekana kwa transistor.
Kurasa: 1
Upinzani wa kondakta hutegemea joto. Wakati metali inapokanzwa, upinzani huongezeka; wakati metali zimepozwa, upinzani hupungua. Wakati joto la kondakta linakaribia sifuri, jambo linaloitwa superconductivity linaweza kuonekana.
Historia ya ugunduzi
Ugunduzi wa superconductivity ni wa mwanafizikia wa Uholanzi H. Kamerlingh-Onnes. Alipoza zebaki katika heliamu ya kioevu. Mara ya kwanza upinzani ulipungua hatua kwa hatua, na kisha, baada ya kufikia fulani joto fulani, upinzani ulipungua kwa kasi hadi sifuri. Jambo hili liliitwa superconductivity.
Hata hivyo, waliweza kueleza kiini cha uzushi wa superconductivity tu mwaka wa 1957. Inatolewa kwa misingi. nadharia ya quantum. Kwa kurahisisha kubwa, superconductivity inaweza kuelezewa kwa njia ifuatayo: elektroni huungana katika safu na kusonga bila kugongana kimiani kioo. Harakati hii haifanani kabisa na harakati ya kawaida ya joto ya machafuko.
Mnamo 1986, pamoja na superconductivity ya chini ya joto, iligunduliwa joto la juu superconductivity. Imeundwa miunganisho tata, ambayo huenda katika hali ya superconductivity kwa joto la 100 K.
Tabia za superconductors
- Joto muhimu ni joto ambalo dutu huenda katika hali ya superconducting. Jambo la superconductivity hutokea katika metali na aloi zao sana joto la chini (takriban 25 K na chini). Kuna meza za kumbukumbu zinazoonyesha joto muhimu la vitu fulani.
- Kwa kuwa hakuna upinzani katika superconductivity, kwa hiyo, hakuna kizazi cha joto kinachotokea wakati wa kupitia kondakta mkondo wa umeme. Mali hii ya superconductors hutumiwa sana.
- Kwa kila superconductor kuna thamani muhimu amperage, ambayo inaweza kupatikana katika kondakta bila kuvuruga superconductivity yake. Hii hutokea kwa sababu wakati sasa inapita, shamba la magnetic linaundwa karibu na kondakta. Na shamba la magnetic huharibu hali ya superconducting. Kwa hivyo, superconductors haziwezi kutumika kutengeneza uwanja wa sumaku wenye nguvu kiholela.
- Wakati nishati inapita kupitia superconductor hakuna hasara yake. Moja ya maeneo ya utafiti wanafizikia wa kisasa, ni kuundwa kwa vifaa vya superconducting kwenye joto la kawaida. Ikiwa tatizo hili linaweza kutatuliwa, basi moja ya muhimu zaidi matatizo ya kiufundi- uhamisho wa nishati kwa njia ya waya bila kupoteza.
Matarajio
Superconductivity ya joto la juu- hii ni eneo la kuahidi sana la utafiti, ambalo linaweza kusababisha mpya mapinduzi ya kiufundi katika uhandisi wa umeme, uhandisi wa umeme na uhandisi wa redio. Kulingana na data ya hivi karibuni katika eneo hili, kiwango cha juu joto muhimu Utendaji bora uliopatikana ni 166K.
Hatua kwa hatua tunakaribia ugunduzi wa nyenzo ambazo zitakuwa zikiendesha joto la kawaida. Hii itakuwa mafanikio katika ulimwengu wa teknolojia. Umeme unaweza kupitishwa kwa umbali wowote bila hasara.
Harakati ya machafuko ya atomi za kondakta huzuia kifungu cha sasa cha umeme. Upinzani wa kondakta hupungua kwa kupungua kwa joto. Kwa kupungua zaidi kwa joto la kondakta, kupungua kabisa kwa upinzani na uzushi wa superconductivity huzingatiwa.
Kwa joto fulani (karibu na 0 oK) upinzani wa conductor hupungua kwa kasi hadi sifuri. Jambo hili linaitwa superconductivity. Hata hivyo, jambo lingine pia linazingatiwa katika superconductors - athari ya Meissner. Makondakta katika maonyesho ya hali ya juu zaidi mali isiyo ya kawaida. Sehemu ya magnetic imehamishwa kabisa kutoka kwa kiasi cha superconductor.
Uhamisho wa uwanja wa sumaku na superconductor.
Kondakta katika hali ya juu zaidi, tofauti na kondakta bora, hufanya kama nyenzo ya diamagnetic. Sehemu ya nje ya sumaku imehamishwa kutoka kwa kiasi cha superconductor. Kisha ukiweka sumaku juu ya superconductor, sumaku hutegemea hewani.
Tukio la athari hii ni kutokana na ukweli kwamba wakati superconductor inapoingizwa kwenye uwanja wa magnetic, mikondo ya induction ya eddy hutokea ndani yake, shamba la magnetic ambalo hulipa fidia kabisa kwa shamba la nje (kama katika nyenzo yoyote ya diamagnetic). Lakini uwanja wa sumaku unaosababishwa yenyewe pia huunda mikondo ya eddy, mwelekeo ambao ni kinyume na mikondo ya induction katika mwelekeo na sawa kwa ukubwa. Matokeo yake, hakuna shamba la magnetic au sasa katika kiasi cha superconductor. Kiasi cha superconductor kinalindwa na safu nyembamba ya uso wa karibu - safu ya ngozi - ndani ya unene ambao (kuhusu 10-7-10-8 m) uwanja wa magnetic huingia na ambayo fidia yake hutokea.
A- conductor ya kawaida na upinzani usio na sifuri kwa joto lolote (1) huletwa kwenye uwanja wa magnetic. Kwa mujibu wa sheria induction ya sumakuumeme mikondo hutokea ambayo inapinga kupenya kwa shamba la magnetic ndani ya chuma (2). Hata hivyo, ikiwa upinzani sio sifuri, wao huharibika haraka. Sehemu ya sumaku hupenya sampuli ya chuma ya kawaida na ni karibu sare (3);
b-kutoka hali ya kawaida kwa joto la juu T c kuna njia mbili: Kwanza: wakati joto linapungua, sampuli huenda kwenye hali ya superconducting, kisha shamba la magnetic linaweza kutumika, ambalo linasukuma nje ya sampuli. Pili: kwanza tumia shamba la sumaku ambalo hupenya sampuli, na kisha kupunguza joto, kisha shamba litasukumwa nje wakati wa mpito. Kuzima shamba la sumaku kunatoa picha sawa;
V- ikiwa hapakuwa na athari ya Meissner, kondakta bila upinzani angefanya tofauti. Wakati wa mpito kwa hali bila upinzani katika uwanja wa sumaku, ingedumisha uwanja wa sumaku na ingeihifadhi hata wakati uwanja wa sumaku wa nje unapoondolewa. Itawezekana kupunguza sumaku kama hiyo kwa kuongeza joto tu. Tabia hii, hata hivyo, haijazingatiwa kwa majaribio.