Дізнайтеся що таке надпровідність, яка історія її відкриття та якими є переспективи її застосування в реальному житті.
Що таке надпровідність
Надпровідність визначається повним зникненням електричного опору певних твердих тіл, коли вони охолоджуються нижче певної точки, відомої як критична температура.
Надпровідність: історія відкриття та перспективи застосування
Історія відкриття надровідності
Наукові дослідження надпровідності почалися в 1911 році з експериментів над ртуттю в лабораторії голландського фізика Хейке Камерлінга Оннеса. Оннес показав, що при охолодженні ртуті до 4 Кельвінів (-269 градусів за Цельсієм) електричний опір ртуті зникає.
Виявлення нульового електричного опору є важливим, оскільки це може відкрити шляхи до більш ефективних електричних застосувань, оскільки багато енергії втрачається через електричний опір. Наприклад, надпровідники можна було б використовувати в національних лініях електропередач і електромережах, щоб мінімізувати потенційні втрати енергії.
Низькотемпературні напровідники
Більшість металевих надпровідників (таких як ртуть і свинець) називають низькотемпературними надпровідниками, оскільки вони переходять у надпровідний стан лише за температури нижче 73 Кельвінів.
Низькотемпературні надпровідники потребують дорогих систем охолодження для обслуговування.
Високотемпературні напровіднки
З іншого боку, матеріали з нетрадиційно високими критичними температурами влучно названі високотемпературними надпровідниками (ВТНП). ВТНП мають критичні температури понад 77 Кельвінів – температуру кипіння азоту – і їх порівняно легко підтримувати, використовуючи азот як охолоджувач.
ВТНП – це переважно кераміка, що містить мідь, кисень і рідкоземельні метали, такі як вісмут або талій. ВТНП, що містять мідь і кисень, зазвичай мають дуже складну стехіометрію, тобто співвідношення окремих елементів часто є складним, наприклад, Hg2Ba2Ca2Cu3O8 і Nd1.85Ce0.15CuO4 є прикладами ВТНП з незвичайними співвідношеннями.
З цієї причини їх іноді називають неідентифікованими надпровідними об’єктами (ННО). Зазвичай важко відтворити експерименти з надпровідності в USO, оскільки зміна вмісту кисню і тепла різко змінює критичні температури ВТНП.
Мідно-кисневі ВТНП мають кристалічну природу, а рівень надпровідності сильно залежить від площинної орієнтації атомів міді та кисню.
Що таке магнітне поле та як воно створюється?
Історія дослідження напровідності продовжується….
Незважаючи на складність науки, дослідження надпровідності набирають обертів. Відкриття ефекту Майснера, який досліджує магнітні властивості надпровідників, Вальтером Майснером і Робертом Ошенфілдом викликало ще більший інтерес до надпровідності.
Ефект Мейснера полягає в тому, що коли певний матеріал перебуває в надпровідному стані (стані, де електричний опір є непомітним), він витісняє будь-яке зовнішнє магнітне поле, яке не може проникнути в нього.
Ефект Мейснера, по суті, є тим, що змушує магніти левітувати над надпровідними матеріалами.
Ще одне визначне відкриття зробили Бардін, Купер і Шріффер. Ця теорія надпровідності, запропонована Джоном Бардіном, Леоном Купером і Робертом Шріффером у 1957 році, намагається кількісно пояснити надпровідність за допомогою так званих куперівських пар.
Спільне досягнення Й. Георга Беднорца і К. Алекса Мюллера з IBM також просунуло цю галузь вперед. Завдяки багаторічним випробуванням керамічних сполук вони змогли розробити, випробувати і спостерігати надпровідність у крихкій керамічній сполуці (BaxLa5-xCu5O5(3-y)) при температурі 30 Кельвіна (-243,15 градусів за Цельсієм).
Хоча це набагато менше, ніж звичайний поріг досягнення надпровідності в 73 К, 30 К було дуже великою температурою і мало велике значення для вчених-експериментаторів у 1970-х і 1980-х роках, оскільки до цього часу не було жодного матеріалу, надпровідного при температурі 30 К.
Рекорди в цій галузі постійно б’ються з відкриттям нових, більш складних надпровідників. Більше того, відкриваються і більш придатні кандидати, які демонструють надпровідність.
