Süperiletkenliğin kaşifi Kamerlin-Onnes. (1911), www.superconductors.org
En popüler süperiletkenlik modelinin (BCS) yazarları John Bardeen, Leon Kupper, John Schrieffer (1957), www.süper iletkenler.org
HTSC'nin ataları. Nobel ödüllü Alex Müller ve Georg Bednorz, www.süper iletkenler.org
Moskova Devlet Üniversitesi Kimya Bölümü'nde cıva içeren HTSC fazlarının keşfi - E.V. Antipov ve S.N. www.icr.chem.msu.ru
Keşif tarihi
(Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A., Metal oksit süper iletkenleri elde etmenin kimyasal prensipleri, Uspekhi Khimii, 2000, v. 69, no. 1, s. 3-40.)
Süperiletkenliğin tarihi giderek artan bir dizi keşifle karakterize edilmektedir. karmaşık yapılar basitten karmaşığa doğru bir tür “kimyasal evrim”. Bu, ilk kez sıvı helyum elde eden ve böylece mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda malzemelerin özelliklerinin sistematik olarak incelenmesinin yolunu açan Hollandalı fizikçi Kamerlingh Onnes'in 4,2 K'de sıradan metalik cıvanın (basit bir madde) bulunduğunu keşfettiği 1911 yılına kadar uzanır. "kötü metal"i temsil eden metal) elektrik direncini tamamen kaybeder. 1933'te Meissner ve Ochsenfeld, süperiletkenlerin (SC) aynı zamanda ideal diyamıknatıslar olduğunu, yani çizgileri tamamen dışarı ittiklerini gösterdi. manyetik alan ortak girişim hacminden.
Bütün bunlar, prensipte, süperiletkenliğin pratik uygulaması için muazzam olanaklar yarattı. Ancak bu fikirleri hayata geçirme yolunda uzun zaman aşılmaz bir engel vardı - kritik sıcaklık (Tc) adı verilen aşırı ısınmış duruma geçişin son derece düşük sıcaklığı. Kamerlingh Onnes'in keşfinden bu yana geçen 75 yılda, Nb 3 Ge intermetalik bileşiğinde bu sıcaklık yalnızca 23,2 K'ye yükseltildi ve genel kabul görmüş süperiletkenlik (BCS) teorileri, bu temel olasılığa olan inançsızlığı artırdı. Bu sıcaklık bariyerinin üstesinden gelmek.
1986'da Bednorz ve Müller, bakır, lantan ve baryum oksitlere (La 2-x Ba x CuO 4) dayalı seramiklerin 30K'de aşırı ısıtılmış duruma geçme yeteneğini keşfettiler. Benzer bileşime sahip kompleks kupratlar 1978'de sentezlendi. Lazarev, Kahan ve Shaplygin ile iki yıl sonra Fransız araştırmacılar. Ne yazık ki bu numunelerin elektriksel iletkenliği yalnızca kaynama noktasına kadar ölçülmüştür. sıvı nitrojen(77K), süperiletkenliğin etkisini tespit etmemize izin vermedi.
HTSC'nin keşfinin en önemli özelliği, süperiletkenliğin geleneksel intermetalik bileşiklerde, organik veya polimer yapılarda değil, genellikle dielektrik veya yarı iletken özellikler sergileyen oksit seramiklerde keşfedilmiş olmasıdır. Bu, psikolojik engelleri ortadan kaldırdı ve kısa bir süre içinde ABD, Japonya, Çin ve Rusya'da neredeyse eş zamanlı olarak yeni, daha gelişmiş nesil metal oksit ortak girişimlerinin yaratılmasını mümkün kıldı:
Şubat 1987 - Chu ve arkadaşları, yapıyı değiştirmek için "kimyasal sıkıştırma" fikrini kullanarak, 93 K kritik sıcaklıkta baryum, itriyum ve bakır oksitlerden YBa2Cu3O7-x'ten SP seramikleri sentezlediler. sıvı nitrojenin kaynama noktasının üzerindedir.
Ocak 1988'de Maeda ve arkadaşları, Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 bileşimine sahip bir dizi bileşiği sentezler; bunların arasında n=3 olan faz Tc =108K'ye sahiptir.
Bir ay sonra Sheng ve Herman süper iletken Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T c = 125K'yı elde etti.
