Сверхпроводимость - Superconductivity

А магнит парящий над высокотемпературный сверхпроводник, охлажденный жидкий азот. Постоянный электрический ток течет по поверхности сверхпроводника, действуя таким образом, чтобы исключить магнитное поле магнита (Закон индукции Фарадея ). Этот ток эффективно формирует электромагнит, который отталкивает магнит.
Видео эффекта Мейснера в высокотемпературном сверхпроводнике (черная таблетка) с магнитом NdFeB (металлический)
Высокотемпературный сверхпроводник, парящий над магнитом

Сверхпроводимость представляет собой набор физических свойств, наблюдаемых в определенных материалах, где электрическое сопротивление исчезает и поля магнитного потока исключены из материала. Любой материал, проявляющий эти свойства, является сверхпроводник. В отличие от обычного металлического дирижер, сопротивление которого постепенно уменьшается по мере понижения его температуры даже почти до абсолютный ноль, сверхпроводник имеет характеристику критическая температура ниже которого сопротивление резко падает до нуля. An электрический ток через петлю сверхпроводящий провод может сохраняться бесконечно без источника питания.[1][2][3][4]

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком. Хайке Камерлинг-Оннес. Нравиться ферромагнетизм и атомные спектральные линии, сверхпроводимость - это явление, которое можно объяснить только квантовая механика. Он характеризуется Эффект Мейснера, полный выброс силовые линии магнитного поля изнутри сверхпроводника при переходе в сверхпроводящее состояние. Возникновение эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализация из идеальная проводимость в классическая физика.

В 1986 году было обнаружено, что некоторые купрат -перовскит керамика материалы имеют критическую температуру выше 90 К (-183 ° C).[5] Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычный сверхпроводник, что приводит к тому, что материалы будут называться высокотемпературные сверхпроводники. Доступная по цене охлаждающая жидкость жидкий азот кипит при 77 К, и, таким образом, наличие сверхпроводимости при более высоких температурах облегчает многие эксперименты и приложения, которые менее практичны при более низких температурах.

Классификация

Основная статья: Классификация сверхпроводников

Существует множество критериев, по которым классифицируются сверхпроводники. Наиболее распространены:

Отклик на магнитное поле

Сверхпроводник можно Тип I, то есть у него есть один критическое поле, выше которого вся сверхпроводимость теряется, а ниже которого магнитное поле полностью вытесняется из сверхпроводника; или же Тип II, то есть он имеет два критических поля, между которыми он позволяет частичное проникновение магнитного поля через изолированные точки.[6] Эти точки называются вихри.[7] Кроме того, в многокомпонентных сверхпроводниках возможно сочетание этих двух режимов. В этом случае сверхпроводник имеет Тип-1.5.[8]

По теории работы

это общепринятый если это можно объяснить Теория BCS или его производные, или нетрадиционный, иначе.[9]

По критической температуре

Обычно считается, что сверхпроводник высокая температура если он достигает сверхпроводящего состояния при температуре выше 30 К (-243,15 ° С);[10] как в первоначальном открытии Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер.[5] Это также могут быть справочные материалы, переходящие в сверхпроводимость при охлаждении с использованием жидкий азот - то есть только Тc > 77 К, хотя обычно это используется только для того, чтобы подчеркнуть, что жидкий азот охлаждающей жидкости достаточно. Низкотемпературные сверхпроводники относятся к материалам с критической температурой ниже 30 К. Единственным исключением из этого правила является железный пниктид группа сверхпроводников, которые демонстрируют поведение и свойства, типичные для высокотемпературных сверхпроводников, но некоторые из них имеют критические температуры ниже 30 К.

По материалам

температура материала

Классы сверхпроводниковых материалов включают химические элементы (например. Меркурий или же вести ), сплавы (Такие как ниобий-титановый, германий-ниобий, и нитрид ниобия ), керамика (YBCO и диборид магния ), сверхпроводящие пниктиды (например, LaOFeAs, легированный фтором) или органические сверхпроводники (фуллерены и углеродные нанотрубки; хотя, возможно, эти примеры следует включить в число химических элементов, поскольку они полностью состоят из углерод ).[11][12]

Элементарные свойства сверхпроводников

Большинство физических свойств сверхпроводников варьируются от материала к материалу, например: теплоемкость а также критическая температура, критическое поле и критическая плотность тока, при которых сверхпроводимость разрушается.

С другой стороны, есть класс свойств, которые не зависят от основного материала. Например, все сверхпроводники имеют точно нулевое удельное сопротивление для малых приложенных токов, когда магнитное поле отсутствует или если приложенное поле не превышает критического значения. Наличие этих «универсальных» свойств означает, что сверхпроводимость - это термодинамическая фаза, и, таким образом, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей.

Нулевое электрическое сопротивление постоянному току

Электрические кабели для ускорителей на ЦЕРН. И массивный, и тонкий кабель рассчитаны на 12500 А. Вершина: обычные кабели для LEP; Нижний: сверхпроводниковые кабели для LHC
Сечение преформы сверхпроводящего стержня из заброшенного Техасский сверхпроводящий суперколлайдер (SSC).

Самый простой метод измерения электрическое сопротивление образца какого-либо материала - поместить его в электрическая цепь последовательно с Источник тока я и измерить полученный Напряжение V по образцу. Сопротивление образца определяется выражением Закон Ома в качестве R = V / I. Если напряжение равно нулю, это означает, что сопротивление равно нулю.