У нещодавній статті, опублікованій в журналі Nature, дослідники з Рочестерського університету в Нью-Йорку відкрили вуглецевий сірководень, який наразі має найвищу критичну температуру – 15 градусів Цельсія.
Купрати мають важливу характеристику, яка зумовлює їхню надпровідну природу: наявність електронної властивості, яка називається єдиною корельованою d-смугою в низькоенергетичному спектрі. У випадку купратів і сполук заліза технічні труднощі, такі як отримання правильних співвідношень певних елементів під час синтезу кристалів цих нових надпровідних матеріалів, створюють перешкоди як у часі, так і в ефективності.
Як працює електромагніт: диво науки?
В даний час робляться величезні кроки для фізичного визначення і реалізації надпровідників при ще більш високих температурах. Багато елементів і сполук, таких як купрати, графен, металевий водень, гідрати і гідриди, випробовуються на високотемпературну надпровідність.
Провідність і опір
Як згадувалося раніше, електропровідність – це міра легкості, з якою електричний заряд може проходити крізь матеріал. Матеріали, які проводять електричний струм, називаються провідниками, а ті, які не проводять електричний струм, називаються непровідниками або ізоляторами.
Певні елементи, які знаходяться між провідною та ізоляційною фазами, називаються напівпровідниками. Прикладами напівпровідників є кремній, германій та арсенід галію. Провідність певного матеріалу показує, наскільки добре через нього проходить електричний струм. У більшості випадків найкращими провідниками є метали. Прикладами чудових металевих провідників є срібло, золото, алюміній, мідь і залізо; до поганих провідників належать свинець, вольфрам і вісмут.
Метали проводять електрику завдяки своїй структурі. Вони часто складаються з тісно упакованих атомів, які утворюють кристалічні решітки з високим ступенем симетрії. Ця симетрія призводить до високої провідності металу завдяки теорії вільних електронів, яка стверджує, що атоми в металевій решітці втратили свої валентні електрони – ті, що знаходяться на зовнішній електронній оболонці.
Валентні електрони можуть вільно відокремлюватися від своїх батьківських атомів і рухатися по решітці, що призводить до утворення знаменитого “моря” електронів. Саме ці електрони відповідають за перенесення зарядів по металу і створення електричного струму. Ізолятори не мають цих високомобільних електронів і тому не є хорошими провідниками електричного струму.
Електричний струм, навіть у металах, не може протікати безперешкодно.
Електричний опір – це міра протидії протіканню струму. Електричний опір є більш помітним у металах і виникає внаслідок кристалічної металевої решітки, яка робить провідність можливою.
Коли рухливі електрони в решітці переносять заряди через провідник, вони стикаються зі своїми батьківськими іонами в металевій решітці (з якої електрони вирвалися), які перешкоджають їхньому руху. Це, в свою чергу, зменшує електропровідність даного провідника. Чим вищий опір певного провідника, тим нижча провідність, і навпаки.
Фізики досліджували кореляцію між температурою та електричним опором і відзначили майже пропорційну залежність між цими двома змінними; тобто підвищення температури призводить до збільшення опору, але лише до певного рівня.
Фізики 19-го століття вважали, що графік залежності опору від температури буде лінійним для всіх температур. Однак у 1908 році, коли Хейке Оннес вперше зрідив гелій, він виявив, що електричний опір ртуті повністю зникає при температурах, близьких до 3 Кельвінів.
Чому існує зв’язок між опором і температурою? Вища температура означає, що основні іони в металі мають більшу кінетичну енергію, коливаються інтенсивніше і вступають у більшу кількість зіткнень з електронами.
Що таке ефект Магнуса: захопливе явище, яке не підкоряється гравітації
Це не зовсім негативне явище, оскільки електричний опір має певні технологічні застосування. Оскільки вольфрамова нитка в деяких лампочках має високий електричний опір, вона сильно нагрівається і яскраво світиться, коли через неї проходить електричний струм – саме опір дозволяє освітлювати будівлі навіть серед ночі.
