Hiện tượng siêu dẫn là gì? Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng có điện trở bằng không và sự giải phóng từ trường xảy ra trong một số vật liệu nhất định, được gọi là chất siêu dẫn, khi được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn đặc trưng.
Hiện tượng được phát hiện bởi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerling-Onnes vào ngày 8 tháng 4 năm 1911 tại Leiden. Giống như thuyết sắt từ và các vạch phổ nguyên tử, hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng cơ học lượng tử. Nó được đặc trưng bởi hiệu ứng Meissner - sự phóng ra hoàn toàn của các đường sức từ bên trong chất siêu dẫn trong quá trình chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn.
Đây là bản chất của hiện tượng siêu dẫn. Sự xuất hiện của hiệu ứng Meissner chỉ ra rằng hiện tượng siêu dẫn không thể được hiểu đơn giản là sự lý tưởng hóa độ dẫn điện lý tưởng trong vật lý cổ điển.
Hiện tượng siêu dẫn là gì
Điện trở của vật dẫn kim loại giảm dần khihạ nhiệt độ. Trong các chất dẫn điện thông thường như đồng hoặc bạc, sự giảm này bị hạn chế bởi các tạp chất và các khuyết tật khác. Ngay cả gần độ không tuyệt đối, một mẫu thực của một dây dẫn bình thường cũng cho thấy một số điện trở. Trong chất siêu dẫn, điện trở giảm mạnh đến 0 khi vật liệu được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn của nó. Dòng điện qua một vòng dây siêu dẫn có thể duy trì vô hạn mà không cần nguồn điện. Đây là câu trả lời cho câu hỏi, hiện tượng siêu dẫn là gì.
Lịch sử
Năm 1911, trong khi nghiên cứu các đặc tính của vật chất ở nhiệt độ rất thấp, nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerling Onnes và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng điện trở của thủy ngân giảm xuống không dưới 4,2 K (-269 ° C). Đây là quan sát đầu tiên về hiện tượng siêu dẫn. Hầu hết các nguyên tố hóa học trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ đủ thấp.
Dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, vật liệu chuyển sang trạng thái siêu dẫn, được đặc trưng bởi hai tính chất chính: thứ nhất, chúng không chống lại sự di chuyển của dòng điện. Khi điện trở giảm xuống 0, dòng điện có thể lưu thông trong vật liệu mà không bị tiêu tán năng lượng.
Thứ hai, với điều kiện là chúng đủ yếu, từ trường bên ngoài không xuyên qua chất siêu dẫn mà vẫn nằm trên bề mặt của nó. Hiện tượng trục xuất trường này được gọi là hiệu ứng Meissner sau khi nó được một nhà vật lý quan sát lần đầu tiên vào năm 1933.
Ba cái tên, ba chữ cái và một lý thuyết chưa hoàn chỉnh
Vật lý thông thường không cung cấp đầy đủgiải thích về trạng thái siêu dẫn, cũng như lý thuyết lượng tử cơ bản về trạng thái rắn, xem xét hoạt động của các electron riêng biệt với hoạt động của các ion trong mạng tinh thể.
Chỉ vào năm 1957, ba nhà nghiên cứu người Mỹ - John Bardeen, Leon Cooper và John Schrieffer đã tạo ra lý thuyết vi mô về siêu dẫn. Theo lý thuyết BCS của họ, các electron tập hợp thành từng cặp thông qua tương tác với các dao động mạng tinh thể (được gọi là "phonon"), do đó tạo thành các cặp Cooper chuyển động mà không có ma sát bên trong chất rắn. Một chất rắn có thể được xem như một mạng tinh thể của các ion dương chìm trong một đám mây electron. Khi một êlectron đi qua mạng tinh thể này, các ion chuyển động nhẹ, bị điện tích âm của êlectron hút. Chuyển động này tạo ra một vùng nhiễm điện dương, vùng này sẽ thu hút một điện tử khác.
Năng lượng của tương tác điện tử khá yếu và hơi có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi năng lượng nhiệt - vì vậy hiện tượng siêu dẫn thường xảy ra ở nhiệt độ rất thấp. Tuy nhiên, lý thuyết BCS không đưa ra lời giải thích cho sự tồn tại của chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở khoảng 80 K (-193 ° C) trở lên, mà các cơ chế liên kết electron khác phải có liên quan. Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn dựa trên quá trình trên.
Nhiệt độ
Năm 1986, một số vật liệu gốm cuprate-perovskite được phát hiện có nhiệt độ tới hạn trên 90 K (-183 ° C). Nhiệt độ đường giao nhau cao này về mặt lý thuyết làkhông thể đối với chất siêu dẫn thông thường, dẫn đến vật liệu được gọi là chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Nitơ lỏng làm mát có sẵn sôi ở 77 K, và do đó tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ này tạo điều kiện cho nhiều thí nghiệm và ứng dụng ít thực tế hơn ở nhiệt độ thấp hơn. Đây là câu trả lời cho câu hỏi ở nhiệt độ nào thì hiện tượng siêu dẫn xảy ra.