Сверхпроводники также могут поддерживать ток без какого-либо приложенного напряжения, это свойство используется в сверхпроводящие электромагниты такие как найденные в МРТ машины. Эксперименты показали, что токи в сверхпроводящих катушках могут сохраняться в течение многих лет без какого-либо измеримого ухудшения. Экспериментальные данные указывают на текущую продолжительность жизни не менее 100 000 лет. Теоретические оценки срока службы постоянного тока могут превышать расчетный срок службы вселенная в зависимости от геометрии проволоки и температуры.[3] На практике токи, вводимые в сверхпроводящие катушки, сохраняются более 25 лет (по состоянию на 4 августа 2020 г.) в сверхпроводящих гравиметры.[13][14] В таких приборах принцип измерения основан на отслеживании левитации сверхпроводящей ниобиевой сферы массой 4 грамма.

В нормальном проводнике электрический ток можно представить как жидкость электроны переходя тяжелый ионный решетка. Электроны постоянно сталкиваются с ионами в решетке, и во время каждого столкновения некоторые из энергия переносимый током поглощается решеткой и превращается в высокая температура, который по сути является колебательным кинетическая энергия решетки ионов. В результате энергия, переносимая током, постоянно рассеивается. Это явление электрического сопротивления и Джоулевое нагревание.

Иная ситуация в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пары электронов, известных как Куперовские пары. Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами при обмене электронами. фононы. Из-за квантовая механика, то энергетический спектр жидкости этой пары Купера обладает энергетический разрыв, что означает минимальное количество энергии ΔE который должен подаваться для возбуждения жидкости. Следовательно, если ΔE больше, чем тепловая энергия решетки, задаваемой kT, куда k является Постоянная Больцмана и Т это температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой.[15] Таким образом, жидкость пары Купера представляет собой сверхтекучий, что означает, что он может течь без рассеивания энергии.

В классе сверхпроводников, известных как сверхпроводники II типа, включая все известные высокотемпературные сверхпроводники, чрезвычайно низкое, но ненулевое удельное сопротивление появляется при температурах не намного ниже номинального сверхпроводящего перехода, когда электрический ток применяется в сочетании с сильным магнитным полем, которое может быть вызвано электрическим током. Это связано с движением магнитные вихри в электронной сверхтекучей жидкости, которая рассеивает часть энергии, переносимой током. Если ток достаточно мал, вихри стационарны, и сопротивление обращается в нуль. Сопротивление из-за этого эффекта крошечное по сравнению с сопротивлением несверхпроводящих материалов, но его необходимо учитывать в чувствительных экспериментах. Однако, когда температура понижается достаточно далеко ниже номинального сверхпроводящего перехода, эти вихри могут застыть в неупорядоченной, но неподвижной фазе, известной как «вихревое стекло». Ниже этой температуры вихревого стеклования сопротивление материала становится действительно нулевым.

Фаза перехода

Поведение теплоемкости (cv, синий) и удельного сопротивления (ρ, зеленый) при сверхпроводящем фазовом переходе

В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости появляются, когда температура Т опускается ниже критической температуры Тc. Значение этой критической температуры варьируется от материала к материалу. Обычные сверхпроводники обычно имеют критические температуры в диапазоне примерно 20K до менее 1 К. Твердый Меркурий, например, имеет критическую температуру 4,2 К. По состоянию на 2015 год самая высокая критическая температура, найденная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H2S, хотя требовалось высокое давление примерно 90 гигапаскалей.[16] Купратные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры: YBa2Cu3О7, один из первых обнаруженных купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру выше 90 К, а купраты на основе ртути были обнаружены с критическими температурами, превышающими 130 К. Основной физический механизм, ответственный за высокую критическую температуру, еще не ясен. . Однако ясно, что речь идет о двухэлектронном спаривании, хотя природа спаривания ( волна vs. волна) остается спорным.[17]

Точно так же при фиксированной температуре ниже критической сверхпроводящие материалы перестают быть сверхпроводящими, когда внешний магнитное поле применяется, что больше, чем критическое магнитное поле. Это потому, что Свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с увеличением магнитного поля, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля. Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы ниже, чем у нормальной фазы, и поэтому для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разности свободных энергий в нуле магнитное поле) две свободные энергии будут равны и произойдет фазовый переход в нормальную фазу. В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к меньшей доле сверхпроводящих электронов и, следовательно, к более длительному Лондонская глубина проникновения внешних магнитных полей и токов. При фазовом переходе глубина проникновения становится бесконечной.

Возникновение сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств, что является отличительной чертой фаза перехода. Например, электронный теплоемкость пропорциональна температуре в нормальном (несверхпроводящем) режиме. При сверхпроводящем переходе он испытывает прерывистый скачок и после этого перестает быть линейным. При низких температурах он изменяется как е−α /Т для некоторой константы α. Такое экспоненциальное поведение - одно из свидетельств существования энергетический разрыв.

В порядок сверхпроводящего фаза перехода долго обсуждался. Эксперименты показывают, что переход второго рода, то есть нет скрытая теплота. Однако в присутствии внешнего магнитного поля существует скрытая теплота, потому что сверхпроводящая фаза имеет более низкую энтропию ниже критической температуры, чем нормальная фаза. Это было экспериментально продемонстрировано[18] что, как следствие, когда магнитное поле увеличивается за пределы критического поля, возникающий в результате фазовый переход приводит к снижению температуры сверхпроводящего материала.

Расчеты 1970-х годов показали, что на самом деле он может быть слабо первым порядком из-за влияния дальнодействующих флуктуаций электромагнитного поля. В 1980-е это было показано теоретически с помощью теория поля беспорядка, в которой вихревые линии сверхпроводника играют важную роль, что переход второго рода в пределах тип II режима и первого порядка (т. е. скрытая теплота ) в пределах тип I режим, и что две области разделены трикритическая точка.[19] Результаты были полностью подтверждены компьютерным моделированием Монте-Карло.[20]

Эффект Мейснера

Основная статья: Эффект Мейснера

Когда сверхпроводник помещен в слабый внешний магнитное поле ЧАС, и охлаждение ниже температуры перехода, магнитное поле выбрасывается. Эффект Мейснера не вызывает полного выброса поля, а вместо этого поле проникает в сверхпроводник, но только на очень малое расстояние, характеризуемое параметромλ, называется Лондонская глубина проникновения, экспоненциально затухая до нуля в объеме материала. В Эффект Мейснера является определяющей характеристикой сверхпроводимости. Для большинства сверхпроводников лондонская глубина проникновения составляет порядка 100 нм.

