Суперспроводливост е феномен од точно нула електричен отпор и исчезнување на магнетното поле кое се јавува во некои материјали кога ќе се оладат под одредена критична температура. Овој ефект бил откриен од холандскиот физичар Хајке Камерлинг Онес на 8 април 1911 во Лајден. Како феромагнетизмот и атомските спектрални линии, суперспроводливоста е квантно механички феномен. Се одликува со Мајснеров ефект, комплетно исклучување на линиите на магнетното поле од внатрешноста на суперспроводникот како што преминува во состојбата на суперспроводливост. Појавата на Мајснеров ефект значи дека суперспроводливоста не може да се разбере само како појава на идеална спроводливост во класичната физика.
Електричниот отпор на метален спроводник се намалува постепено со намалување на температурата. Кај вообичаените спроводници, како бакарот или среброто, ова намалување е ограничено од примеси и други дефекти. Дури близу до апсолутната нула, реален пример за нормален спроводник покажува отпор. Кај суперспроводниците, отпорот наеднаш се намалува до нула кога материјалот е оладен под неговата критична температура. Електрична струја која тече низ јамка од суперспроводлива жица може да тече бесконечно без извор на енергија. преиздадена од Николај Николаевич Богољубов (1963) Теоријата за Суперспроводливост, Том 4, Печатот ЦРЦ, ISBN 0677000804, p. 73
Во 1986, било откриено дека некои Бакарно-Перовскитски ќерамички материјали имаат критична температура над 90K. Толку висока транзициска температура е статистички невозможна за вообичаените суперспроводници, поради што овие материјали биле именувани високотемпературни суперспроводници. Течен азот врие на 77 K, и суперспроводливост на повисоки температури од ова овозможува многу експерименти и примени кои не се практични на пониски температури.
Класификација
Има многу критериуми според кои се класифицираат суперспроводниците. Најчести се: Реакција кон магнетно поле: Суперспроводник може да биде од прв тип, што значи дека има едно критично поле над кое се губи суперспроводливоста, или од втор тип, што значи дека има две критични полиња помеѓу кои дозволува делумно пробивање на магнетното поле. По теорија на делување: Вообичаен ако може да се објасни со БКШ теоремата или нејзините изводи, или невообичаен. По критична температура: За суперспроводник се смета дека е високотемпературен ако ја достигнува состојбата на суперспроводливост кога е оладен со течен азот – на само c > 77 K) – или нискотемпературен ако се бараат поагресивни техники на ладење за да се достигне критичната температура. По материјал: Класи на материјали на суперспроводници вклучуваат хемиски елементи (жива или олово), легури (Ниобиум-титан, германиум-ниобиум и ниобиум-нитрид), ќерамики (ИББО и магнезиум диборид), или органски суперспроводници (фулерени и јаглеродни наноцевки, иако овие примери треба да се вбројуваат во хемиски елементи, бидејќи се изградени целосно од јаглерод.)
Елементарни својства на суперспроводниците Повеќето физички својства на суперспроводниците варираат од материјал до материјал, како капацитетот на топлина и критичната температура, критичното поле, и критичната густина на струјата на која се уништува суперспроводникот.
Од друга страна, има класа на својства кои се независни од материјалот. На пример, сите суперспроводници имаат точно нула отпор кон ниски струи кога нема присутно магнетно поле, или ако присутното поле не е посилно од одредена критична вредност. Постоењето на овие универзални својства кажува дека суперспроводливоста е термодинамичка фаза и дека поседува одредени својства кои се независни од микроскопските детали.
Нула отпор кон еднонасочна електрична струја
Наједноставниот метод за мерење на електричниот отпор на материјал е да се постави во електрично коло сериски со извор на струја I и да се измери добиениот напон V во примерокот. Отпорот на примерокот се добива од Омовиот закон бидејќи R = V / I. Ако напонот е нула, тогаш и отпорот е нула.
Суперспроводниците се способни да одржуваат струја без никаков напон, својство искористено кај суперспроводливите електромагнети како они во машини за магнетна резонанца. Експерименти покажуваат дека струите во суперспроводниците можат да течат со години без деградација. Експериментални докази покажуваат живот на струјата од најмалку 100,000 години. Теоретски се проценува дека животот на постојана струја може да е и подолг од животот на универзумот, во зависност од геометријата на жиците и температурата.
Кај нормален спроводник, електрична струја може да се визуелизира како флуид од електрони кои се движат низ јонска решетка. Електроните постојано се судираат со јоните од решетката и во секој судир се губи дел од енергијата која ја има струјата и се претвора во топлина, односно вибрациска кинетичка енергија на јоните на решетката. Како резултат на тоа, енергијата пренесена од струјата постојано се губи. Ова е феноменот на електричен отпор и Џулово греење.
Ситуацијата е различна во суперспроводник. Кај вообичаен суперспроводник, електронскиот флуид не може да се раздели во поединечни електрони, туку се состои од врзани парови на електрони нарачени Куперови парови. Ова спарување е предизвикано од привлечната сила меѓу електроните од размената на фонони. Поради квантната механика, енергетскиот спектар на овој Куперов пар има енергетска дупка, што значи дека има минимална количина на енергија ΔE која треба да се принесе за да се возбуди флуидот. Затоа ако ΔE е поголемо од топлинската енергија на решетката (добиена од kT, каде k е Болцмановата константа и T е температурата), флуидот нема да биде растурен од решетката. Поради тоа Куперовиот пар е суперфлуид, што значи дека може да тече без загуба на енергија.
