Superconductivitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un magnet care levitează deasupra unui supraconductor la temperaturi ridicate , răcit cu azot lichid . Levitația are loc datorită efectului Meissner-Ochsenfeld .

În fizică , supraconductivitatea este un fenomen fizic care implică rezistență electrică zero și expulzarea câmpului magnetic . Apare în unele materiale sub o temperatură caracteristică numită critică și simplificatoare, sub o valoare critică caracteristică a câmpului magnetic. La fel ca feromagnetismul și liniile spectrale atomice, acest fenomen nu poate fi explicat de fizica clasică , dar este necesar să-l bazăm pe mecanica cuantică mai complexă. [1]

Generalitate

Utilitatea practică a supraconductoarelor este deocamdată extrem de limitată: unul dintre defectele lor cele mai limitative este acela de a avea o temperatură critică atât de scăzută (întotdeauna mult sub zero, cu excepția cazului în care unele gaze sunt utilizate la presiuni foarte mari) încât necesită complexitatea construcției sistemului de răcire, un consum de energie pentru ao menține în funcțiune și, prin urmare, un cost enorm și lipsa de fiabilitate. Azotul lichid , care fierbe la 77 K (-196 ° C), este cel mai răspândit și mai ieftin fluid criogen, care ar deschide calea pentru majoritatea aplicațiilor ipotetizate pentru supraconductori. Prin urmare, de obicei aceasta este temperatura care este aleasă ca linie de separare între supraconductori la temperatură ridicată (numită HTS, „superconductori de temperatură înaltă”) și scăzută (LTS, „superconductori cu temperatură scăzută”). Din păcate, majoritatea supraconductoarelor încă cunoscute au temperaturi mult sub acest prag.

Înainte de 1986-7 erau cunoscuți doar supraconductorii cu o temperatură critică sub -230 ° C [2] : YBCO , cu o temperatură critică de -180 ° C [3], a fost primul HTS descoperit și rămâne în continuare principalul HTS pentru simplitate de construcție și experiență de utilizare. Frontiera cercetării pure cu puține aplicații directe practice este către supraconductori la temperatura camerei; deocamdată există doar câteva cazuri de gaze particulare, cum ar fi sulfura de hidrogen, care doar la o presiune foarte mare (de peste o mie de ori mai mare decât presiunea atmosferică) devin supraconductori. Gazele la o presiune atât de mare nu vor găsi aproape sigur o aplicație practică, dar testele superconductivității lor servesc la validarea unor modele fizice (cuantice) de superconductivitate și la înțelegerea, dacă este ceva, a materialelor noi pe care să le investigheze cât mai mulți candidați supraconductori.

Rezistența electrică a unui conductor metalic scade treptat pe măsură ce temperatura scade. Dar în metalele obișnuite, cum ar fi cuprul sau argintul , sub o anumită temperatură, care depinde de impurități și defecte, rezistența nu mai variază. Prin urmare, chiar și aproape de zero absolut , conductorii tradiționali au o rezistență electrică. Faptul relevant în superconductori este că rezistența dispare complet brusc de îndată ce temperatura critică pentru superconducție este atinsă și rămâne nulă chiar dacă scade sub temperatura critică.

Deci, un curent electric poate curge la nesfârșit într-un circuit închis în supraconductoare fără niciun generator care să-l alimenteze [4] , neglijând pierderile de pe pereții supraconductorului: acest lucru îl face ideal, de exemplu, pentru realizarea celor mai puternici electro magneți, deoarece căldura se disipează pentru că efectul de joule devine neglijabil în comparație cu cel al unui conductor normal, iar saturația nu are loc: totuși, trebuie să fim siguri că putem menține temperatura sub cea critică.

De obicei, pentru a justifica costul și complexitatea tehnologică a unui circuit de răcire pentru a putea folosi un supraconductor la temperatură scăzută, este necesară o aplicație extrem de tehnologică.

Exemplul principal de aplicație, deja implementat și nu numai în viitor, este constituit de fapt de electro- magneții acceleratorului de particule LHC la CERN și de reactorul de fuziune ITER : în ambele cazuri, supraconductorul ales din fazele inițiale ale proiectul este de tip tradițional la temperatură scăzută, răcit cu heliu lichid la aproximativ -270 ° C.

Istorie

Heike Kamerlingh Onnes (dreapta) este vizitat de (de la stânga la dreapta) Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz , Niels Bohr .

