Nadprzewodnictwo metali, odkrycie Heike Kamerling-Onnes

Jako pierwszy zetknął się ze zjawiskiem nadprzewodnictwa Heike Kamerling Onnes — holenderski fizyk i chemik. Rokiem odkrycia zjawiska był rok 1911. I już w 1913 roku naukowiec otrzyma za swoje badania Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Prowadząc badanie oporności elektrycznej rtęci w ultraniskich temperaturach, chciał ustalić, do jakiego poziomu może spaść oporność substancji na prąd elektryczny, jeśli zostanie ona oczyszczona z zanieczyszczeń, i jak najbardziej zredukować to, co można zwany. » szum termiczny «, czyli obniżenie temperatury tych substancji. Wyniki były nieoczekiwane i zdumiewające. W temperaturach poniżej 4,15 K rezystancja rtęci nagle zanika całkowicie!

Poniżej znajduje się wykres tego, co zaobserwował Onnes.

W tamtych czasach nauka wiedziała już co najmniej tyle prąd w metalach to przepływ elektronów, które są oddzielone od swoich atomów i podobnie jak naładowany gaz są unoszone przez pole elektryczne.To jest jak wiatr, gdy powietrze przemieszcza się z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia. Tylko teraz w przypadku prądu zamiast powietrza są wolne elektrony, a różnica potencjałów między końcami drutu jest analogiczna do różnicy ciśnień dla przykładu powietrza.

W dielektrykach jest to niemożliwe, ponieważ elektrony są ściśle związane ze swoimi atomami i bardzo trudno jest je wyrwać z ich miejsc. I choć w metalach tworzące prąd elektrony poruszają się stosunkowo swobodnie, to czasami zderzają się z przeszkodami w postaci wibrujących atomów i dochodzi do pewnego rodzaju tarcia, tzw. opór elektryczny.

Ale kiedy w bardzo niskiej temperaturze zaczyna się objawiać nadprzewodnictwo, efekt tarcia z jakiegoś powodu zanika, rezystancja przewodnika spada do zera, co oznacza, że ​​​​elektrony poruszają się całkowicie swobodnie, bez przeszkód. Ale jak to możliwe?

Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie, fizycy spędzili dziesięciolecia na badaniach. I nawet dzisiaj zwykłe druty nazywane są „normalnymi” drutami, podczas gdy przewodniki w stanie zerowej rezystancji nazywane są „nadprzewodnikami”.

Należy zauważyć, że chociaż zwykłe przewodniki zmniejszają swoją rezystancję wraz ze spadkiem temperatury, miedź nawet w temperaturze kilku kelwinów nie staje się nadprzewodnikiem, a rtęć, ołów i aluminium tak, ale ich rezystancja okazuje się wynosić co najmniej sto bilionów razy mniej niż miedź w tych samych warunkach.

Warto zauważyć, że Onnes nie wysuwał bezpodstawnych twierdzeń, jakoby rezystancja rtęci podczas przepływu prądu spadła dokładnie do zera, ani po prostu nie spadła tak bardzo, że niemożliwe stało się zmierzenie jej ówczesnymi przyrządami.

Zorganizował eksperyment, w którym prąd w cewce nadprzewodzącej zanurzonej w ciekłym helu krążył przez cały czas, aż dżin wyparował. Igła kompasu, która podążała za polem magnetycznym cewki, wcale się nie odchyliła! W 1950 dokładniejszy eksperyment tego rodzaju potrwa półtora roku, a prąd nie zmniejszy się w żaden sposób, mimo tak długiego okresu czasu.

Początkowo wiadomo, że opór elektryczny metalu w znacznym stopniu zależy od temperatury, można zbudować taki wykres dla miedzi.

Im wyższa temperatura, tym bardziej atomy wibrują.Im bardziej atomy wibrują, tym większą stają się przeszkodą na drodze elektronów tworzących prąd. Jeśli temperatura metalu spadnie, wówczas jego rezystancja spadnie i zbliży się do pewnej rezystancji szczątkowej R0. A ta rezystancja, jak się okazało, zależy od składu i „doskonałości” próbki.

Faktem jest, że w każdej próbce wykonanej z metalu znajdują się wady i zanieczyszczenia. Ta zależność zainteresowała Onesa przede wszystkim w 1911 roku, początkowo nie dążył on do nadprzewodnictwa, a jedynie chciał osiągnąć taką częstotliwość przewodnika, aby zminimalizować jego rezystancję szczątkową.

W tamtych latach rtęć była łatwiejsza do oczyszczenia, więc badaczka natknęła się na nią przypadkiem, mimo że platyna, złoto i miedź są lepszymi przewodnikami niż rtęć w zwykłych temperaturach, to po prostu trudniej je oczyścić.

Gdy temperatura spada, stan nadprzewodnictwa pojawia się nagle w pewnym momencie, gdy temperatura osiąga określony poziom krytyczny. Ta temperatura nazywana jest krytyczną, gdy temperatura spada jeszcze niżej, rezystancja gwałtownie spada do zera.

Im czystsza próbka, tym ostrzejsza kropla, aw najczystszych próbkach kropla ta występuje w odstępie mniejszym niż jedna setna stopnia, ale im bardziej zanieczyszczona próbka, tym dłuższa kropla i sięgająca kilkudziesięciu stopni, jest to szczególnie zauważalny w nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

Temperatura krytyczna próbki mierzona jest w środku ostrego spadku temperatury i jest indywidualna dla każdej substancji: dla rtęci 4,15 K, dla niobu 9,2 K, dla aluminium 1,18 K itd. Stopy to osobna historia, ich nadprzewodnictwo odkrył później Onnes: rtęć ze złotem i rtęć z cyną były pierwszymi odkrytymi przez niego stopami nadprzewodzącymi.

Jak wspomniano powyżej, naukowiec wykonał chłodzenie ciekłym helem. Nawiasem mówiąc, Onnes otrzymał ciekły hel według własnej metody, opracowanej we własnym specjalnym laboratorium, założonym trzy lata przed odkryciem zjawiska nadprzewodnictwa.

Aby trochę zrozumieć fizykę nadprzewodnictwa, które występuje w krytycznej temperaturze próbki, tak że rezystancja spada do zera, należy wspomnieć przejście fazowe… Normalny stan, gdy metal ma normalny opór elektryczny, to normalna faza. Faza nadprzewodząca — jest to stan, w którym metal ma zerowy opór. Ta przemiana fazowa następuje natychmiast po osiągnięciu temperatury krytycznej.

Dlaczego zachodzi przemiana fazowa? W początkowym „normalnym” stanie elektrony są wygodne w swoich atomach, a gdy prąd przepływa przez przewód w tym stanie, energia źródła jest zużywana, aby zmusić niektóre elektrony do opuszczenia swoich atomów i rozpoczęcia poruszania się wzdłuż pola elektrycznego, nawet jeśli napotykają migoczące przeszkody na swojej drodze.

Gdy drut zostanie schłodzony do temperatury poniżej temperatury krytycznej i jednocześnie pojawi się w nim prąd, wygodniej będzie, aby elektrony (korzystne energetycznie, tanie energetycznie) znajdowały się w tym prądzie i powróciły do ​​​​pierwotnego "normalny" stan, w tym przypadku trzeba by skądś pozyskać dodatkową energię, ale ona nie bierze się znikąd. Dlatego stan nadprzewodzący jest tak stabilny, że materia nie może go opuścić, chyba że zostanie ponownie podgrzana.

Zobacz też:Efekt Meissnera i jego zastosowanie