Во класата на суперпроводници познати како суперспроводници од II тип, вклучувајќи ги сите познати високотемпературни суперпроводници, кога се применува електрична струја на температура не многу помала од критичната, се појавува мало количество на отпор. Ова е поради магнетните витли во електронскиот суперфлуид, поради што се губи дел од енергијата на струјата. Ако струјата е доволно мала, витлите се стационарни и се губи отпорот. Отпорот од овој ефект е мал во споредба со тој на не-суперспроводливите материјали, но мора да се земе предвид кај чувствителните експерименти. Но ако температурата се намали многу под критичната точка, овие витли се замрзнуваат во место и се добива “вително стакло”. Кај температури пониски од оваа, отпорот на материјалот станува точно нула.
Фазна транзиција на суперспроводниците мини|десно|400п|Однесување на топлински капацитет (cv, сино) и отпор (ρ, зелено) при фазната транзиција на Кај суперспроводливите материјали, својствата на суперспроводливост се појавуваат кога температурата T ќе се намали под одредена критична температура Tc. Вредноста на оваа температура се менува од материјал до материјал. Вообичаените суперспроводници обично имаат критична температура од 20 K до помалку од 1 K. Цврста жива има критична температура од 4.2 K. Највисоката критична температура за вообичаен суперспроводник е 39 K кај магнезиум диборидот. (MgB2), Иако овој материјал покажува доволно егзотични својства поради кои можеби не треба да се класифицира како вообичаен суперспроводник. Бакарни суперспроводници имаат многу повисоки критични температури: YBa2Cu3O7, еден од првите откриени бакарни суперспроводници, има критична температура од 92 K, и жива-бакарни суперспроводници имаат критични температури над 130 K. Објаснувањето за овие високи критични температури не постои. Спарувањето на електрони поради фононски размени ја објаснува суперспроводливоста кај вообичаените суперспроводници, но не и кај новите суперспроводници кои имаат многу висока критична температура.
Слично, на одредена температура под критичната, суперспроводливи материјали престануваат да се суперспроводливи кога надворешно магнетно поле поголемо од критичното магнетно поле делува на суперспроводникот. Ова е поради квадратното зголемување на Гибсовата слободна енергија за време на фазата на суперспроводливост, додека енергијата на нормалната фаза е независна од магнетното поле. Ако материјалот е суперспроведник кога нема магнетно поле, тогаш слободната енергија на фазата на суперспроводливост е помала од таа на нормалната фаза, и така за некоја вредност за магнетното поле, двете слободни енергии ќе бидат еднакви и ќе се случи фазна транзиција во нормалната фаза. Општо, повисока температура и посилно магнетно поле водат до помала делба на електроните во суперспроводникот.
Суперспроводливоста е придружена со нагли промени во различни физички својства, кои се белези на фазна транзиција. Топлинскиот капацитет е пропорционален со температурата за време на не-суперспроводливата состојба. Во суперспроводливата состојба, има недоследен скок и не е линеарна. При пониски температури, варира како e−α/T за некоја константа, α. Ова експоненцијало однесување е еден од доказите за постоењето на енергетската дупка.
Редот на транзицијата на фазата на суперспроводливоста долго време бил причина за дебата. Експерименти покажуваат дека транзицијата е од втор ред, што значи дека нема латентна топлина. Но во присуство на надворешно магнетно поле има латентна топлина, затоа што фазата на суперспроводливост има пониска ентропија под критичната температура. Експериментално е докажано дека како последица на зголемувањето на магнетното поле над критичната точка, добиената фазна транзиција води до намалување на температурата на материјалот.
Пресметки во раните 1970-ти години покажале дека може да е од прв ред поради ефектот на далекуметни варирања во електромагнетното поле. Во 1980-тите тоа било покажано теоретски со помош на теоријата за неред кај полињата, во која вителните линии на суперспроводниците имаат голема улога, дека транзицијата е од втор ред кај суперспроводниците од втор тип и од прв ред кај суперспроводниците од прв тип, и дека двата региони се разделени со трикритична точка. Резултатите биле поддржани од Монте Карловите компјутерски симулации.
Мајснеров ефект
Кога суперспроводник е поставен во надворешно магнетно поле H, и е оладен под температурата на транзиција, магнетното поле исчезнува. Мајснеровиот ефект не предизвикува да целосно да исчезне полето, туку тоа само продира низ суперспроводникот на многу мало растојание, одредено од parameter λ, наречена Лондонова длабочина на продирање, која опаѓа експоненцијално до нула во повеќето од материјалот. Мајснеровиот ефект е важна одлика на суперспроводливоста. За повеќе суперспроводници, Лондоновата длабочина на продирање е ред на 100 nm.
Понекогаш Мајснеровиот ефект се смета за дијамагнетизам кој може да се очекува од идеален електричен спроводник: Според Ленцовото правило, кога променливо магнетно поле ќе влијае врз спроводник, ќе предизвика електрична струја во спроводникот која создава спротивно магнетно поле. Кај идеален спроводник може да се предизвика произволно голема струја, и добиеното магнетно поле го поништува применетото.
Мајснеровиот ефект е различен од ова – тој е спонтано исчезнување кое настанува за време на транзицијата во суперспроводливост. Ако имаме материјал во нормална состојба кој содржи постојано внатрешно магнетно поле, кога тој материјал ќе се олади под критичната температура, неговото магнетно поле наеднаш ќе исчезне, а тоа не се очекува од Ленцовиот закон. Мајснеровиот ефект е објаснет од браќата Фриц и Хајнц Лондон, кои покажале дека електромагнетната слободна енергија во суперспроводник се сведува на минимум доколку
каде H е магнетното поле и λ е Лондоновата длабочина на продирање.
Оваа равенка, позната како Лондонова равенка, предвидува дека магнетно поле во суперспроводник опаѓа експоненцијално од вредноста која ја има на површината.