Quin és el fenomen de la superconductivitat? La superconductivitat és un fenomen amb resistència elèctrica zero i amb l'alliberament de camps de flux magnètic que es produeixen en determinats materials, anomenats superconductors, quan es refreden per sota d'una temperatura crítica característica.
El fenomen va ser descobert pel físic holandès Heike Kamerling-Onnes el 8 d'abril de 1911 a Leiden. Igual que el ferromagnetisme i les línies espectrals atòmiques, la superconductivitat és un fenomen de la mecànica quàntica. Es caracteritza per l'efecte Meissner: una expulsió completa de línies de camp magnètic des de l'interior del superconductor durant la seva transició a l'estat superconductor.
Aquesta és l'essència del fenomen de la superconductivitat. L'aparició de l'efecte Meissner indica que la superconductivitat no es pot entendre simplement com una idealització de la conductivitat ideal en la física clàssica.
Quin és el fenomen de la superconductivitat
La resistència elèctrica d'un conductor metàl·lic disminueix gradualment a mesura quebaixant la temperatura. En conductors comuns com el coure o la plata, aquesta reducció està limitada per impureses i altres defectes. Fins i tot prop del zero absolut, una mostra real d'un conductor normal mostra certa resistència. En un superconductor, la resistència cau bruscament a zero quan el material es refreda per sota de la seva temperatura crítica. El corrent elèctric a través d'un bucle de cable superconductor es pot mantenir indefinidament sense font d'energia. Aquesta és la resposta a la pregunta, quin és el fenomen de la superconductivitat.
Història
L'any 1911, mentre estudiaven les propietats de la matèria a temperatures molt baixes, el físic holandès Heike Kamerling Onnes i el seu equip van descobrir que la resistència elèctrica del mercuri baixa a zero per sota dels 4,2 K (-269 °C). Aquesta va ser la primera observació del fenomen de la superconductivitat. La majoria dels elements químics esdevenen superconductors a temperatures prou baixes.
Per sota d'una determinada temperatura crítica, els materials passen a un estat superconductor, caracteritzat per dues propietats principals: en primer lloc, no resisteixen el pas del corrent elèctric. Quan la resistència cau a zero, el corrent pot circular dins del material sense dissipació d'energia.
En segon lloc, sempre que siguin prou febles, els camps magnètics externs no penetren al superconductor, sinó que romanen a la seva superfície. Aquest fenomen d'expulsió de camp es va conèixer com l'efecte Meissner després de ser observat per primera vegada per un físic l'any 1933.
Tres noms, tres lletres i una teoria incompleta
La física ordinària no dóna prouexplicacions de l'estat superconductor, així com la teoria quàntica elemental de l'estat sòlid, que considera el comportament dels electrons per separat del comportament dels ions en una xarxa cristal·lina.
Només l'any 1957, tres investigadors nord-americans: John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer van crear la teoria microscòpica de la superconductivitat. Segons la seva teoria BCS, els electrons s'agrupen en parells mitjançant la interacció amb les vibracions de la xarxa (els anomenats "fonons"), formant així parells de Cooper que es mouen sense fricció dins d'un sòlid. Un sòlid es pot veure com una xarxa d'ions positius immersos en un núvol d'electrons. Quan un electró passa per aquesta xarxa, els ions es mouen lleugerament, sent atrets per la càrrega negativa de l'electró. Aquest moviment genera una regió elèctricament positiva, que al seu torn atreu un altre electró.
L'energia de la interacció electrònica és bastant feble i els vapors es poden trencar fàcilment per l'energia tèrmica, de manera que la superconductivitat sol produir-se a temperatures molt baixes. Tanmateix, la teoria BCS no proporciona una explicació per a l'existència de superconductors d' alta temperatura a uns 80 K (-193 °C) i superiors, per als quals han d'estar implicats altres mecanismes d'unió d'electrons. L'aplicació del fenomen de la superconductivitat es basa en el procés anterior.