1993 yılında Antipov, Putilin ve diğerleri, HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+ d (n=1-6) bileşimine sahip bir dizi cıva içeren süper iletken keşfettiler. Şu anda HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg -1223) fazı bilinen en yüksek kritik sıcaklık değerine (135 K) sahiptir ve 350 bin atmosferlik dış basınçta geçiş sıcaklığı 164 K'ye çıkar. Bu, Dünya yüzeyinde doğal koşullar altında kaydedilen minimum sıcaklıktan yalnızca 19 K daha düşüktür. Böylece, SC'ler metalik cıvadan (4,2 K) cıva içeren HTSC'ye (164 K) geçerek "kimyasal olarak evrimleşti".
Toplamda bugüne kadar yaklaşık 50 orijinal katmanlı HTSC kuprat bilinmektedir. Zaman zaman basında oda sıcaklığının üzerinde sıcaklıklara sahip yeni SP'lerin oluşturulduğuna dair sansasyonel raporlar çıkıyor. Bakırsız SC'ler uzun zamandır bilinmesine rağmen, henüz SC durumuna yüksek bir geçiş sıcaklığı elde edemediler (bakırsız SC'ler için Tc'nin kayıt değerleri Ba 1'de elde edildi) -x K x BiO 3 ve fulleren bazlı ara fazda (Cs 3 C 60). Ağır metaller (Hg, Pb) içermeyen "çevresel açıdan güvenli" HTSC'lerin sentezlenmesine yönelik girişimlerle ilgili yönden ayrıca söz edilmelidir. , Ba), örneğin yüksek basınç altında elde edilen kalsiyum oksikurat fazları.
Sayfa 1
Süperiletkenliğin keşfi yüksek tansiyon(TMTSF) 2PF6'da ve normal basınçta (TMTSF) 2C1O4, süperiletken bir durumun ortaya çıkması için gerekli önkoşullara ilişkin önceden var olan fikirlerin gözle görülür bir revizyonuna yol açtı. Çalışırken kristal yapılar ve (TMTSF) 2Ar Woodle tipindeki çeşitli bileşiklerdeki atomlar arası mesafeler (a) ve (b) koşullarının yerine getirilmesinin gerekli olmadığı sonucuna varmıştır. Üstelik bu durumdaörtüşme nedeniyle metalik elektrik iletkenliği oluşmaz dalga fonksiyonları Karbonun tg elektronları, ancak selenyum atomlarının birbirine yakınlığı nedeniyle ve bu tür bir örtüşme yalnızca yığın içinde değil aynı zamanda komşu yığınlar arasında da meydana gelir. Başka bir deyişle, söz konusu bileşiklerin kristalleri donör ve alıcı katmanlardan oluşur ve yarı iki boyutlu yapılar oluşturur. Esasen selenyum atomları arasındaki tüm mesafeler atomların van der Waals yarıçaplarını aşmaz. Manyetodirenç ölçümleri şu sonuçları vermiştir: Şekil 5 6.1'deki düzleme dik TMTSF yığınları boyunca çizilen düzlemlerde meydana gelen elektronların iki boyutlu hareketi tutarlıdır ve bu düzlemler arasındaki hareket difüzyoneldir. Woodl'un belirttiği gibi, bu bileşiklerle ilgili mevcut sonuçlar dikkate alındığında en az üç ilginç soru ortaya çıkıyor: teorik konular: (1) Elektrik iletkenliğinin doğrusal olmayan alana bağımlılığının nedeni nedir?
Süperiletkenliğin keşfi en çok parlak bir olay iletkenlik çalışmalarında organik madde. İlk kez 1980 yılında Bechgaard, Jacobsen, Mortensen, Petersen ve Tsorap ile Jerome, Mazo, Ribot ve Bechgaard tarafından eşyapısal bileşikler ailesinde gözlemlendi. genel formül(TMTSF) 2Ar, genellikle Bechgaard tuzları olarak adlandırılır. Yalnızca ClO4 tuzu süperiletkenlik gösterir. atmosferik basınç ve kritik bir süperiletken geçiş sıcaklığına Tc 1 K sahiptir.
Süperiletkenliğin keşfinden bu yana, olasılıklar teknik kullanım bu inanılmaz fenomen.
Cıvada süper iletkenliğin keşfedilmesinden kısa bir süre sonra Kamerling-On - Nes ve çalışma arkadaşları, kurşun ve kalay gibi diğer metallerin süper iletken duruma dönüşebileceğini göstermeyi başardılar. Daha sonra indiyum, galyum ve talyumun süper iletken özellikleri keşfedildi ve 30'lu yıllarda yeni derin soğutma yöntemlerinin geliştirilmesiyle süper iletkenlerin sayısı alüminyum, çinko ve diğer elementlerle dolduruldu.