Эффект Мейснера иногда путают с диамагнетизм можно ожидать от идеального электрического проводника: согласно Закон Ленца, когда изменение Магнитное поле применяется к проводнику, оно индуцирует электрический ток в проводнике, который создает противоположное магнитное поле. В идеальном проводнике может быть индуцирован сколь угодно большой ток, и результирующее магнитное поле в точности нейтрализует приложенное поле.

Эффект Мейснера отличается от этого - это спонтанное изгнание, которое происходит при переходе к сверхпроводимости. Предположим, у нас есть материал в нормальном состоянии, содержащий постоянное внутреннее магнитное поле. Когда материал охлаждается ниже критической температуры, мы наблюдаем резкое изгнание внутреннего магнитного поля, чего мы не ожидали бы, исходя из закона Ленца.

Братья дали феноменологическое объяснение эффекту Мейснера. Фриц и Хайнц Лондон, который показал, что электромагнитный свободная энергия в сверхпроводнике сводится к минимуму при условии

куда ЧАС - магнитное поле, а λ - Лондонская глубина проникновения.

Это уравнение, известное как Уравнение Лондона, предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике распадается экспоненциально от той ценности, которой он обладает на поверхности.

Говорят, что сверхпроводник с небольшим магнитным полем или без него находится в состоянии Мейснера. Состояние Мейснера нарушается, когда приложенное магнитное поле слишком велико. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот пробой. В Сверхпроводники I типа, сверхпроводимость внезапно разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение ЧАСc. В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние[21] состоящий из узора в стиле барокко[22] областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащего поля. В Сверхпроводники II типа, повышая значение приложенного поля выше критического значения ЧАСc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как состояние вихря), в котором увеличивается количество магнитный поток проникает в материал, но сопротивление прохождению электрического тока не остается, пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля ЧАСc2, сверхпроводимость разрушена. Смешанное состояние на самом деле вызвано вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, которые иногда называют флюксоны потому что поток, переносимый этими вихрями, равен квантованный. Самый чистый элементаль сверхпроводники, кроме ниобий и углеродные нанотрубки, относятся к типу I, в то время как почти все нечистые и сложные сверхпроводники относятся к типу II.

Лондонский момент

И наоборот, вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения. Эффект, Лондонский момент, нашла хорошее применение в Гравитационный зонд B. В этом эксперименте измерялись магнитные поля четырех сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Это было критически важно для эксперимента, поскольку это один из немногих способов точно определить ось вращения безликой сферы.

История сверхпроводимости

Хайке Камерлинг-Оннес (справа), первооткрыватель сверхпроводимости. Поль Эренфест, Хендрик Лоренц, Нильс Бор встаньте слева от него.
Основная статья: История сверхпроводимости

Сверхпроводимость была открыта 8 апреля 1911 г. Хайке Камерлинг-Оннес, который изучал сопротивление твердых Меркурий в криогенный температуры с использованием недавно произведенных жидкий гелий как хладагент. При температуре 4,2 К он заметил, что сопротивление резко исчезло.[23] В том же эксперименте он также наблюдал сверхтекучий переход гелия при 2,2 К, не осознавая его значения. Точная дата и обстоятельства открытия были восстановлены только столетие спустя, когда была найдена записная книжка Оннеса.[24] В последующие десятилетия сверхпроводимость наблюдалась и в нескольких других материалах. В 1913 г. вести было обнаружено сверхпроводящее состояние при 7 К, а в 1941 г. нитрид ниобия было обнаружено, что он сверхпроводник при 16 К.

Были приложены огромные усилия, чтобы выяснить, как и почему работает сверхпроводимость; важный шаг произошел в 1933 г., когда Мейснер и Ochsenfeld обнаружили, что сверхпроводники вытесняют приложенные магнитные поля, явление, которое стало известно как Эффект Мейснера.[25] В 1935 г. Фриц и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера был следствием минимизации электромагнитного свободная энергия переносится сверхпроводящим током.[26]

Материальные уравнения Лондона

Теоретическая модель, которая впервые была задумана для сверхпроводимости, была полностью классической: ее резюмируют: Материальные уравнения Лондона. Его выдвинули братья Фриц и Хайнц Лондон в 1935 году, вскоре после открытия того, что сверхпроводники вытесняют магнитные поля. Главный триумф уравнений этой теории - их способность объяснять Эффект Мейснера,[25] при этом материал экспоненциально вытесняет все внутренние магнитные поля, когда он пересекает сверхпроводящий порог. Используя уравнение Лондона, можно получить зависимость магнитного поля внутри сверхпроводника от расстояния до поверхности.[27]

Два основных уравнения для сверхпроводника Лондона:

Первое уравнение следует из Второй закон Ньютона для сверхпроводящих электронов.

Обычные теории (1950-е годы)

В 1950-х годах теоретические конденсированное вещество физики пришли к пониманию «обычной» сверхпроводимости с помощью пары замечательных и важных теорий: феноменологической Теория Гинзбурга – Ландау (1950) и микроскопический Теория BCS (1957).[28][29]

В 1950 г. феноменологический Теория Гинзбурга – Ландау сверхпроводимости была изобретена Ландо и Гинзбург.[30] Эта теория, объединившая теорию Ландау второго порядка фазовые переходы с Шредингер -подобное волновое уравнение, имело большой успех в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. Особенно, Абрикосов показали, что теория Гинзбурга – Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, которые теперь называются типом I и типом II. Абрикосов и Гинзбург были удостоены Нобелевской премии 2003 г. за свои работы (Ландау получил Нобелевскую премию 1962 г. за другие работы и умер в 1968 г.). Четырехмерное расширение теории Гинзбурга – Ландау, Модель Коулмана-Вайнберга, важно в квантовая теория поля и космология.