Типи надпровідників та ефект Мейснера
Ефект Мейснера досліджує взаємозв’язок між різними категоріями надпровідників та їхньою реакцією на зовнішні магнітні поля. Ефект Мейснера – це явище, при якому нижче критичної температури надпровідник виштовхує зовнішні магнітні поля, що пронизують його. Це явище залежить від типу надпровідника.
Діамагнетизм – це явище, яке змушує матеріали вишиковуватися під прямим кутом до неоднорідного магнітного поля, в якому вони знаходяться. Воно характерне для таких матеріалів, як рідкісні гази.
Надпровідник типу I, який також називають м’яким надпровідником, повністю витісняє зовнішнє магнітне поле, коли він надпровідний – тоді кажуть, що він перебуває в ідеальному діамагнетизмі. Прикладами провідників першого типу є олово, цинк, свинець і т.д., які здебільшого є чистими металами.
На відміну від них, надпровідники типу II, або тверді надпровідники, демонструють лише частковий ефект Мейснера, коли зовнішні магнітні поля проходять через певні області. Ніобій-титан є прикладом надпровідника ІІ типу.
Надпровідники типу I не зберігають непроникний стан при вищих температурах, і тому ефект Мейснера в цих надпровідниках обмежений нижчими температурами. Як наслідок, перевага надається надпровідникам типу ІІ, які широко використовуються навіть у величезних пристроях, таких як прискорювачі частинок.
На жаль, механізми, що лежать в основі цього класу надпровідників, наразі не відомі і про них можна лише здогадуватися. Розуміння того, як працюють ці високоефективні надпровідники типу II, матиме вирішальне значення, щоб допомогти вченим вирішити деякі проблеми, які блокують ефективність надпровідників типу I.
Ефект Мейснера, завдяки різним типам надпровідників, має важливе застосування в галузі охорони здоров’я та біомедичної інженерії. Магнітно-резонансні томографи (МРТ) функціонують, визначаючи прецесію (повільне обертання осі об’єкта навколо іншої осі під дією прикладеного крутного моменту) намагніченості атомних ядер у тілі людини. Чим більша намагніченість, тим ефективніше і чіткіше МРТ-сканування.
Дуже великі надпровідні магніти використовуються для створення величезних магнітних полів і посилення намагніченості ядер. Властивість нульового опору надпровідників використовується в МРТ. Нульовий опір означає, що може протікати більший струм, що, в свою чергу, означає, що ефект намагніченості сильніший. Це головна причина, чому надпровідні магніти використовуються в МРТ.
Якби використовувався інший матеріал, наприклад, мідний електромагніт, в мідних котушках створювався б дуже великий електричний опір, що призвело б до втрат енергії через теплову дисипацію і/або плавлення мідних котушок.
Колайдери частинок, такі як Великий адронний колайдер, також використовують надпровідні магніти, щоб дозволити частинкам прискорюватися всередині 27-кілометрового тунелю до швидкостей, близьких до світлових, не втрачаючи при цьому енергії. Ці надпровідні магніти особливо важливі для спрямування частинок через кути, коли вони рухаються на високих швидкостях.
Нарешті, ефект Мейснера корисний тим, що дозволяє створювати поїзди на магнітній левітації (маглев). Потяги на магнітній подушці використовують надпровідні магніти, які, окрім того, що створюють свої магнітні поля, також використовують ефект Мейснера для левітації над коліями, по яких вони прокладені. Непроникність надпровідників для магнітного поля і той факт, що магнітні полюси відштовхуються, робить можливим рух поїздів на магнітній подушці.
Куперівські пари і проблема температури
Повертаючись до провідності, ми знову звернемо увагу на кристалічну решітку в металевих провідниках. Атоми в цій металевій решітці завжди перебувають у хаотичному русі, коливаючись навколо свого середнього положення. Цей хаотичний рух перешкоджає руху електронів, які переносять заряди, і, як наслідок, зменшує кількість електричного струму, що протікає всередині провідника, викликаючи таким чином опір. Температура має найбільш значний вплив на ці випадкові коливання і, отже, виступає важливим фактором провідності матеріалу.
Коли температура знижується близько до абсолютного нуля, хаотичний рух атомів у металевій решітці майже припиняється і вібрація атомів навколо їх середнього положення зменшується.
