История сверхпроводимости - History of superconductivity

Сверхпроводимость - это явление, при котором определенные материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление и выброс магнитных полей ниже характерной температуры . История сверхпроводимости началась с голландским физиком Камерлинг-Оннес открытие «ы сверхпроводимости ртути в 1911. С тех пор многие другие сверхпроводящие материалы были обнаружены и была развита теория сверхпроводимости. Эти предметы остаются активными областями изучения в области физики конденсированных сред .

С помощью Ван - дер - Ваальса " уравнения состояния , параметры критической точки газов может быть точно предсказаны из термодинамических измерений , выполненных при гораздо более высоких температурах. На Хайке Камерлинг-Оннес значительное влияние оказали новаторские работы Ван дер Ваальса.
В 1908 году Хайке Камерлинг-Оннес стал первым, кто создал жидкий гелий, что непосредственно привело к его открытию в 1911 году сверхпроводимости.
Хайке Камерлинг-Оннес (справа), первооткрыватель сверхпроводимости. Слева от него стоят Пауль Эренфест , Хендрик Лоренц , Нильс Бор .

Изучение сверххолодных явлений (до 1908 г.)

Джеймс Дьюар инициировал исследования электрического сопротивления при низких температурах. Дьюар и Джон Амброуз Флеминг предсказали, что при абсолютном нуле чистые металлы станут идеальными электромагнитными проводниками (хотя позже Дьюар изменил свое мнение об исчезновении сопротивления, полагая, что какое-то сопротивление всегда будет). Вальтер Герман Нернст разработал третий закон термодинамики и заявил, что абсолютный ноль недостижим. Карл фон Линде и Уильям Хэмпсон , коммерческие исследователи, почти одновременно подали заявки на патенты на эффект Джоуля-Томсона для сжижения газов . Патент Linde стал кульминацией 20-летнего систематического исследования установленных фактов с использованием регенеративного метода противотока. В конструкции Хэмпсона также использовался регенеративный метод. Комбинированный процесс стал известен как процесс сжижения Хэмпсона – Линде .

Оннес купил машину Linde для своих исследований. 21 марта 1900 года Никола Тесла получил патент на средство увеличения интенсивности электрических колебаний за счет понижения температуры, вызванного пониженным сопротивлением. В этом патенте описывается повышенная интенсивность и продолжительность электрических колебаний низкотемпературного резонансного контура. Считается, что Тесла намеревался использовать машину Линде для получения охлаждающих агентов.

Важная веха была достигнута 10 июля 1908 года, когда Хайке Камерлинг-Оннес в Лейденском университете в Нидерландах впервые произвела сжиженный гелий с температурой кипения 4,2 кельвина при атмосферном давлении.

Внезапное и фундаментальное исчезновение

Хайке Камерлинг-Оннес и Джейкоб Клей повторно исследовали ранние эксперименты Дьюара по снижению сопротивления при низких температурах. Оннес начал исследования с платины и золота , позже заменив их ртутью (более легко очищаемый материал). Исследования Оннеса по сопротивлению твердой ртути при криогенных температурах были выполнены с использованием жидкого гелия в качестве хладагента. 8 апреля 1911 года в 16:00 Оннес отметил «Kwik nagenoeg nul», что переводится как «[Сопротивление] ртути почти нулевое». При температуре 4,19 К он заметил, что сопротивление резко исчезло (измерительный прибор, который использовал Оннес, не показал никакого сопротивления). Оннес раскрыл свое исследование в 1911 году в статье, озаглавленной « О внезапной скорости исчезновения сопротивления ртути ». Оннес заявил в этой статье, что «удельное сопротивление» стало в тысячи раз меньше по сравнению с лучшим проводником в обычных условиях. температура. Позже Оннес изменил процесс и обнаружил, что при 4,2 К сопротивление вернулось к материалу. В следующем году Оннес опубликовал еще несколько статей об этом явлении. Первоначально Оннес назвал это явление « сверхпроводимостью » (1913 г.) и только позже принял термин « сверхпроводимость». За свои исследования он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 г.

В 1912 году Оннес провел эксперимент по применимости сверхпроводимости. Оннес ввел электрический ток в сверхпроводящее кольцо и удалил батарею, которая его генерировала. Измеряя электрический ток, Оннес обнаружил, что его сила не уменьшается со временем. Ток сохранялся из-за сверхпроводящего состояния проводящей среды.

В последующие десятилетия сверхпроводимость была обнаружена в нескольких других материалах; В 1913 году свинец при 7 К, в 1930-х годах ниобий при 10 К, а в 1941 году нитрид ниобия при 16 К.

Загадки и решения (1933–)

Следующий важный шаг в понимании сверхпроводимости произошел в 1933 году, когда Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники вытесняют приложенные магнитные поля, явление, которое стало известно как эффект Мейснера . В 1935 году братья Фриц Лондон и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера является следствием минимизации электромагнитной свободной энергии, переносимой сверхпроводящим током. В 1950 году Лев Ландау и Виталий Гинзбург разработали феноменологическую теорию сверхпроводимости Гинзбурга – Ландау .