Также в 1950 году Максвелл и Рейнольдс и другие. обнаружили, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопная масса составляющих элемент.[31][32] Это важное открытие указывало на электрон -фонон взаимодействие как микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость.

Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была окончательно предложена в 1957 г. Бардин, Купер и Шриффер.[29] Эта теория БКШ объясняет сверхпроводящий ток как сверхтекучий из Куперовские пары, пары электронов, взаимодействующие посредством обмена фононами. За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии 1972 года.

Теория BCS получила более прочную основу в 1958 году, когда Н. Н. Боголюбов показали, что волновая функция БКШ, которая первоначально была получена из вариационного аргумента, может быть получена с помощью канонического преобразования электронного Гамильтониан.[33] В 1959 г. Лев Горьков показал, что теория БКШ сводится к теории Гинзбурга – Ландау вблизи критической температуры.[34][35]

Обобщения теории БКШ для обычных сверхпроводников составляют основу для понимания феномена сверхтекучесть, потому что они попадают в лямбда-переход класс универсальности. Степень, в которой такие обобщения могут быть применены к нетрадиционные сверхпроводники до сих пор остается спорным.

Дальнейшая история

Первое практическое применение сверхпроводимости было разработано в 1954 г. Дадли Аллен Бак изобретение криотрон.[36] Два сверхпроводника с сильно различающимися значениями критического магнитного поля объединяются для создания быстрого и простого переключателя для компьютерных элементов.

Вскоре после открытия сверхпроводимости в 1911 году Камерлинг-Оннес попытался создать электромагнит со сверхпроводящими обмотками, но обнаружил, что относительно слабые магнитные поля разрушают сверхпроводимость в материалах, которые он исследовал. Намного позже, в 1955 г., Г. Б. Интема [37] удалось сконструировать небольшой электромагнит 0,7 тесла с железным сердечником и обмотками из сверхпроводящей ниобиевой проволоки. Затем, в 1961 г., Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, Ф. С. Л. Хсу и Дж. Х. Верник. [38] сделал поразительное открытие, что при 4,2 кельвина ниобий-олово, соединение, состоящее из трех частей ниобия и одной части олова, способно поддерживать плотность тока более 100 000 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 г. Т. Г. Берлинкур и Р. Р. Хейк [39][40] обнаружил, что более пластичные сплавы ниобия и титана подходят для применений до 10 тесла. Сразу после этого было начато промышленное производство ниобий-титановый сверхмагнитная проволока началась в Westinghouse Electric Corporation и в Wah Chang Corporation. Хотя ниобий-титан может похвастаться менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, ниобий-титан, тем не менее, стал наиболее широко используемым материалом супермагнетика "рабочей лошадки", в значительной степени следствием его очень высокой пластичность и простота 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 высокоэнергетических частиц и во множестве других приложений. Conectus, европейский консорциум 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 г. Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание, что сверхток может протекать между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора.[41] Это явление, теперь называемое Эффект джозефсона, используется сверхпроводящими устройствами, такими как Кальмары. Он используется для наиболее точных доступных измерений квант магнитного потока Φ0 = час/(2е), куда час это Постоянная Планка. В сочетании с квантовое сопротивление Холла, это приводит к точному измерению постоянной Планка. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии за эту работу в 1973 году.

В 2008 году было предложено, что тот же механизм, который производит сверхпроводимость, может производить суперизолятор состояние в некоторых материалах, с почти бесконечным электрическое сопротивление.[42]

Высокотемпературная сверхпроводимость

Хронология сверхпроводящих материалов. Цвета представляют разные классы материалов:
Основная статья: Высокотемпературная сверхпроводимость

До 1986 года физики считали, что теория БКШ запрещает сверхпроводимость при температурах выше 30 К. В том году Беднорз и Мюллер открыл сверхпроводимость в оксид лантана, бария, меди (LBCO), а лантан на основе купрата перовскит материал, температура перехода которого составляла 35 К (Нобелевская премия по физике, 1987).[5] Вскоре было обнаружено, что замена лантана на иттрий (т.е. делая YBCO ) поднял критическую температуру выше 90 К.[43]

Этот скачок температуры особенно значителен, так как позволяет жидкий азот в качестве хладагента, заменяя жидкий гелий.[43]Это может иметь важное коммерческое значение, поскольку жидкий азот можно производить относительно дешево даже на месте. Кроме того, более высокие температуры помогают избежать некоторых проблем, возникающих при температурах жидкого гелия, таких как образование пробок из замороженного воздуха, которые могут блокировать криогенные линии и вызывать непредвиденное и потенциально опасное повышение давления.[44][45]

С тех пор были обнаружены многие другие купратные сверхпроводники, и теория сверхпроводимости в этих материалах является одной из основных нерешенных задач теоретической науки. физика конденсированного состояния.[46] В настоящее время существуют две основные гипотезы: теория резонансной валентной связи и флуктуация спина, которая пользуется наибольшей поддержкой в ​​исследовательском сообществе.[47] Вторая гипотеза предполагала, что спаривание электронов в высокотемпературных сверхпроводниках опосредуется короткодействующими спиновыми волнами, известными как парамагноны.[48][49][сомнительный – обсуждать]