Süperiletkenliğin keşfinden çok kısa bir süre sonra, bunun yalnızca bir numunenin ısıtılmasıyla değil, aynı zamanda manyetik bir alana yerleştirilmesiyle de yok edilebileceği keşfedildi.
Süperiletkenliğin keşfi ve özel özellikler kuantum sıvıları bu konuda hiç şüphe uyandırmıyor gerçek süreçler her zaman bir dereceye kadar geri döndürülemez.
Yani süperiletkenliğin keşfinden bu yana, bu süperiletkenliğin doğasının anlaşılmasında niteliksel bir ilerleme kaydedilmesi neredeyse yarım yüzyıl sürdü. inanılmaz fenomen ve tutarlı teorisi yaratıldı.
1986'nın sonunda İsviçre'den K. Bednorets tarafından lantan - baryum - bakır oksijen seramiklerinin 30 K'yi aşan sıcaklıklarda süper iletkenliğinin keşfi hakkında bir rapor yayınlandı.
Önemli karakteristik özellik süperiletken tam yokluk Geçiş sıcaklığı Qc'nin altındaki sıcaklıklarda direnç. Aslında süperiletkenliğin keşfinden sonra uzun bir süre buna inanıldı. Ancak 6°C'nin altındaki sıcaklıklardaki bir süperiletken yalnızca ideal bir iletken değildir: aynı zamanda ideal bir diyamanyetiktir veya başka bir deyişle, harici bir manyetik alanın varlığında bile iç yoğunluğu artar. manyetik akı her zaman sıfıra eşittir. Bu, manyetik alana yerleştirilen bir süperiletkenin soğutulması anlamına gelir. elektrik hatları Süperiletken geçiş sıcaklığı geçildiği anda indüksiyonlar malzemenin dışına itilir.
İlk özellik, helyumu sıvılaştırmayı başardıktan üç yıl sonra Kamerlingh Onnes tarafından keşfedildi, ikincisi ise süperiletkenliğin keşfinden 30 yıl sonra Kapitsa tarafından keşfedildi.
Süperiletken geçişin yüksek sıcaklıkları bu tür durumlarda meydana gelebilir. kimyasal bileşikler bileşenleri düşük Tc'ye sahip olan veya hiç süper iletken olmayan. Örneğin, nitrojen ve karbonun süper iletkenliği yoktur, saf tungsten, zirkonyum ve molibdenin Tk 1 K'si vardır ve WC için Tk - 10 K, ZrN için Tk 10 7 K, MoC Tk - 14 3 K'dır. polimer (SN), süperiletkenlik çalışmalarında yeni bir aşamanın başlangıcı anlamına gelir. Geçiş metallerine dayanan alaşımlar ve bileşikler en yüksek süper iletken parametrelere sahiptir.
Son yıllar zamanı gelmişti aktif çalışma düşündüğümüz alanda ve gelecekte daha da fazla aktivite bekleniyor. Yaratılmış bir bereketten olduğu gibi yüksek sanat organik kimyacılar, yeni bileşikler elektriksel özellikler. Birden fazla IRS tipinde süperiletkenliğin keşfi, süperiletkenlik mekanizmasının belirlenmesi ve dolayısıyla daha fazla özelliğe sahip bileşiklerin sentezi için umutları önemli ölçüde genişletti. yüksek sıcaklık süperiletken geçiş. Yarı tek boyutlu ve yarı iki boyutlu sistemler gibi davranan bileşiklerin sentezi, teorisyenlere geniş bir faaliyet alanı açmıştır. kesin çözüm aktarım sorunları. Büyük ölçekliörneğin amorf yapıların incelenmesinde önde gelen bir trend haline gelen makine modellemenin kullanımını benimsemiştir. katılar Taşıyıcıların hareketinin atlamalı bir karaktere sahip olduğu yer. Kesin olarak tanımlanmış dalga boylarına sahip kısa radyasyon darbeleri elde etmeyi mümkün kılan lazer teknolojisinin devam eden gelişimi, belirli iç modları uyarmayı ve bunların gevşeme oranlarını incelemeyi mümkün kılmıştır; Düzgün çizgi genişlikleri ölçülüyor ve bu genişletmeye yönelik mekanizmalar geliştiriliyor.