Коли електрон наближається до металевої решітки, він стикається з безліччю позитивно заряджених атомів, які втратили свої валентні електрони. За законами електростатики, які стверджують, що на відміну від того, як заряди відштовхуються, негативно заряджений електрон і позитивно заряджені атоми притягуються один до одного.
Коли електрон рухається крізь кристалічну решітку, навколишні позитивно заряджені частинки притягуються до електрона, утворюючи електрон-фононне збурення. Ця деформація рухається крізь решітку і стає ще більш позитивно зарядженою завдяки конгломерату позитивних атомів навколо першого електрона.
Коли другий електрон рухається через решітку, він сильно притягується електрон-фононним збуренням, оскільки він більш позитивно заряджений. Потім перший і другий електрон утворюють так звану куперівську пару, довжина якої коливається від 100 до 1000 атомів – це так звана довжина когерентності.
Зв’язки, які утворюють куперівську пару, відносно слабкі і в іншому випадку розірвалися б, коли б провідниковий матеріал піддавався впливу ще більш високих температур. Таким чином, для підтримки куперівської пари необхідне дуже холодне середовище, яке забезпечується рідким гелієм.
Кількість куперівських пар у металевій решітці з часом збільшується в кілька разів. Через величезну довжину куперівських пар вони перекриваються, утворюючи безліч переплетень, які зміцнюють їхні “слабкі” зв’язки. Таким чином, сукупність усіх куперівських пар у системі діє як одне велике ціле, яке, по суті, не можна розірвати.
Якщо один із зв’язків куперівської пари розривається, вільні електрони можуть миттєво утворити іншу куперівську пару з іншими вільними електронами і знову об’єднатися у величезну систему заплутаності. Після цього куперівські пари безперешкодно рухаються через провідний матеріал, головним чином тому, що коливання інших позитивно заряджених атомів є мінімальними (надпровідність, н.д.).
Ферміони – це субатомні частинки, як і електрони, які мають непарні кутові моменти імпульсу (наприклад, ½, 3/2, 5/2 і т.д.), тоді як бозони – це субатомні частинки з цілими спінами (наприклад, 1,2,3 і т.д.). Ферміони і бозони є частиною більшої парасольки субатомних частинок, які називаються квантами, що відноситься до частинок, які проявляють як хвильові, так і корпускулярні характеристики.
Цікавість куперівських пар з точки зору фізики елементарних частинок полягає в тому, що вони дозволяють “перетворити” ферміон на більш вигідний бозон.
Електрони є ферміонами і повинні підкорятися принципу виключення Паулі, який стверджує, що жодні два кванти не можуть мати однаковий квантовий стан або енергетичний рівень.
Однак це не стосується бозонів. Коли електрони об’єднуються в куперівську пару, два електрони поводяться як бозон і, таким чином, можуть мати один і той самий квантовий стан. Ця бозонна характеристика куперівських пар була перевірена Самуельссоном і Бюттікером.
Бозонні властивості куперівських пар мають ефект мінімізації зіткнень, які відбуваються через провідний матеріал, що дозволяє досягти нульового опору і, таким чином, явища надпровідності. По суті, без куперівських пар надпровідність була б неможливою. Більше того, з’явилися експериментальні докази на підтримку теорії БКС, які закріпили уявлення про куперівські пари як невід’ємну частину надпровідності.
Незважаючи на цей великий подвиг, надпровідність виявляється непрактичною для реальних застосувань, якщо взяти до уваги необхідну мінусову температуру.
Наприклад, квантові комп’ютери, які використовують надпровідники, потрібно тримати при дуже низьких температурах. Суперкомп’ютери IBM працюють при температурі, близькій до абсолютного нуля (0,015 K / -459,6430F / -273,1350C), що підтримується величезними чанами зі зрідженим гелієм.
Великий адронний колайдер, який використовує надпровідні магніти, підтримується при температурі 1,9 Кельвіна. А надпровідні магніти, що використовуються в магнітних левітуючих поїздах (маглеві), в даний час підтримуються при температурі приблизно 6 Кельвінів. Підтримання низької температури є досить дорогим процесом, і це робить застосування надпровідності доступним лише для величезних компаній та досліджень, що фінансуються урядом.
Надпровідність у купратах.