В 2008 году голографическая сверхпроводимость, использующая голографическую двойственность или AdS / CFT корреспонденция Теория была предложена Губсером, Хартноллем, Герцогом и Горовицем в качестве возможного объяснения высокотемпературной сверхпроводимости в некоторых материалах.[50]

Примерно с 1993 года самым высокотемпературным сверхпроводником был керамический материал, состоящий из ртути, бария, кальция, меди и кислорода (HgBa2Ca2Cu3О8 + δ) с Тc = 133–138 К.[51][52]

В феврале 2008 года было обнаружено семейство высокотемпературных сверхпроводников на основе железа.[53][54] Хидео Хосоно из Токийский технологический институт, и его коллеги обнаружили кислород лантана, фтор, арсенид железа (LaO1-хFИксFeAs), оксипниктид сверхпроводимость ниже 26 К. Замена лантана в LaO1−ИксFИксFeAs с самарий приводит к сверхпроводникам, работающим при 55 К.[55]

В 2014 и 2015 годах сероводород (ЧАС
2S) при чрезвычайно высоких давлениях (около 150 гигапаскалей) был сначала предсказан, а затем подтвержден как высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода 80 К.[56][57][58] Кроме того, в 2019 году было обнаружено, что гидрид лантана (LaH
10) становится сверхпроводником при 250 К и давлении 170 гигапаскалей.[59][58]

В 2018 году исследовательская группа кафедры физики, Массачусетский Институт Технологий, обнаруженный сверхпроводимость в двухслойном графене с одним слоем скрученный под углом примерно 1,1 градуса при охлаждении и приложении небольшого электрического заряда. Даже если эксперименты не проводились в высокотемпературной среде, результаты меньше коррелируют с классическими, но с высокотемпературными сверхпроводниками, учитывая, что не нужно вводить посторонние атомы.[60]

В 2020 году сверхпроводник при комнатной температуре сделанный из водорода, углерода и серы под давлением около 270 гигапаскалей был описан в статье в Природа.[61] В настоящее время это самая высокая температура, при которой любой материал показывает сверхпроводимость.[58]

Приложения

Основная статья: Технологические приложения сверхпроводимости
Видео сверхпроводящей левитации YBCO

Сверхпроводящие магниты одни из самых мощных электромагниты известен. Они используются в МРТ /ЯМР машины, масс-спектрометры, магниты управления лучом, используемые в ускорители частиц и удерживающие плазму магниты в некоторых токамаки. Их также можно использовать для магнитной сепарации, когда слабомагнитные частицы извлекаются из фона меньших или немагнитных частиц, как в пигмент отрасли. Они также могут использоваться в больших ветряных турбинах для преодоления ограничений, налагаемых высокими электрическими токами, при этом промышленный сверхпроводящий ветрогенератор мощностью 3,6 мегаватт был успешно испытан в Дании.[62]

В 1950-х и 1960-х годах сверхпроводники использовались для создания экспериментальных цифровых компьютеров с использованием криотрон переключатели. Совсем недавно сверхпроводники использовались для изготовления цифровые схемы на основе быстрый квант одиночного потока технологии и ВЧ и СВЧ фильтры за мобильный телефон базовые станции.

Сверхпроводники используются для создания Джозефсоновские переходы которые являются строительными блоками Кальмары (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства), наиболее чувствительные магнитометры известен. СКВИДЫ используются в сканирующие СКВИД-микроскопы и магнитоэнцефалография. Серии устройств Джозефсона используются для реализации SI вольт. В зависимости от конкретного режима работы сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник Джозефсоновский переход можно использовать как фотонный детектор или как Смеситель. Большое изменение сопротивления при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние используется для создания термометров в криогенных условиях. микрокалориметр фотон детекторы. Такой же эффект используется в сверхчувствительных болометры изготовлены из сверхпроводящих материалов.

Возникают и другие ранние рынки, на которых сравнительная эффективность, размер и вес устройств на основе высокотемпературная сверхпроводимость перевешивают сопутствующие дополнительные расходы. Например, в Ветряные турбины меньший вес и объем сверхпроводящих генераторов может привести к экономии затрат на строительство и башню, компенсируя более высокие затраты на генератор и снижая общую нормированная стоимость электроэнергии (LCOE).[63]

Многообещающие будущие приложения включают высокопроизводительные умная сеть электроснабжения, передача электроэнергии, трансформаторы, устройства накопления энергии, электродвигатели (например, для двигателя транспортного средства, как в vactrains или же поезда на магнитной подвеске ), устройства магнитной левитации, ограничители тока повреждения, усовершенствование устройств спинтроники сверхпроводящими материалами,[64] и сверхпроводящие магнитное охлаждение. Однако сверхпроводимость чувствительна к движущимся магнитным полям, поэтому приложения, использующие переменный ток (например, трансформаторы) будет сложнее разработать, чем те, которые полагаются на постоянный ток. По сравнению с традиционными линиями электропередач, сверхпроводящие линии передачи являются более эффективными и занимают лишь небольшую часть площади, что не только приведет к лучшим экологическим показателям, но и может улучшить общественное мнение о расширении электрической сети.[65]