İlk bakışta, K. P. Yakovlev'in ifadesinin reddedilemez bir ifadeyle keskin bir şekilde çeliştiği görülüyor. tarihsel gerçek: P. N. Lebedev'in Advances in Physics in 1911 adlı son kısa makalesinde gezegen atomu hakkında tek bir kelime yok. Ancak mesele şu ki, genel kamuoyu için yazılan ve Rus Gazetesi'nin Yeni Yıl sayısında yayınlanan bu makale, yalnızca 11. yılın tartışılmaz ve anlaşılır başarılarına ithaf edilmiştir. Bu nedenle, bir paragrafın tamamı Kammerling-Onnes kriyojenik laboratuvarının çalışmalarına ayrılmış olmasına rağmen, süperiletkenliğin keşfinden söz edilmedi. Gezegen atomu tartışılmaz ve anlaşılır gerçekler kategorisine ait değildi.
İlgili büyük açılış beklentiler şaşırtıcı. Sıfırla malzeme oluşturma elektrik direnci Pahalı olmayan bir soğutucu olan sıvı nitrojen (77 K) kullanılarak kolaylıkla muhafaza edilen sıcaklıklarda, bir takım sorunların çözümünün yolunu açar. pratik problemler kayıpsız enerji transferi gibi uzun mesafelerısı sınırlamalarına tabi olmayan minyatür bilgisayar entegre devrelerinin oluşturulması ve demiryolları süper iletken mıknatısların alanında hareket eden trenler; neredeyse sürtünmesiz. Ancak en dikkat çekici şey, süperiletkenliğin keşfinden sonraki ilk 75 yılda Tc'nin yalnızca 23 K'ye yükseltilmesiydi. Daha sonra sadece birkaç ay içinde Tc'nin 100 K'ye ulaşmasıydı. Süperiletkenliğe sahip başka malzemeler de mutlaka keşfedilecek. en oda sıcaklıkları. Böyle bir keşif olurdu en güçlü etki kültürümüzde muhtemelen yalnızca transistörün ortaya çıkmasının sonuçlarıyla karşılaştırılabilir.
Sayfalar: 1
İletken direnci sıcaklığa bağlıdır. Metaller ısıtıldığında direnç artar, metaller soğutulduğunda direnç azalır. İletkenin sıcaklığı sıfıra yaklaştığında süperiletkenlik adı verilen bir olay ortaya çıkabilir.
Keşif tarihi
Süperiletkenliğin keşfi Hollandalı fizikçi H. Kamerlingh-Onnes'e aittir. Cıvayı sıvı helyumda soğuttu. İlk başta direnç yavaş yavaş azaldı ve daha sonra belirli bir seviyeye ulaştıktan sonra belirli sıcaklık direnç keskin bir şekilde sıfıra düştü. Bu olaya süperiletkenlik adı verildi.
Ancak süperiletkenlik olgusunun özünü ancak 1957'de açıklayabildiler. kuantum teorisi. Büyük bir basitleştirmeyle süperiletkenlik açıklanabilir aşağıdaki gibi: Elektronlar sıra halinde birleşir ve birbirleriyle çarpışmadan hareket ederler. kristal kafes. Bu hareket sıradan kaotik termal harekete hiç benzemiyor.
1986 yılında düşük sıcaklıkta süperiletkenliğe ek olarak keşfedildi. yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik. Oluşturuldu karmaşık bağlantılar 100 K sıcaklıkta süperiletkenlik durumuna girenler.
Süper iletkenlerin özellikleri
- Kritik sıcaklık, bir maddenin süperiletken duruma geçtiği sıcaklıktır. Süper iletkenlik olgusu metallerde ve alaşımlarında meydana gelir çok düşük sıcaklıklar (yaklaşık 25 K ve altı). Belirli maddelerin kritik sıcaklıklarını gösteren referans tabloları bulunmaktadır.
- Süperiletkenlikte direnç olmadığından ısı oluşumu meydana gelmez bir iletkenin içinden geçerken elektrik akımı. Süperiletkenlerin bu özelliği yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Her süperiletken için kritik değer amperaj, Bu, bir iletkenin süperiletkenliğini bozmadan elde edilebilir. Bunun nedeni, akım geçtiğinde iletken çevresinde manyetik bir alan oluşmasıdır. Ve manyetik alan süperiletken durumu yok eder. Bu nedenle süperiletkenler keyfi derecede güçlü bir manyetik alan üretmek için kullanılamaz.