Купрати – це сполуки, які складаються з шаруватої структури, що чергується, в якій двовимірна надпровідна сполука Cu2O пронизана іншими шарами інших металів або елементів, які діють як донори електронів/дірок, що стабілізують ґратку.
У більшості надпровідних моделей, що включають купрати, надпровідна активність виникає на межі між шарами оксиду і легованої речовини. Розташування та шаблони шарів Cu2O можуть впливати на температуру, при якій досягається надпровідність; чим більша кількість шарів, тим вища критична температура.
надпровідність
На відміну від звичайних надпровідників, надпровідність яких базується на електрон-фононній взаємодії, надпровідність купратів залежить від більш екзотичної форми електронної передачі, що включає електрон-електронну взаємодію. Більшість купратів (які є надпровідниками типу 2) допускають магнітне проникнення у квантованих потоках і, отже, можуть витримувати сильніші магнітні поля.
Оскільки купрати складаються з багатьох елементів з різноманітними фізичними та хімічними властивостями, теоретичні моделі, що пояснюють механізми надпровідності в купратах, виявилися невловимими.
Наразі існують дві теорії, хоча жодна з них не є повністю обґрунтованою: теорія слабкого зв’язку та модель міжшарового зв’язку.
Перша припускає, що нетрадиційна надпровідність виникає внаслідок антиферомагнітних спінових флуктуацій у легованій системі, тоді як друга припускає, що вона виникає як власна надпровідність типу BCS, що самопідсилюється, в шаруватій структурі. Тому необхідні подальші поглиблені дослідження для кращого розуміння механізмів нетрадиційної надпровідності.
Надпровідність у графені
Графен – це алотроп (інша структурна форма певного елемента) вуглецю, який складається з одного гексагонального шару атомів вуглецю товщиною в один атом . У 2018 році дослідники зробили відкриття про графен.
Коли два шари графену товщиною в один атом складені разом, вони утворюють бішар, який скручений під кутом 1,10 вздовж своєї головної осі. Коли на цю скручену матрицю подається напруга, збільшення електронної густини перетворює графеновий бішар на надпровідник.
Парадоксально, але незначне коливання електронної густини перетворює графен на ізолятор, непроникний для потоку електронів. З цієї причини кут скручування запам’ятався як “магічний кут”. Як ізоляційна, так і надпровідна фази були досягнуті при дуже низьких температурах, приблизно при абсолютному нулі, хоча за особливих обставин скручений двошаровий графен може демонструвати критичну температуру до 3 Кельвінів.
Досягнення магічного кута вимагає такої вправності, що якщо тисячі зразків піддати механіці твістроніки (маніпулювання електронними властивостями двовимірних шаруватих структур шляхом скручування їх на малі кути), лише деякі з них виявляться з надпровідними властивостями.
Цей тісний перехід між надпровідною та ізолюючою фазами викликав великий інтерес серед дослідників, оскільки він потенційно може допомогти в розумінні механізмів високотемпературної надпровідності. Прямий взаємозв’язок також пропонує нове розуміння геометричної топології та електропровідності в природі.
Нещодавно дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту змогли допінгувати графенові бішари селеном і вольфрамом. Дослідники досягли надпровідності під відносно ширшим кутом, ніж магічний кут, і надпровідність також була стабілізована, оскільки стан ізолятора не спрацьовував навіть після зміни електронної щільності.
Надпровідність водню і проблема тиску.
Ще в 1968 році такі вчені, як Ніл Ешкрофт, припустили, що якщо водень модифікувати або перетворити на метал, він буде демонструвати високотемпературну надпровідність. Вчені продовжили досліджувати цю властивість у молекулах водню і, зокрема, гідридів.
Однією з причин, чому сполуки, багаті на водень, є гарними кандидатами на роль надпровідних матеріалів, є те, що водень забезпечує вищий ступінь електрон-фононних збурень, що призводить до збільшення кількості куперівських пар і, отже, до збільшення потоку електричного струму при нульовому опорі.
Незростання локального збурення також збільшує кількість куперівських парних зв’язків, ще більше зміцнюючи їх. Це зменшує ймовірність розриву квантових зв’язків між парами, забезпечуючи більший потік електричного струму .