Нобелевские премии по сверхпроводимости

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джон Бардин; Леон Купер; Дж. Р. Шриффер (1 декабря 1957 г.). Теория сверхпроводимости. Физический обзор. 108. п. 1175. Bibcode:1957ПхРв..108.1175Б. Дои:10.1103 / Physrev.108.1175. ISBN  978-0-677-00080-0. Получено 6 июня, 2014. перепечатано в Николае Николаевиче Боголюбове (1963) Теория сверхпроводимости. 4, CRC Press, ISBN  0677000804, п. 73
  2. ^ Джон Дейнтит (2009). Факты о файловом словаре по физике (4-е изд.). Публикация информационной базы. п. 238. ISBN  978-1-4381-0949-7.
  3. ^ а б Джон К. Галлоп (1990). СКВИДЫ, эффекты Джозефсона и сверхпроводящая электроника. CRC Press. С. 1, 20. ISBN  978-0-7503-0051-3.
  4. ^ Даррант, Алан (2000). Квантовая физика материи. CRC Press. С. 102–103. ISBN  978-0-7503-0721-5.
  5. ^ а б c Дж. Г. Беднорц и К. А. Мюллер (1986). "Возможен высокий Tc сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O ». Z. Phys. B. 64 (1): 189–193. Bibcode:1986ZPhyB..64..189B. Дои:10.1007 / BF01303701. S2CID  118314311.
  6. ^ «Сверхпроводимость | ЦЕРН». home.cern. Получено 2020-10-29.
  7. ^ Ортакер, Анджелина. "Сверхпроводимость" (PDF). Технический университет Граца.
  8. ^ «Сверхпроводник типа 1.5 показывает свои полосы». Мир физики. 2009-02-17. Получено 2020-10-29.
  9. ^ Гибни, Элизабет (5 марта 2018 г.). «Неожиданное открытие графена может раскрыть секреты сверхпроводимости». Новости. Природа. 555 (7695): 151–2. Bibcode:2018Натура.555..151G. Дои:10.1038 / d41586-018-02773-w. PMID  29517044. В целом сверхпроводники бывают двух типов: обычные, в которых активность может быть объяснена основной теорией сверхпроводимости, и нетрадиционные, где это невозможно.
  10. ^ Грант, Пол Майкл (2011). «Великая квантовая головоломка». Природа. Nature Publishing Group, подразделение Macmillan Publishers Limited. Все права защищены. 476 (7358): 37–39. Дои:10.1038 / 476037a. PMID  21814269. S2CID  27665903.
  11. ^ Hirsch, J. E .; Maple, M. B .; Марсильо, Ф. (15.07.2015). «Классы сверхпроводящих материалов: введение и обзор». Physica C: сверхпроводимость и ее приложения. Сверхпроводящие материалы: обычные, нетрадиционные и неопределенные. 514: 1–8. arXiv:1504.03318. Bibcode:2015PhyC..514 .... 1H. Дои:10.1016 / j.physc.2015.03.002. ISSN  0921-4534. S2CID  12895850.
  12. ^ «Классификация сверхпроводников» (PDF). ЦЕРН.
  13. ^ Ван Кэмп, Мишель; Фрэнсис, Оливье; Лекок, Томас (2017). «Запись гравитационной истории Бельгии». Эос. 98. Дои:10.1029 / 2017eo089743.
  14. ^ Ван Кэмп, Мишель; де Вирон, Оливье; Уотлет, Арно; Мерерс, Бруно; Фрэнсис, Оливье; Кодрон, Корентин (2017). «Геофизика на основе земных измерений силы тяжести с переменной во времени». Обзоры геофизики. 55 (4): 2017RG000566. Bibcode:2017RvGeo..55..938V. Дои:10.1002 / 2017rg000566. ISSN  1944-9208.
  15. ^ Тинкхэм, Майкл (1996). Введение в сверхпроводимость. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, INC. Стр. 8. ISBN  0486435032.
  16. ^ Дроздов, А; Еремец, М; Троян, I; Ксенофонтов, В (17 августа 2015). «Обычная сверхпроводимость при 203 кельвина при высоких давлениях в системе гидрида серы». Природа. 525 (2–3): 73–76. arXiv:1506.08190. Bibcode:2015Натура.525 ... 73Д. Дои:10.1038 / природа14964. PMID  11369082. S2CID  4468914.
  17. ^ Тинкхэм, Майкл (1996). Введение в сверхпроводимость. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, INC. Стр. 16. ISBN  0486435032.
  18. ^ Р. Л. Долечек (1954). «Адиабатическое намагничивание сверхпроводящей сферы». Физический обзор. 96 (1): 25–28. Bibcode:1954ПхРв ... 96 ... 25Д. Дои:10.1103 / PhysRev.96.25.
  19. ^ Х. Кляйнерт (1982). "Беспорядочная версия абелевой модели Хиггса и порядок сверхпроводящего фазового перехода" (PDF). Lettere al Nuovo Cimento. 35 (13): 405–412. Дои:10.1007 / BF02754760. S2CID  121012850.
  20. ^ Дж. Хов; С. Мо; А. Судбо (2002). «Вихревые взаимодействия и термически индуцированный кроссовер от сверхпроводимости типа I к сверхпроводимости типа II» (PDF). Физический обзор B. 66 (6): 064524. arXiv:cond-mat / 0202215. Bibcode:2002PhRvB..66f4524H. Дои:10.1103 / PhysRevB.66.064524. S2CID  13672575.
  21. ^ Лев Д. Ландау; Евгений М. Лифшиц (1984). Электродинамика сплошных сред.. Курс теоретической физики. 8. Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-7506-2634-7.
  22. ^ Дэвид Дж. Э. Каллавей (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Ядерная физика B. 344 (3): 627–645. Bibcode:1990НуФБ.344..627С. Дои:10.1016 / 0550-3213 (90) 90672-Z.
  23. ^ Камерлинг-Оннес, Хайке (1911). «Дальнейшие эксперименты с жидким гелием. C. Об изменении электрического сопротивления чистых металлов при очень низких температурах и т. Д. IV. Сопротивление чистой ртути при гелиевых температурах».. Труды Секции наук. 13: 1274–1276. Bibcode:1910KNAB ... 13.1274K.