Теория Гинзбурга-Ландау, который объединил теорию Ландау второго порядка фазовых переходов с Шредингер волнового уравнения -like, имел большой успех в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. В частности, Алексей Абрикосов показал, что теория Гинзбурга – Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, которые теперь называются типом I и типом II. За свои работы Абрикосов и Гинзбург были удостоены Нобелевской премии по физике 2003 г. (Ландау умер в 1968 г.). Также в 1950 году Эмануэль Максвелл и почти одновременно К.А. Рейнольдс и др. обнаружили, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопной массы составляющего элемента . Это важное открытие указывало на электрон-фононное взаимодействие как на микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость.

Теория BCS

Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была окончательно предложена в 1957 году Джоном Бардином , Леоном Н. Купером и Робертом Шриффером . Эта теория БКШ объясняет сверхпроводящий ток как сверхтекучую среду куперовских пар , пар электронов, взаимодействующих посредством обмена фононами . За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1972 году. Более прочную основу теории БКШ положили в 1958 году, когда Николай Боголюбов показал, что волновая функция БКШ, которая первоначально была получена из вариационного аргумента, может быть получена. используя каноническое преобразование электронного гамильтониана . В 1959 г. Лев Горьков показал, что теория БКШ сводится к теории Гинзбурга-Ландау вблизи критической температуры. Горьков первым вывел уравнение эволюции сверхпроводящей фазы .

Эффект Литтла-Парка

Эффект Литтла – Паркса был обнаружен в 1962 г. в экспериментах с пустыми и тонкостенными сверхпроводящими цилиндрами, на которые наложено параллельное магнитное поле . Электрическое сопротивление таких цилиндров показывает периодическое колебание с магнитным потоком через цилиндр, период быть ч / 2 е  = 2,07 × 10 -15 В · с. Уильям Литтл и Рональд Паркс объяснили, что колебание сопротивления отражает более фундаментальное явление, то есть периодические колебания критической температуры сверхпроводимости ( T c ). Это температура, при которой образец становится сверхпроводящим. Эффект Литтла-Паркса является результатом коллективного квантового поведения сверхпроводящих электронов. Это отражает тот общий факт, что в сверхпроводниках квантуется скорее флюксоид , чем поток. Эффект Литтла-Паркса демонстрирует, что векторный потенциал связан с наблюдаемой физической величиной, а именно с критической температурой сверхпроводимости.

Коммерческая деятельность

Основная статья: Технологические приложения сверхпроводимости

Вскоре после открытия сверхпроводимости в 1911 году Камерлинг-Оннес попытался создать электромагнит со сверхпроводящими обмотками, но обнаружил, что относительно низкие магнитные поля разрушают сверхпроводимость в материалах, которые он исследовал. Намного позже, в 1955 году, Джордж Интема сумел сконструировать небольшой электромагнит с железным сердечником на 0,7 тесла и обмотками из сверхпроводящей ниобиевой проволоки. Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, ФСЛ Хсу и Дж. Х. Верник сделали поразительное открытие, что при температуре 4,2 кельвина соединение, состоящее из трех частей ниобия и одной части олова, способно поддерживать плотность тока более 100000 ампер. на квадратный сантиметр в магнитном поле 8,8 тесла. Несмотря на свою хрупкость и сложность в изготовлении, ниобий-олово с тех пор оказался чрезвычайно полезным в супермагнетиках, генерирующих магнитные поля величиной до 20 тесла. В 1962 году Тед Берлинкур и Ричард Хейк обнаружили, что менее хрупкие сплавы ниобия и титана подходят для применений до 10 тесла. Вскоре после этого коммерческое производство ниобий-титановой сверхмагнитной проволоки началось в Westinghouse Electric Corporation и Wah Chang Corporation. Хотя ниобий-титан может похвастаться менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, ниобий-титан, тем не менее, стал наиболее широко используемым сверхмагнитным материалом «рабочей лошадки», в значительной степени следствием его очень высокой пластичности и простоты изготовления. Однако и ниобий-олово, и ниобий-титан находят широкое применение в медицинских устройствах для получения изображений МРТ, поворотных и фокусирующих магнитах для огромных ускорителей частиц высокой энергии и во множестве других приложений. Conectus, европейский консорциум по сверхпроводимости, подсчитал, что в 2014 году глобальная экономическая деятельность, для которой сверхпроводимость была незаменима, составила около пяти миллиардов евро, при этом на системы МРТ приходилось около 80% этой суммы.