Temperatura
L'any 1986, es va trobar que alguns materials ceràmics de cuprat-perovskita tenien temperatures crítiques superiors als 90 K (-183 °C). Aquesta alta temperatura d'unió és teòricamentimpossible per a un superconductor convencional, la qual cosa fa que els materials es coneguin com a superconductors d' alta temperatura. El nitrogen líquid de refrigeració disponible bull a 77 K i, per tant, la superconductivitat a temperatures superiors a aquestes facilita molts experiments i aplicacions que són menys pràctiques a temperatures més baixes. Aquesta és la resposta a la pregunta a quina temperatura es produeix el fenomen de la superconductivitat.
Classificació
Els superconductors es poden classificar segons diversos criteris que depenen del nostre interès per les seves propietats físiques, de la comprensió que en tinguem, del cost que costa refredar-los o del material amb què estan fets.
Per les seves propietats magnètiques
Superconductors de tipus I: aquells que només tenen un camp crític, Hc, i que passen bruscament d'un estat a un altre quan s'arriba a aquest.
Superconductors de tipus II: tenen dos camps crítics, Hc1 i Hc2, sent superconductors perfectes sota el camp crític inferior (Hc1) i deixen completament l'estat superconductor per sobre del camp crític superior (Hc2), sent en estat mixt entre els camps crítics.
Tal com els entenem sobre ells
Superconductors ordinaris: aquells que es poden explicar completament mitjançant la teoria BCS o teories relacionades.
Superconductors no convencionals: aquells que no es podrien explicar amb aquestes teories, per exemple: fermiònics pesatssuperconductors.
Aquest criteri és important perquè la teoria BCS explica les propietats dels superconductors convencionals des de 1957, però, d' altra banda, no hi ha hagut una teoria satisfactòria per explicar els superconductors completament no convencionals. En la majoria dels casos, els superconductors de tipus I són habituals, però hi ha algunes excepcions, com ara el niobi, que és comú i el tipus II.
Per la seva temperatura crítica
Superconductors de baixa temperatura o LTS: aquells la temperatura crítica dels quals és inferior a 30 K.
Superconductors d' alta temperatura, o HTS: aquells la temperatura crítica dels quals és superior a 30 K. Ara alguns utilitzen 77 K com a separació per emfatitzar si podem refredar la mostra amb nitrogen líquid (el punt d'ebullició del qual és de 77 K), que és molt més factible que l'heli líquid (una alternativa per assolir les temperatures necessàries per produir superconductors de baixa temperatura).
Altres detalls
Un superconductor pot ser de tipus I, el que significa que té un sol camp crític, per sobre del qual es perd tota la superconductivitat i per sota del qual el camp magnètic s'elimina completament del superconductor. Tipus II, és a dir, té dos camps crítics entre els quals permet la penetració parcial del camp magnètic a través de punts aïllats. Aquests punts s'anomenen vòrtexs. A més, en superconductors multicomponent, és possible una combinació de dos comportaments. En aquest cas, el superconductor és de tipus 1, 5.
Propietats
La majoria de les propietats físiques dels superconductors varien d'un material a un altre, com ara la capacitat calorífica i la temperatura crítica, el camp crític i la densitat de corrent crítica a la qual es trenca la superconductivitat.
D' altra banda, hi ha una classe de propietats que són independents del material base. Per exemple, tots els superconductors tenen una resistivitat absolutament nul·la a corrents aplicades baixes, quan no hi ha camp magnètic o quan el camp aplicat no supera un valor crític.
La presència d'aquestes propietats universals implica que la superconductivitat és una fase termodinàmica i, per tant, té certes propietats distintives que són en gran part independents dels detalls microscòpics.
La situació és diferent al superconductor. En un superconductor convencional, el líquid electrònic no es pot separar en electrons individuals. En canvi, consta de parells d'electrons lligats coneguts com a parells de Cooper. Aquest aparellament és causat per la força d'atracció entre electrons resultant de l'intercanvi de fonons. A causa de la mecànica quàntica, l'espectre d'energia d'aquest líquid del parell de Cooper té un buit energètic, és a dir, hi ha una quantitat mínima d'energia ΔE que s'ha de subministrar per excitar el líquid.
Per tant, si ΔE és més gran que l'energia tèrmica de la xarxa donada per kT, on k és la constant de Boltzmann i T és la temperatura, el líquid no serà dispersat per la xarxa. TanPer tant, el líquid de vapor de Cooper és superfluid, el que significa que pot fluir sense dissipar energia.