  24. ^ Дирк ванДельфт и Питер Кес (сентябрь 2010 г.). «Открытие сверхпроводимости» (PDF). Физика сегодня. 63 (9): 38–43. Bibcode:2010ФТ .... 63и..38В. Дои:10.1063/1.3490499.
  25. ^ а б В. Мейснер и Р. Оксенфельд (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Naturwissenschaften. 21 (44): 787–788. Bibcode:1933NW ..... 21..787M. Дои:10.1007 / BF01504252. S2CID  37842752.
  26. ^ Ф. Лондон и Х. Лондон (1935). «Электромагнитные уравнения суперпроводника». Труды Лондонского королевского общества A. 149 (866): 71–88. Bibcode:1935RSPSA.149 ... 71L. Дои:10.1098 / RSPA.1935.0048. JSTOR  96265.
  27. ^ «Лондонские уравнения». Открытый университет. Получено 2011-10-16.
  28. ^ Дж. Бардин; Л. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (1957). «Микроскопическая теория сверхпроводимости». Физический обзор. 106 (1): 162–164. Bibcode:1957ПхРв..106..162Б. Дои:10.1103 / PhysRev.106.162.
  29. ^ а б Дж. Бардин; Л. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (1957). «Теория сверхпроводимости». Физический обзор. 108 (5): 1175–1205. Bibcode:1957ПхРв..108.1175Б. Дои:10.1103 / PhysRev.108.1175.
  30. ^ В. Л. Гинзбург, Л. Ландау (1950). «К теории сверхпроводимости». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 20: 1064.
  31. ^ Э. Максвелл (1950). «Изотопный эффект в сверхпроводимости ртути». Физический обзор. 78 (4): 477. Bibcode:1950PhRv ... 78..477M. Дои:10.1103 / PhysRev.78.477.
  32. ^ К. А. Рейнольдс; Б. Серин; У. Х. Райт и Л. Б. Несбитт (1950). «Сверхпроводимость изотопов Меркурия». Физический обзор. 78 (4): 487. Bibcode:1950PhRv ... 78..487R. Дои:10.1103 / PhysRev.78.487.
  33. ^ Н. Н. Боголюбов (1958). «Новый метод в теории сверхпроводимости». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 34: 58.
  34. ^ Л. П. Горьков (1959). «Микроскопический вывод уравнений Гинзбурга — Ландау в теории сверхпроводимости». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 36: 1364.
  35. ^ М. Комбескот; W.V. Погосов, О. Бетбедер-Матибет (2013). «Анзац БКШ для сверхпроводимости в свете подхода Боголюбова и точной волновой функции Ричардсона – Годена». Physica C: сверхпроводимость. 485: 47–57. arXiv:1111.4781. Bibcode:2013PhyC..485 ... 47C. Дои:10.1016 / j.physc.2012.10.011.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  36. ^ Бак, Дадли А. «Криотрон - сверхпроводящий компьютерный компонент» (PDF). Лаборатория Линкольна, Массачусетский технологический институт. Получено 10 августа 2014.
  37. ^ Г. Б. Синтема (1955). «Сверхпроводящая обмотка для электромагнита». Физический обзор. 98 (4): 1197. Bibcode:1955ПхРв ... 98.1144.. Дои:10.1103 / PhysRev.98.1144.
  38. ^ Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, Ф. Л. С. Хсу и Дж. Х. Верник (1961). «Сверхпроводимость в Nb3Sn при высокой плотности тока в магнитном поле 88 кгаусс». Письма с физическими проверками. 6 (3): 89–91. Bibcode:1961ПхРвЛ ... 6 ... 89К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.6.89.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  39. ^ T. G. Berlincourt и R.R. Hake (1962). «Исследования сверхпроводящих сплавов переходных металлов в импульсном магнитном поле при высоких и низких плотностях тока». Бюллетень Американского физического общества. II-7: 408.
  40. ^ T. G. Berlincourt (1987). «Появление Nb-Ti как супермагнитного материала» (PDF). Криогеника. 27 (6): 283–289. Bibcode:1987 Крио ... 27..283B. Дои:10.1016/0011-2275(87)90057-9.
  41. ^ Б.Д. Джозефсон (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Письма по физике. 1 (7): 251–253. Bibcode:1962ФЛ ..... 1..251Дж. Дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
  42. ^ «Создано новое открытое фундаментальное состояние материи - суперизолятор». Science Daily. 9 апреля 2008 г.. Получено 2008-10-23.
  43. ^ а б М. К. Ву; и другие. (1987). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединения Y – Ba – Cu – O при атмосферном давлении». Письма с физическими проверками. 58 (9): 908–910. Bibcode:1987PhRvL..58..908W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.908. PMID  10035069.
  44. ^ «Введение в жидкий гелий». Криогеника и жидкостная отрасль. Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА.
  45. ^ «Раздел 4.1» Воздушная пробка в заливной линии"". Руководство по криогенной системе сверхпроводящего магнитометра. 2G предприятия. Архивировано из оригинал 6 мая 2009 г.. Получено 9 октября 2012.
  46. ^ Абрикосов Алексей Александрович (8 декабря 2003 г.). «Сверхпроводники II типа и вихревая решетка». Нобелевская лекция.
  47. ^ Адам Манн (20 июля, 2011). «Высокотемпературная сверхпроводимость в 25 лет: все еще в ожидании». Природа. 475 (7356): 280–2. Bibcode:2011Натура.475..280М. Дои:10.1038 / 475280a. PMID  21776057.