- Enerji bir süperiletkenden geçtiğinde bundan herhangi bir kayıp söz konusu değildir. Araştırma alanlarından biri modern fizikçiler, oda sıcaklığında süper iletken malzemelerin oluşturulmasıdır. Eğer bu sorun çözülebilirse, o zaman en önemli şeylerden biri teknik sorunlar- enerjinin kablolar aracılığıyla kayıpsız aktarımı.
Beklentiler
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik- Bu, daha sonra yeni gelişmelere yol açabilecek çok umut verici bir araştırma alanıdır. teknik devrim elektronik, elektrik mühendisliği ve radyo mühendisliğinde. Bu alandaki en son verilere göre maksimum kritik sıcaklık Elde edilen süperiletkenlik 166K'dır.
Oda sıcaklığında süperiletken olabilecek malzemelerin keşfine yavaş yavaş yaklaşıyoruz. Bu teknoloji dünyasında bir atılım olacak. Elektrik herhangi bir mesafeye kayıpsız olarak iletilebilir.
İletken atomlarının kaotik hareketi elektrik akımının geçişini engeller. Bir iletkenin direnci sıcaklık azaldıkça azalır. İletken sıcaklığının daha da azalmasıyla dirençte tam bir azalma ve süperiletkenlik olgusu gözlenir.
Belirli bir sıcaklıkta (0 oK'ye yakın) iletkenin direnci keskin bir şekilde sıfıra düşer. Bu olaya süperiletkenlik denir. Ancak süperiletkenlerde başka bir olay daha gözlemlenir: Meissner etkisi. Süper iletken durumdaki iletkenler sergileniyor olağandışı özellik. Manyetik alan süperiletkenin hacminden tamamen uzaklaşmıştır.
Manyetik alanın bir süperiletken tarafından yer değiştirmesi.
Süperiletken durumdaki bir iletken, ideal bir iletkenin aksine diyamanyetik bir malzeme gibi davranır. Dış manyetik alan süperiletkenin hacminden kaydırılır. Daha sonra bir süperiletkenin üzerine bir mıknatıs yerleştirirseniz, mıknatıs havada asılı kalır.
Bu etkinin ortaya çıkışı, bir süper iletken bir manyetik alana sokulduğunda, içinde manyetik alanın dış alanı (herhangi bir diyamanyetik malzemede olduğu gibi) tamamen telafi ettiği girdap endüksiyon akımlarının ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır. Ancak indüklenen manyetik alanın kendisi de, yönü indüksiyon akımlarına ters yönde ve büyüklük olarak eşit olan girdap akımları yaratır. Sonuç olarak süperiletkenin hacminde herhangi bir manyetik alan veya akım yoktur. Süperiletkenin hacmi, kalınlığına (yaklaşık 10-7-10-8 m) manyetik alanın nüfuz ettiği ve telafisinin gerçekleştiği, yüzeye yakın ince bir katman - bir deri katmanı - tarafından korunur.
A- herhangi bir sıcaklıkta (1) sıfır olmayan dirence sahip normal bir iletken manyetik alana sokulur. Kanuna göre elektromanyetik indüksiyon manyetik alanın metale (2) nüfuz etmesine direnen akımlar ortaya çıkar. Ancak direnç sıfırdan farklıysa hızla bozulurlar. Manyetik alan normal bir metal örneğine nüfuz eder ve neredeyse tekdüzedir (3);
B- itibaren normal durumüzerindeki sıcaklıklarda T c iki yol vardır: Birincisi: sıcaklık düştüğünde numune süperiletken duruma geçer, ardından numunenin dışına itilen bir manyetik alan uygulanabilir. İkincisi: Önce numuneye nüfuz eden bir manyetik alan uygulayın ve ardından sıcaklığı düşürün, ardından geçiş sırasında alan dışarı itilecektir. Manyetik alanın kapatılması aynı görüntüyü verir;
V- Meissner etkisi olmasaydı dirençsiz iletken farklı davranırdı. Manyetik alanda dirençsiz bir duruma geçerken, manyetik alanı koruyacak ve dış manyetik alan kaldırıldığında bile onu koruyacaktır. Böyle bir mıknatısın manyetikliğini gidermek ancak sıcaklığı artırarak mümkün olacaktır. Ancak bu davranış deneysel olarak gözlemlenmemiştir.