Phân loại
Chất siêu dẫn có thể được phân loại theo một số tiêu chí phụ thuộc vào sự quan tâm của chúng ta đối với các đặc tính vật lý của chúng, vào sự hiểu biết của chúng ta về chúng, vào mức độ đắt đỏ để làm mát chúng, hoặc vật liệu chúng được làm từ đó.
Bởi tính chất từ tính của nó
Chất siêu dẫn loại I: những chất siêu dẫn chỉ có một trường tới hạn, Hc và chuyển đổi đột ngột từ trạng thái này sang trạng thái khác khi đạt tới.
Chất siêu dẫn loại II: có hai trường tới hạn, Hc1 và Hc2, là chất siêu dẫn hoàn hảo dưới trường tới hạn dưới (Hc1) và hoàn toàn rời khỏi trạng thái siêu dẫn phía trên trường tới hạn trên (Hc2), ở trạng thái hỗn hợp giữa các trường quan trọng.
Khi chúng tôi hiểu về họ
Chất siêu dẫn thông thường: những chất có thể được giải thích đầy đủ bằng lý thuyết BCS hoặc các lý thuyết liên quan.
Chất siêu dẫn không bình thường: những chất siêu dẫn không thể giải thích được bằng những lý thuyết như vậy, ví dụ: fermionic nặngchất siêu dẫn.
Tiêu chí này rất quan trọng vì lý thuyết BCS đã giải thích các đặc tính của chất siêu dẫn thông thường từ năm 1957, nhưng mặt khác, không có lý thuyết thỏa đáng nào để giải thích các chất siêu dẫn hoàn toàn khác thường. Trong hầu hết các trường hợp, chất siêu dẫn Loại I là phổ biến, nhưng có một số ngoại lệ, chẳng hạn như niobi, là chất phổ biến và cả Loại II.
Bởi nhiệt độ tới hạn của chúng
Chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, hoặc LTS: những chất có nhiệt độ tới hạn dưới 30 K.
Chất siêu dẫn nhiệt độ cao, hoặc HTS: những chất có nhiệt độ tới hạn trên 30 K. Một số hiện nay sử dụng 77 K làm vật phân tách để nhấn mạnh liệu chúng ta có thể làm lạnh mẫu bằng nitơ lỏng (có nhiệt độ sôi là 77 K) hay không, khả thi hơn nhiều so với helium lỏng (một giải pháp thay thế để đạt được nhiệt độ cần thiết để tạo ra chất siêu dẫn nhiệt độ thấp).
Chi tiết khác
Chất siêu dẫn có thể là loại I, có nghĩa là nó có một trường tới hạn duy nhất, trên đó tất cả chất siêu dẫn bị mất đi và dưới đó từ trường bị loại bỏ hoàn toàn khỏi chất siêu dẫn. Loại II, nghĩa là nó có hai trường tới hạn mà giữa nó cho phép xâm nhập một phần từ trường qua các điểm cô lập. Những điểm này được gọi là xoáy. Ngoài ra, trong các chất siêu dẫn đa thành phần, có thể có sự kết hợp của hai hành vi. Trong trường hợp này, chất siêu dẫn thuộc loại 1, 5.
Thuộc tính
Hầu hết các tính chất vật lý của chất siêu dẫn khác nhau giữa các vật liệu, chẳng hạn như nhiệt dung và nhiệt độ tới hạn, trường tới hạn và mật độ dòng tới hạn mà tại đó hiện tượng siêu dẫn bị phá vỡ.
Mặt khác, có một lớp thuộc tính độc lập với vật liệu cơ bản. Ví dụ: tất cả các chất siêu dẫn có điện trở suất hoàn toàn bằng không ở dòng điện thấp, khi không có từ trường hoặc khi trường đặt vào không vượt quá giá trị tới hạn.
Sự hiện diện của các đặc tính phổ quát này ngụ ý rằng hiện tượng siêu dẫn là một giai đoạn nhiệt động lực học và do đó có một số đặc tính đặc biệt nhất định mà phần lớn không phụ thuộc vào các chi tiết cực nhỏ.
Tình hình là khác nhau trong chất siêu dẫn. Trong chất siêu dẫn thông thường, chất lỏng điện tử không thể tách thành các điện tử riêng lẻ. Thay vào đó, nó bao gồm các cặp electron liên kết được gọi là cặp Cooper. Sự kết đôi này là do lực hấp dẫn giữa các electron tạo ra từ sự trao đổi các phonon. Do cơ học lượng tử, phổ năng lượng của chất lỏng này của cặp Cooper có một khoảng trống năng lượng, nghĩa là, có một lượng năng lượng tối thiểu ΔE phải được cung cấp để kích thích chất lỏng.
Do đó, nếu ΔE lớn hơn nhiệt năng của cách tử cho bởi kT, với k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ, chất lỏng sẽ không bị cách tử phân tán. Cho nênDo đó, chất lỏng hơi Cooper là siêu lỏng, có nghĩa là nó có thể chảy mà không tiêu tán năng lượng.
Đặc tính siêu dẫn
Trong vật liệu siêu dẫn, đặc tính siêu dẫn xuất hiện khi nhiệt độ T giảm xuống dưới nhiệt độ tới hạn Tc. Giá trị của nhiệt độ tới hạn này thay đổi tùy theo vật liệu. Các chất siêu dẫn thông thường thường có nhiệt độ tới hạn nằm trong khoảng từ 20 K đến dưới 1 K.
Ví dụ: thủy ngân rắn có nhiệt độ tới hạn là 4,2 K. Tính đến năm 2015, nhiệt độ tới hạn cao nhất được tìm thấy đối với chất siêu dẫn thông thường là 203 K đối với H2S, mặc dù yêu cầu áp suất cao khoảng 90 gigapascal. Chất siêu dẫn cuprate có thể có nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiều: YBa2Cu3O7, một trong những chất siêu dẫn cuprate đầu tiên được phát hiện, có nhiệt độ tới hạn là 92 K và cuprate làm từ thủy ngân có nhiệt độ tới hạn vượt quá 130 K. Đã được tìm thấy. Lời giải thích cho những nhiệt độ tới hạn cao này vẫn còn không xác định.
Sự kết đôi electron do trao đổi phonon giải thích tính siêu dẫn trong chất siêu dẫn thông thường, nhưng không giải thích được tính siêu dẫn trong chất siêu dẫn mới hơn có nhiệt độ tới hạn rất cao.
Từ trường
Tương tự, ở nhiệt độ cố định dưới nhiệt độ tới hạn, vật liệu siêu dẫn ngừng siêu dẫn khi tác dụng từ trường bên ngoài lớn hơntừ trường tới hạn. Điều này là do năng lượng tự do Gibbs của pha siêu dẫn tăng bậc hai với từ trường, trong khi năng lượng tự do của pha bình thường gần như không phụ thuộc vào từ trường.
Nếu vật liệu là siêu dẫn trong điều kiện không có trường, thì năng lượng tự do của pha siêu dẫn nhỏ hơn năng lượng của pha bình thường, và do đó, đối với một số giá trị hữu hạn của từ trường (tỷ lệ với bình phương gốc của sự khác biệt về năng lượng tự do bằng 0), hai năng lượng tự do sẽ bằng nhau và sẽ có sự chuyển pha sang pha bình thường. Nói chung, nhiệt độ cao hơn và từ trường mạnh hơn dẫn đến tỷ lệ các điện tử siêu dẫn nhỏ hơn và do đó độ sâu thâm nhập vào Luân Đôn của từ trường bên ngoài và dòng điện lớn hơn. Độ sâu thâm nhập trở nên vô hạn khi chuyển pha.
Thể chất
Sự khởi đầu của hiện tượng siêu dẫn đi kèm với những thay đổi đột ngột trong các tính chất vật lý khác nhau, đó là dấu hiệu của sự chuyển pha. Ví dụ, nhiệt dung của electron tỷ lệ với nhiệt độ ở chế độ thường (không phải siêu dẫn). Ở quá trình chuyển đổi siêu dẫn, nó trải qua một bước nhảy và sau đó nó không còn là tuyến tính. Ở nhiệt độ thấp, nó thay đổi thay vì e-α / T đối với một số α không đổi. Hành vi theo cấp số nhân này là một trong những bằng chứng cho sự tồn tại của khoảng cách năng lượng.
Chuyển pha
Giải thích về hiện tượng siêu dẫn kháchắc chắn. Thứ tự của quá trình chuyển pha siêu dẫn đã được thảo luận trong một thời gian dài. Thực nghiệm cho thấy không có sự chuyển tiếp bậc 2 tức là ẩn nhiệt. Tuy nhiên, khi có từ trường bên ngoài, sẽ có nhiệt tiềm ẩn vì pha siêu dẫn có entropi thấp hơn, thấp hơn nhiệt độ tới hạn, so với pha bình thường.
Thực nghiệm đã chứng minh điều sau: khi từ trường tăng và vượt ra ngoài trường tới hạn, kết quả là sự chuyển pha dẫn đến giảm nhiệt độ của vật liệu siêu dẫn. Hiện tượng siêu dẫn đã được mô tả ngắn gọn ở trên, bây giờ đã đến lúc cho bạn biết đôi điều về các sắc thái của hiệu ứng quan trọng này.
Các tính toán được thực hiện vào những năm 1970 cho thấy trên thực tế, nó có thể yếu hơn bậc đầu tiên do ảnh hưởng của các dao động tầm xa trong trường điện từ. Vào những năm 1980, về mặt lý thuyết, nó đã được chứng minh bằng lý thuyết trường rối loạn, trong đó các đường xoáy siêu dẫn đóng một vai trò chính, rằng sự chuyển đổi là bậc hai ở chế độ loại II và bậc một (tức là nhiệt tiềm ẩn) ở chế độ loại I, và rằng hai vùng được ngăn cách bởi một điểm tới hạn.
Các kết quả đã được xác nhận mạnh mẽ bằng mô phỏng máy tính ở Monte Carlo. Điều này đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Công việc vẫn tiếp tục ở thời điểm hiện tại. Bản chất của hiện tượng siêu dẫn vẫn chưa được hiểu và giải thích đầy đủ theo quan điểm của khoa học hiện đại.