Однак, недостатньо включити лише водень до складу суміші. Гідриди виявляються ще більш грізними кандидатами, ніж чистий металевий водень, коли йдеться про надпровідність. Чим більша кількість атомів водню в певній сполуці, тим більша міцність колективних зв’язків, а отже, вища ймовірність виникнення надпровідності. Як наслідок, багато вчених експериментують з широким спектром гідридів, щоб дослідити їхні критичні температури і з’ясувати, чи мають вони високотемпературну надпровідність (Huang et al., 2019).
Одним з перспективних гідридів є гідрид лантану (H3S), який досяг надпровідності при 250 Кельвінах або -23,15 градусах Цельсія. Інші “ковалентні супергідриди” були доповані різними елементами, щоб викликати ефект міцніших зв’язків, які сприяють утворенню ще більшої кількості куперівських пар, ніж звичайні гідриди.
Прикладом останніх є вуглецеві супергідриди, які досі були найперспективнішими кандидатами. Снідер та ін. (з Університету Рочестера) використовували вуглецеві супергідриди і досягли надпровідності при температурі майже 15 градусів Цельсія.
Водень – найлегший і найпоширеніший елемент. У природі він існує у вигляді молекулярного газу. Отже, у своєму молекулярному стані водень не дуже корисний для проведення експериментів з надпровідності. Щоб зробити його корисним для застосувань у галузі провідності, молекулярний водень необхідно перетворити на металевий водень. Єдиний спосіб металізації молекулярного водню – це екстремальний тиск .
У своїх перших експериментах з надпровідності Єремець та його команда вчених з Інституту хімії імені Макса Планка досліджували надпровідні властивості водню при екстремальних тисках близько 440 ГПа. Для порівняння, тиск в ядрі Землі становить близько 360 ГПа.
В експериментах Снайдера та ін. з вуглецевими супергідридами команда досліджувала надпровідність при тисках близько 275 ГПа. Для цього Снайдер та ін. використовували кишенькові алмазні ковадла (DAC), які конденсують цільові гідриди до розмірів порядку мікрометрів.
Дослідницька група змогла зафіксувати надпровідність при максимальній надпровідній критичній температурі близько 15 градусів за Цельсієм при температурі близько 267 гігапаскалів.
Наведемо ще один приклад: незважаючи на отримання надпровідності при кімнатній температурі, газ H2S можна перетворити на твердий провідник лише при таких високих тисках – майже 450 гігапаскалів. Такий рівень тиску може бути досягнутий лише в ЦАПах і неможливий для практичного застосування у великомасштабних моделях.
Екстремальні тиски, при яких виникає надпровідність, обмежують ефективність струмових надпровідників, навіть незважаючи на те, що надпровідність при вищих температурах досягається. Дилема полягає в тому, що будь-яка користь, яку можна було б отримати від нововідкритих надпровідників, повинна бути збалансована з високою вартістю підтримки їх у стані високого тиску або низької температури.
Висновки
Надпровідність має потенціал для трансформації світу, яким ми його знаємо. Перспектива використання високотемпературних надпровідників виявиться корисною для вирішення енергетичної кризи шляхом мінімізації втрат теплової енергії за допомогою відповідних надпровідників в якості кабелів для передачі електроенергії. Енергія, яка зараз втрачається, може бути використана для забезпечення електроенергією малозабезпечених верств населення в усьому світі.
Крім того, глобальна гонка зі створення квантових комп’ютерів залежить від зусиль з пошуку відповідних надпровідників. Транспортний сектор також може бути трансформований, якщо магнетизм зможе працювати при більш високих температурах.
Крім того, прогрес у підтримці належного ефекту Мейснера в надпровідниках типу II також може виявитися корисним для виробництва магнітів. Однак у галузі фізики конденсованих середовищ, яка займається надпровідниками, ще багато дослідницької роботи, перш ніж ці практичні досягнення будуть реалізовані.
У більш широкому масштабі, надпровідники все ще далекі від того, щоб мати великий вплив на світ, незважаючи на те, що вони були відкриті майже століття тому. Фізики конденсованих середовищ повинні знайти спосіб компенсувати проблеми надзвичайно низьких температур і надзвичайно високого тиску, щоб зробити мрію про високотемпературну надпровідність здійсненною.
Джерело: https://icjs.us/