В 1962 году Брайан Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание, согласно которому сверхток может протекать между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь называемое эффектом Джозефсона , используется сверхпроводящими устройствами, такими как СКВИДы . Он используется в наиболее точных доступных измерениях кванта магнитного потока h / 2 e и, таким образом (вместе с квантовым сопротивлением Холла ) для постоянной Планка h . Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике за эту работу в 1973 году.

В 1973 г. Nb
3Ge обнаружил, что T c составляет 23 K, что оставалось самым высоким T c при окружающем давлении до открытия купратных высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году (см. Ниже).

Высокотемпературные сверхпроводники

Основная статья: Высокотемпературные сверхпроводники
Хронология сверхпроводников

В 1986 г. Дж. Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер открыли сверхпроводимость в перовскитном купрато- перовските на основе лантана , который имел температуру перехода 35 К (Нобелевская премия по физике, 1987 г.) и был первым из высокотемпературных сверхпроводников . Вскоре ( Чинг-Ву Чу ) было обнаружено, что замена лантана иттрием , то есть получение YBCO , повысило критическую температуру до 92 К, что было важно, потому что жидкий азот затем можно было использовать в качестве хладагента (при атмосферном давлении кипящий точка азота 77 К). Это важно с коммерческой точки зрения, поскольку жидкий азот можно дешево производить на месте без использования сырья, и он не подвержен некоторым проблемам (твердые воздушные пробки и т. Д.), Связанным с гелием в трубопроводах. С тех пор были обнаружены многие другие купратные сверхпроводники, и теория сверхпроводимости в этих материалах является одной из основных нерешенных задач теоретической физики конденсированного состояния .

В марте 2001 г. сверхпроводимость диборида магния ( MgB
2) Был найден с Т гр = 39 К.

В 2008 году были открыты оксипниктиды или сверхпроводники на основе железа , что привело к шквалу работ в надежде, что их изучение даст теорию купратных сверхпроводников.

В 2013 году в YBCO была достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре в течение пикосекунд с использованием коротких импульсов инфракрасного лазерного излучения для деформации кристаллической структуры материала.

В 2017 году было высказано предположение, что неоткрытые сверхтвердые материалы (например, критически легированный бета-титан Au) могут быть кандидатом в новый сверхпроводник с Tc, значительно выше, чем HgBaCuO (138 K), возможно, до 233 K, что даже выше, чем H 2 S. Многие исследования показывают, что никель может заменить медь в некоторых перовскитах, предлагая другой способ достижения комнатной температуры. Также можно использовать легированные Li + материалы, то есть шпинельный аккумулятор LiTi 2 O x и давление решетки могут увеличивать Tc до более чем 13,8 К. Также предполагается, что LiHx металлизируется при значительно более низком давлении, чем H, и может быть кандидатом в Сверхпроводник 1-го типа.

Исторические публикации

Статьи Х.К. Оннеса

  • «Стойкость чистой ртути при гелиевых температурах». Comm. Лейден . 28 апреля 1911 г.
  • «Исчезновение удельного сопротивления ртути». Comm. Лейден . 27 мая 1911 года.
  • «О резком изменении скорости исчезновения сопротивления ртути». Comm. Лейден . 25 ноября 1911 г.
  • «Имитация амперного молекулярного тока или постоянного магнита с помощью сверхпроводника». Comm. Лейден . 1914 г.

Теория BCS

  • J. Bardeen, LN Cooper и JR Schrieffer, "Теория сверхпроводимости", Phys. Ред. 108 , 1175 (1957), DOI : 10.1103 / PhysRev.108.1175

Другие ключевые документы

  • W. Meissner и R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21 , 787 (1933), DOI : 10.1007 / BF01504252
  • Ф. Лондон и Х. Лондон, "Электромагнитные уравнения сверхпроводника", Proc. Рой. Soc. (Лондон) A149 , 71 (1935), ISSN 0080-4630 .
  • Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. // Журн. Эксп. Теор. Физ. 20 , 1064 (1950)
  • Э. Максвелл, "Изотопный эффект в сверхпроводимости ртути" Phys. Ред. 78 , 477 (1950), DOI : 10.1103 / PhysRev.78.477
  • CA Reynolds et al. , «Сверхпроводимость изотопов ртути», Phys. Ред. 78 , 487 (1950), DOI : 10.1103 / PhysRev.78.487
  • Абрикосов А.А. О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы // ЖЭТФ 5 , 1174 (1957).
  • WA Little и RD Parks, "Наблюдение квантовой периодичности в температуре перехода сверхпроводящего цилиндра", Phys. Rev. Lett. 9 , 9 (1962) DOI : 10.1103 / PhysRevLett.9.9
  • BD Джозефсона, "Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелирования," Physics Letters 1 , 251 (1962), DOI : 10,1016 / 0031-9163 (62) 91369-0

Патенты

  • Тесла, Никола, Патент США 685012 « Средства для увеличения интенсивности электрических колебаний », 21 марта 1900 г.

Смотрите также

Внешние ссылки и ссылки