Característiques de superconductivitat
En els materials superconductors, les característiques de superconductivitat apareixen quan la temperatura T baixa per sota de la temperatura crítica Tc. El valor d'aquesta temperatura crítica varia d'un material a un altre. Els superconductors convencionals solen tenir temperatures crítiques que van des d'uns 20 K fins a menys d'1 K.
Per exemple, el mercuri sòlid té una temperatura crítica de 4,2 K. A partir del 2015, la temperatura crítica més alta trobada per a un superconductor convencional és de 203 K per a H2S, tot i que es requeria una pressió alta d'uns 90 gigapascals. Els superconductors de cuprat poden tenir temperatures crítiques molt més altes: YBa2Cu3O7, un dels primers superconductors de cuprat descoberts, té una temperatura crítica de 92 K, i s'han trobat cuprats a base de mercuri amb temperatures crítiques que superen els 130 K. L'explicació d'aquestes altes temperatures crítiques es manté. desconegut.
L'aparellament d'electrons a causa dels intercanvis de fonons explica la superconductivitat en superconductors convencionals, però no explica la superconductivitat en superconductors més nous que tenen una temperatura crítica molt alta.
Camps magnètics
De la mateixa manera, a una temperatura fixa per sota de la temperatura crítica, els materials superconductors deixen de superconductor quan s'aplica un camp magnètic extern superior acamp magnètic crític. Això es deu al fet que l'energia lliure de Gibbs de la fase superconductora augmenta quadràticament amb el camp magnètic, mentre que l'energia lliure de la fase normal és aproximadament independent del camp magnètic.
Si el material és superconductor en absència de camp, aleshores l'energia lliure de la fase superconductora és menor que la de la fase normal i, per tant, per a algun valor finit del camp magnètic (proporcional al quadrat arrel de la diferència d'energies lliures a zero), les dues energies lliures seran iguals i hi haurà una transició de fase a la fase normal. De manera més general, una temperatura més alta i un camp magnètic més fort donen lloc a una menor proporció d'electrons superconductors i, per tant, a una major profunditat de penetració a Londres de camps i corrents magnètics externs. La profunditat de penetració esdevé infinita a la transició de fase.
Físic
L'aparició de la superconductivitat va acompanyada de canvis bruscos en diverses propietats físiques, que és el segell distintiu d'una transició de fase. Per exemple, la capacitat calorífica dels electrons és proporcional a la temperatura en el règim normal (no superconductor). A la transició superconductora, experimenta un s alt i després deixa de ser lineal. A baixes temperatures, canvia en lloc d'e−α/T per a una α constant. Aquest comportament exponencial és una de les evidències de l'existència d'una bretxa energètica.
Transició de fase
L'explicació del fenomen de la superconductivitat és forçaevidentment. L'ordre de la transició de fase superconductora s'ha discutit durant molt de temps. Els experiments mostren que no hi ha transició de segon ordre, és a dir, calor latent. Tanmateix, en presència d'un camp magnètic extern, hi ha calor latent perquè la fase superconductora té una entropia inferior, inferior a la temperatura crítica, que la fase normal.
Va demostrar experimentalment el següent: quan el camp magnètic augmenta i va més enllà del camp crític, la transició de fase resultant condueix a una disminució de la temperatura del material superconductor. El fenomen de la superconductivitat s'ha descrit breument més amunt, ara és el moment d'explicar-vos alguna cosa sobre els matisos d'aquest important efecte.
Els càlculs fets a la dècada de 1970 van mostrar que, de fet, podria ser més feble que el primer ordre a causa de la influència de les fluctuacions de llarg abast en el camp electromagnètic. A la dècada de 1980, es va demostrar teòricament mitjançant la teoria de camps de desordre, en què les línies de vòrtex superconductores tenen un paper important, que la transició és de segon ordre en el mode de tipus II i de primer ordre (és a dir, calor latent) en el mode de tipus I, i que les dues regions estan separades per un punt tricrític.
Els resultats es van confirmar fortament per simulacions per ordinador a Montecarlo. Això va tenir un paper important en l'estudi del fenomen de la superconductivitat. El treball continua en l'actualitat. L'essència del fenomen de la superconductivitat no s'entén ni s'explica completament des del punt de vista de la ciència moderna.