  48. ^ Пайнс, Д. (2002), "Модель спиновых флуктуаций для высокотемпературной сверхпроводимости: достижения и перспективы", Симметрия щели и флуктуации в высокотемпературных сверхпроводниках, Научная серия НАТО: B, 371, Нью-Йорк: Kluwer Academic, стр. 111–142, Дои:10.1007/0-306-47081-0_7, ISBN  978-0-306-45934-4
  49. ^ П. Мунту; А. В. Балацкий, Д. Пайнс (1991). «К теории высокотемпературной сверхпроводимости в антиферромагнитно коррелированных оксидах купрата». Phys. Rev. Lett. 67 (24): 3448–3451. Bibcode:1991ПхРвЛ..67.3448М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.67.3448. PMID  10044736.
  50. ^ Голографическая двойственность в физике конденсированного состояния: Ян Заанен, Ян Лю, Я Сун К. Шальм; 2015, Cambridge University Press, Кембридж
  51. ^ А. Шиллинг; и другие. (1993). «Сверхпроводимость выше 130 К в системе Hg – Ba – Ca – Cu – O». Природа. 363 (6424): 56–58. Bibcode:1993Натура 363 ... 56С. Дои:10.1038 / 363056a0. S2CID  4328716.
  52. ^ П. Дай; Б. К. Чакумакос; Г. Ф. Сан; К. В. Вонг; и другие. (1995). «Синтез и нейтронно-порошковая дифракция сверхпроводника HgBa.2Ca2Cu3О8 + δ заменой Tl ". Physica C. 243 (3–4): 201–206. Bibcode:1995PhyC..243..201D. Дои:10.1016/0921-4534(94)02461-8.
  53. ^ Хироки Такахаши; Кадзуми Игава; Казунобу Арии; Йоичи Камихара; и другие. (2008). «Сверхпроводимость при 43 К в слоистом соединении на основе железа LaO.1-хFИксFeAs ». Природа. 453 (7193): 376–378. Bibcode:2008Натура.453..376Т. Дои:10.1038 / природа06972. PMID  18432191. S2CID  498756.
  54. ^ Адриан Чо (30.10.2014). «Обнаружено второе семейство высокотемпературных сверхпроводников». Новости ScienceNOW Daily.
  55. ^ Zhi-An Ren; и другие. (2008). «Сверхпроводимость и фазовая диаграмма в оксидах мышьяка на основе железа ReFeAsO1-d (Re = редкоземельный металл) без легирования фтором». EPL. 83 (1): 17002. arXiv:0804.2582. Bibcode:2008ЭЛ ..... 8317002Р. Дои:10.1209/0295-5075/83/17002. S2CID  96240327.
  56. ^ Ли, Иньвэй; Хао, Цзянь; Лю, Ханью; Ли, Янлин; Ма, Янмин (07.05.2014). «Металлизация и сверхпроводимость плотного сероводорода». Журнал химической физики. 140 (17): 174712. arXiv:1402.2721. Bibcode:2014JChPh.140q4712L. Дои:10.1063/1.4874158. ISSN  0021-9606. PMID  24811660. S2CID  15633660.
  57. ^ Дроздов, А.П .; Еремец, М. И .; Троян, И.А .; Ксенофонтов, В .; Шилин, С. И. (2015). «Обычная сверхпроводимость при 203 кельвина при высоких давлениях в системе гидрида серы». Природа. 525 (7567): 73–6. arXiv:1506.08190. Bibcode:2015Натура.525 ... 73Д. Дои:10.1038 / природа14964. ISSN  0028-0836. PMID  26280333. S2CID  4468914.
  58. ^ а б c Вуд, Чарли. «Впервые достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре». Журнал Quanta. Получено 2020-10-29.
  59. ^ Дроздов, А.П .; Kong, P.P .; Миньков, В.С .; Беседин, С. П .; Кузовников, М. А .; Mozaffari, S .; Balicas, L .; Балакирев, Ф. Ф .; Graf, D. E .; Пракапенка, В. Б .; Greenberg, E .; Князев, Д. А .; Ткач, М .; Еремец, М.И. (2019). «Сверхпроводимость при 250 К в гидриде лантана при высоких давлениях». Природа. 569 (7757): 528–531. arXiv:1812.01561. Bibcode:2019Натура.569..528D. Дои:10.1038 / с41586-019-1201-8. PMID  31118520. S2CID  119231000.
  60. ^ Цао, юань; Фатеми, Валла; Демир, Ахмет; Фанг, Шианг; Tomarken, Spencer L .; Луо, Джейсон Й .; Sanchez-Yamagishi, J.D .; Watanabe, K .; Танигучи, Т. (05.03.2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена под магическим углом». Природа. 556 (7699): 80–84. arXiv:1802.00553. Bibcode:2018Натура 556 ... 80С. Дои:10.1038 / природа26154. ISSN  1476-4687. PMID  29512654. S2CID  4601086.
  61. ^ Кеннет Чанг (14 октября 2020 г.). «Наконец, первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре». Нью-Йорк Таймс.
  62. ^ Дизайн и полевые испытания первого в мире ротора ReBCO для ветрогенератора мощностью 3,6 МВт »Анн Берген, Расмус Андерсен, Маркус Бауэр, Герман Бой, Марсель тер Брейк, Патрик Бруцарт, Карстен Бюрер, Марк Далле, Йеспер Хансен и Герман Тен Кейт, 25 октября 2019 г., Наука и технологии в области сверхпроводников.
  63. ^ Ислам; и другие. (2014). «Обзор гондолы морской ветряной турбины: технические проблемы, а также тенденции исследований и разработок». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 33: 161–176. Дои:10.1016 / j.rser.2014.01.085. HDL:10453/33256.
  64. ^ Линдер, Джейкоб; Робинсон, Джейсон В. А. (2 апреля 2015 г.). «Сверхпроводящая спинтроника». Природа Физика. 11 (4): 307–315. arXiv:1510.00713. Bibcode:2015НатФ..11..307Л. Дои:10.1038 / nphys3242. S2CID  31028550.
  65. ^ Томас; и другие. (2016). «Сверхпроводящие линии электропередачи - устойчивая передача электроэнергии с большим общественным признанием?». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 55: 59–72. Дои:10.1016 / j.rser.2015.10.041.
  66. ^ «Все Нобелевские премии по физике». Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка