Nadprzewodniki

Nadprzewodniki
Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na
zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach
w niskiej temperaturze.
Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911
przez Kamerlingha Onnesa. Jest to zjawisko kwantowe,
niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej. Poza
zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest
wypychanie pola magnetycznego
Nadprzewodnictwo jest obserwowane w różnorodnych
materiałach: niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie,
rteci i ołowiu), stopach, ceramikach tlenkowych czy
materiałach organicznych.
Zamiast przewodnika z miedzi o bardzo dużych
rozmiarach możemy zastosowad niewielki
nadprzewodnik niobowo-tytanowy
Właściwości fizyczne nadprzewodników
Podstawową cechą charakteryzującą nadprzewodniki jest
spadek do zera ich oporu elektrycznego (rezystancji) poniżej
pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną.
Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i
struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych –
ciśnienia i pola magnetycznego.
Drugim charakterystycznym dla nadprzewodników efektem
jest wypychanie z materiału pola magnetycznego,
zwane efektem Meissnera (w nadprzewodnikach pierwszego
rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w "wiry" (w
nadprzewodnikach drugiego rodzaju).
Lewitujące magnesy
Rodzaje nadprzewodników
Na podstawie różnych kryteriów można wydzielid różne grupy nadprzewodników:
Ze względu na właściwości fizyczne:
– nadprzewodniki I rodzaju, w których przy określonym krytycznym polu
magnetycznym BC dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego,
– nadprzewodniki II rodzaju, w których przy określonym polu
magnetycznym BC1 dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i
utworzenia stanu mieszanego, a powyżej pola BC2 zachodzi zniszczenie stanu
nadprzewodzącego.
Ze względu na skład chemiczny i budowę:
– niektóre pierwiastki (na przykład rtęd, kadm, ołów, cynk, cyna, glin, iryd, platyna), inne
przechodzą w stan nadprzewodnictwa tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (na
przykład tlen, fosfor, siarka, german, żelazo, lit) lub w postaci cienkich warstw
(wolfram, beryl, chrom); jeszcze innych nie dało się jak dotychczas przeprowadzid w
stan nadprzewodnictwa (na przykład srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne, wodór),
– stopy i związki międzymetaliczne, takie jak na przykład NbTi,
– związki organiczne, w tym odmiany alotropowe węgla
– tlenkowe związki miedzi i żelaza o strukturze perowskitu zarówno w postaci ceramik,
jak i monokrysztalół.
Ze względu na stosowaną metodę opisu:
– nadprzewodniki konwencjonalne, które dają się dobrze opisad teorią
BCS,
– nadprzewodniki niekonwencjonalne, które jeszcze nie posiadają
ogólnie akceptowanej teorii tłumaczącej w zadowalający sposób ich
właściwości.
Ze względu na temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa:
– nadprzewodniki niskotemperaturowe, o temperaturze przejścia w
stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury ciekłego azotu (77 K),
– Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, o temperaturze przejścia w
stan nadprzewodnictwa powyżej temperatury ciekłego azotu.
Niegdyś nazywano tak ceramiczne półprzewodniki tlenkowe, ale
wobec odkrywania nowych grup materiałów nadprzewodzących taka
konwencja przestała byd używana.
Istnieje grupa nadprzewodników ferromagnetycznych, na
przykład UGe2, URhGe.
Historia
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało wykryte w 1911 przez Heike
Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badao właściwości
materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego
laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badao wykorzystano rtęd,
gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywad w stanie o bardzo dużej
czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze
4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości. Za to
odkrycie otrzymał nagrodę Nobla w 1913.
• W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes
nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy
tym czułośd zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne.
• W 1933 niemieccy fizycy Fritz Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli efekt
wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika.
• W 1935 roku bracia Fritz i Heinz Londonowie zaproponowali
fenomenologiczny model nadprzewodnika opisujący zanik oporu
elektrycznego oraz zjawiska Meissnera.
•
•
•
•
•
•
W 1950 roku dwie niezależne grupy wykryły efekt izotopowy - zależnośd
temperatury przejścia w stan nadprzewodnictwa od liczby masowej izotopu.
Nasunęło to wniosek, że efekt nadprzewodnictwa zależy nie tylko od nośników
ładunku, ale także od właściwości jonów sieci krystalicznej.
W 1952 Witalij Ginsburg zaproponował do wyjaśnienia procesu
nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie.
W 1957 John Berden, Leon Cooper i John Shrieffer stworzyli teorię BCS,
wyjaśniającą mechanizm powstania zjawiska nadprzewodnictwa. W 1972
otrzymali za to osiągnięcie nagrodę Nobla.
W 1973 Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian D. Josephson otrzymali nagrodę Nobla za
prace dotyczące zjawisk tunelowych w nadprzewodnikach.
W 1986 Georg Bednorz i Alex Muller odkryli w tlenkowym związku Ba-La-Cu-O
nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej 35 K. Otrzymali za to nagrodę
Nobla w 1987.
W 2003 Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett otrzymali
nagrodę Nobla za pionierski wkład w teorię nadprzewodnictwa i nadściekłości.
Nadprzewodniki wykorzystane w LHC
Wykonali:
• Tomasz Antosiak
• Krzysztof Szufa