Qual è il fenomeno della superconduttività? La superconduttività è un fenomeno con resistenza elettrica zero e il rilascio di campi di flusso magnetico che si verificano in determinati materiali, chiamati superconduttori, quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica caratteristica.
Il fenomeno fu scoperto dal fisico olandese Heike Kamerling-Onnes l'8 aprile 1911 a Leiden. Come il ferromagnetismo e le righe spettrali atomiche, la superconduttività è un fenomeno della meccanica quantistica. È caratterizzato dall'effetto Meissner - un'espulsione completa delle linee del campo magnetico dall'interno del superconduttore durante la sua transizione allo stato superconduttore.
Questa è l'essenza del fenomeno della superconduttività. L'emergere dell'effetto Meissner indica che la superconduttività non può essere intesa semplicemente come un'idealizzazione della conduttività ideale nella fisica classica.
Qual è il fenomeno della superconduttività
La resistenza elettrica di un conduttore metallico diminuisce gradualmenteabbassando la temperatura. Nei conduttori comuni come il rame o l'argento, questa riduzione è limitata da impurità e altri difetti. Anche vicino allo zero assoluto, un campione reale di un conduttore normale mostra una certa resistenza. In un superconduttore, la resistenza scende bruscamente a zero quando il materiale viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica. La corrente elettrica attraverso un anello di filo superconduttore può essere mantenuta indefinitamente senza una fonte di alimentazione. Questa è la risposta alla domanda, qual è il fenomeno della superconduttività.
Cronologia
Nel 1911, mentre studiavano le proprietà della materia a temperature molto basse, il fisico olandese Heike Kamerling Onnes e il suo team scoprirono che la resistenza elettrica del mercurio scende a zero al di sotto di 4,2 K (-269°C). Questa è stata la prima osservazione del fenomeno della superconduttività. La maggior parte degli elementi chimici diventano superconduttori a temperature sufficientemente basse.
Al di sotto di una certa temperatura critica, i materiali passano in uno stato superconduttore, caratterizzato da due proprietà principali: in primo luogo, non resistono al passaggio della corrente elettrica. Quando la resistenza scende a zero, la corrente può circolare all'interno del materiale senza dissipazione di energia.
In secondo luogo, a condizione che siano sufficientemente deboli, i campi magnetici esterni non penetrano nel superconduttore, ma rimangono sulla sua superficie. Questo fenomeno di espulsione dal campo divenne noto come effetto Meissner dopo essere stato osservato per la prima volta da un fisico nel 1933.
Tre nomi, tre lettere e una teoria incompleta
La fisica ordinaria non dà adeguataspiegazioni dello stato superconduttore, nonché la teoria quantistica elementare dello stato solido, che considera il comportamento degli elettroni separatamente dal comportamento degli ioni in un reticolo cristallino.
Solo nel 1957, tre ricercatori americani - John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer hanno creato la teoria microscopica della superconduttività. Secondo la loro teoria BCS, gli elettroni si raggruppano in coppie attraverso l'interazione con le vibrazioni del reticolo (i cosiddetti "fononi"), formando così coppie di Cooper che si muovono senza attrito all'interno di un solido. Un solido può essere visto come un reticolo di ioni positivi immersi in una nuvola di elettroni. Quando un elettrone passa attraverso questo reticolo, gli ioni si muovono leggermente, essendo attratti dalla carica negativa dell'elettrone. Questo movimento genera una regione elettricamente positiva, che a sua volta attrae un altro elettrone.
L'energia dell'interazione elettronica è piuttosto debole ei vapori possono essere facilmente scomposti dall'energia termica, quindi la superconduttività di solito si verifica a temperature molto basse. Tuttavia, la teoria BCS non fornisce una spiegazione per l'esistenza di superconduttori ad alta temperatura a circa 80 K (-193 ° C) e oltre, per i quali devono essere coinvolti altri meccanismi di legame degli elettroni. L'applicazione del fenomeno della superconduttività si basa sul processo di cui sopra.
Temperatura
Nel 1986, alcuni materiali ceramici di cuprato-perovskite avevano temperature critiche superiori a 90 K (-183 °C). Questa alta temperatura di giunzione è teoricamenteimpossibile per un superconduttore convenzionale, portando a materiali indicati come superconduttori ad alta temperatura. L'azoto liquido di raffreddamento disponibile bolle a 77 K e quindi la superconduttività a temperature superiori a queste facilita molti esperimenti e applicazioni che sono meno pratici a temperature più basse. Questa è la risposta alla domanda a quale temperatura si verifica il fenomeno della superconduttività.
Classificazione
I superconduttori possono essere classificati in base a diversi criteri che dipendono dal nostro interesse per le loro proprietà fisiche, dalla comprensione che abbiamo su di loro, dal costo del loro raffreddamento o dal materiale di cui sono fatti.
Per le sue proprietà magnetiche
Superconduttori di tipo I: quelli che hanno un solo campo critico, Hc, e passano bruscamente da uno stato all' altro quando viene raggiunto.
Superconduttori di tipo II: aventi due campi critici, Hc1 e Hc2, essendo superconduttori perfetti sotto il campo critico inferiore (Hc1) e lasciando completamente lo stato superconduttore al di sopra del campo critico superiore (Hc2), essendo in uno stato misto tra i campi critici.
Come li comprendiamo su di loro
Superconduttori ordinari: quelli che possono essere completamente spiegati dalla teoria BCS o teorie correlate.
Superconduttori non convenzionali: quelli che non potrebbero essere spiegati usando tali teorie, ad esempio: fermionici pesantisuperconduttori.
Questo criterio è importante perché la teoria BCS spiega le proprietà dei superconduttori convenzionali dal 1957, ma d' altra parte non esiste una teoria soddisfacente per spiegare i superconduttori completamente non convenzionali. Nella maggior parte dei casi, i superconduttori di tipo I sono comuni, ma ci sono alcune eccezioni, come il niobio, che è sia comune che di tipo II.
Dalla loro temperatura critica
Superconduttori a bassa temperatura, o LTS: quelli la cui temperatura critica è inferiore a 30 K.
Superconduttori ad alta temperatura, o HTS: quelli la cui temperatura critica è superiore a 30 K. Alcuni ora usano 77 K come separazione per enfatizzare se possiamo raffreddare il campione con azoto liquido (il cui punto di ebollizione è 77 K), che è molto più fattibile dell'elio liquido (un' alternativa per raggiungere le temperature necessarie per produrre superconduttori a bassa temperatura).
Altri dettagli
Un superconduttore può essere di tipo I, il che significa che ha un unico campo critico, al di sopra del quale si perde tutta la superconduttività e al di sotto del quale il campo magnetico viene completamente eliminato dal superconduttore. Tipo II, nel senso che ha due campi critici tra i quali permette la penetrazione parziale del campo magnetico attraverso punti isolati. Questi punti sono chiamati vortici. Inoltre, nei superconduttori multicomponente, è possibile una combinazione di due comportamenti. In questo caso, il superconduttore è di tipo 1, 5.
Proprietà
La maggior parte delle proprietà fisiche dei superconduttori varia da materiale a materiale, come la capacità termica e la temperatura critica, il campo critico e la densità di corrente critica alla quale la superconduttività si rompe.
D' altra parte, esiste una classe di proprietà che sono indipendenti dal materiale di base. Ad esempio, tutti i superconduttori hanno una resistività assolutamente nulla a basse correnti applicate, quando non c'è campo magnetico o quando il campo applicato non supera un valore critico.
La presenza di queste proprietà universali implica che la superconduttività è una fase termodinamica e quindi ha alcune proprietà distintive che sono ampiamente indipendenti dai dettagli microscopici.
La situazione è diversa nel superconduttore. In un superconduttore convenzionale, l'elettrone liquido non può essere separato in singoli elettroni. Invece, è costituito da coppie di elettroni legate note come coppie di Cooper. Questo accoppiamento è causato dalla forza di attrazione tra gli elettroni risultante dallo scambio di fononi. A causa della meccanica quantistica, lo spettro di energia di questo liquido della coppia di Cooper ha un gap energetico, cioè c'è una quantità minima di energia ΔE che deve essere fornita per eccitare il liquido.
Quindi, se ΔE è maggiore dell'energia termica del reticolo data da kT, dove k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura, il liquido non verrà disperso dal reticolo. CosìPertanto, il liquido dei vapori di Cooper è superfluido, il che significa che può fluire senza dissipare energia.
Caratteristiche di superconduttività
Nei materiali superconduttori, le caratteristiche di superconduttività compaiono quando la temperatura T scende al di sotto della temperatura critica Tc. Il valore di questa temperatura critica varia da materiale a materiale. I superconduttori convenzionali hanno tipicamente temperature critiche che vanno da circa 20 K a meno di 1 K.
Ad esempio, il mercurio solido ha una temperatura critica di 4,2 K. Nel 2015, la temperatura critica più alta trovata per un superconduttore convenzionale è 203 K per H2S, sebbene fosse richiesta un' alta pressione di circa 90 gigapascal. I superconduttori di cuprato possono avere temperature critiche molto più elevate: YBa2Cu3O7, uno dei primi superconduttori di cuprato scoperti, ha una temperatura critica di 92 K e sono stati trovati cuprati a base di mercurio con temperature critiche superiori a 130 K. La spiegazione di queste alte temperature critiche rimane sconosciuto.
L'accoppiamento di elettroni dovuto agli scambi fononici spiega la superconduttività nei superconduttori convenzionali, ma non spiega la superconduttività nei nuovi superconduttori che hanno una temperatura critica molto elevata.
Campi magnetici
Allo stesso modo, a una temperatura fissa al di sotto della temperatura critica, i materiali superconduttori smettono di essere superconduttori quando viene applicato un campo magnetico esterno maggiore dicampo magnetico critico. Questo perché l'energia libera di Gibbs della fase superconduttrice aumenta quadraticamente con il campo magnetico, mentre l'energia libera della fase normale è approssimativamente indipendente dal campo magnetico.
Se il materiale è superconduttore in assenza di campo, allora l'energia libera della fase superconduttrice è inferiore a quella della fase normale, e quindi, per un valore finito del campo magnetico (proporzionale al quadrato radice della differenza di energie libere a zero), le due energie libere saranno uguali e ci sarà un passaggio di fase alla fase normale. Più in generale, una temperatura più elevata e un campo magnetico più forte determinano una proporzione minore di elettroni superconduttori e quindi una maggiore profondità di penetrazione a Londra di campi magnetici e correnti esterne. La profondità di penetrazione diventa infinita alla transizione di fase.
Fisico
L'inizio della superconduttività è accompagnato da bruschi cambiamenti in varie proprietà fisiche, che è il segno distintivo di una transizione di fase. Ad esempio, la capacità termica dell'elettrone è proporzionale alla temperatura nel regime normale (non superconduttore). Alla transizione superconduttrice, subisce un s alto e successivamente cessa di essere lineare. A basse temperature, cambia invece di e−α/T per qualche costante α. Questo comportamento esponenziale è una delle prove dell'esistenza di un gap energetico.
Transizione di fase
La spiegazione del fenomeno della superconduttività è abbastanzaovviamente. L'ordine della transizione di fase superconduttrice è stato discusso a lungo. Gli esperimenti mostrano che non esiste una transizione di secondo ordine, cioè calore latente. Tuttavia, in presenza di un campo magnetico esterno, c'è calore latente perché la fase superconduttrice ha un'entropia inferiore, inferiore alla temperatura critica, rispetto alla fase normale.
Dimostrato sperimentalmente quanto segue: quando il campo magnetico aumenta e va oltre il campo critico, la risultante transizione di fase porta ad una diminuzione della temperatura del materiale superconduttore. Il fenomeno della superconduttività è stato brevemente descritto sopra, ora è il momento di dirvi qualcosa sulle sfumature di questo importante effetto.
Calcoli effettuati negli anni '70 hanno mostrato che potrebbe in effetti essere più debole del primo ordine a causa dell'influenza delle fluttuazioni a lungo raggio nel campo elettromagnetico. Negli anni '80, è stato teoricamente dimostrato utilizzando la teoria del campo disordinato, in cui le linee di vortice di superconduttori svolgono un ruolo importante, che la transizione è di secondo ordine nella modalità di tipo II e di primo ordine (cioè calore latente) nella modalità di tipo I, e che le due regioni sono separate da un punto tricritico.
I risultati sono stati fortemente confermati dalle simulazioni al computer a Monte Carlo. Questo ha giocato un ruolo importante nello studio del fenomeno della superconduttività. Il lavoro continua in questo momento. L'essenza del fenomeno della superconduttività non è completamente compresa e spiegata dal punto di vista della scienza moderna.