Fenomenul de supraconductivitate a fost descoperit în mercur în 1911 de către fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes , [5] la temperaturi criogenice folosind heliu produs deja cu câțiva ani mai devreme sub formă lichidă. Lichefierea heliului a fost faptul relevant pentru care a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1913. El a constatat că la o temperatură de 4,2 K, rezistența mercurului a fost anulată. În același experiment, el a găsit și tranziția superfluidă a heliului la 2,2 K, dar nu a înțeles importanța sa.

Abia în 2011 , o sută de ani mai târziu, faptul a fost reconstruit prin reexaminarea caietelor de laborator [6] .

În anii următori, superconductivitatea a fost observată în multe alte materiale, aproape toate metalele de tranziție . În 1913 s-a constatat că plumbul era de asemenea supraconductor la 7 K. Kamerlingh Onnes a văzut imediat o aplicație concretă revoluționară: aceea a magneților care erau extrem de puternici decât magneții convenționali. El a încercat imediat să creeze un magnet de 10T (o țintă încă curentă), folosind un superconductor pe bază de plumb, dar abia putea face câmpuri de 60mT (câteva miimi). Descoperirea tehnologică a magneților a început de fapt în 1941, când au fost descoperiți primii supraconductori de tip II .

Primul a fost azotura de niobiu , supraconductoare la 16 K, iar ulterior alte aliaje.

S-au făcut eforturi mari în anii următori pentru a găsi explicațiile fizice ale superconductivității; un pas important a avut loc atunci când Meissner și Ochsenfeld au descoperit efectul de ejecție al câmpului magnetic de către supraconductori, fenomen care este numit în onoarea lor „ efectul Meissner[7] . În 1935, frații Fritz și Heinz London au arătat că efectul Meissner este o consecință a minimizării de către Gibbs a energiei libere [8] . Prima teorie istorică a supraconductoarelor este sintetizată prin două ecuații, numite ecuații de la Londra : succesul teoriei a fost tocmai explicația efectului Meissner.

În 1950 s-a descoperit că temperatura critică este proporțională cu rădăcina masei izotopice [9] [10] (descoperită simultan de echipele de cercetare ale lui Maxwell și Reynold). Acest important rezultat experimental a evidențiat pentru prima dată importanța interacțiunii fonon - electron pentru a explica mecanismul microscopic al supraconductivității.

În 1955, a fost fabricat primul prototip al unui magnet cu un câmp mult mai mare decât magneții conductori convenționali. Magnetul produce un câmp de 0,7 T și este fabricat dintr-o înfășurare a unui aliaj de niobiu-titan, care a devenit de atunci standard: este în continuare aliajul utilizat ca standard în aproape toți magneții supraconductori de astăzi [11] .

Între timp, în anii 1950, dezvoltarea teoriei fizice a materiei condensate reușește să explice comportamentul supraconductorilor convenționali , prin două abordări diferite. Mai întâi în 1950, cu teoria Ginzburg-Landau [12] , iar mai târziu, în 1957 cu teoria BCS . Această teorie combină teoria lui Landau a tranzițiilor de fază de ordinul doi cu o ecuație similară cu cea a lui Schrödinger . Această teorie explică multe dintre proprietățile macroscopice. În special, Abrikosov a arătat cum teoria Ginsburg-Landau prezice împărțirea supraconductoarelor în două tipuri care sunt acum numite superconductori de tip I și II.

Abrikosov și Ginzburg în 2003 au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru această lucrare (Landau îl primise în 1962 pentru alte lucrări și murise în 1968).

O teorie completă a supraconductivității a fost în cele din urmă propusă în 1957 de Bardeen , Cooper și Schrieffer , această teorie se numește BCS (din inițialele lor) [13] . Teoria BCS explică curentul supraconductor ca fiind datorat unui superfluid format din perechi Cooper , perechi de electroni care se atrag reciproc prin schimbul de fononi . Importanța acestei lucrări i-a adus autorilor Premiul Nobel pentru fizică din 1972.

Teoria BCS a fost perfecționată în 1958 când Bogolyubov a arătat că funcția de undă a teoriei BCS, care fusese obținută prin metode variaționale, putea fi obținută printr-o transformare canonică a hamiltonianului electronic [14] . În 1959 Gork'ov a arătat că teoria BCS a fost redusă la teoria Ginsburg-Landau în vecinătatea temperaturii critice [15] [16] . Generalizarea teoriei BCS pentru supraconductorii convenționali formează baza pentru înțelegerea superfluidității, având multe caracteristici de tranziție similare cu superfluidul cu heliu-4 . Superconductorii neconvenționali nu reușesc să fie descriși de acest model.

În 1961 Doll și Nabauer [17] au verificat cuantificarea fluxului magnetic , care fusese prezisă în 1948 de F. London [18] , deși cu o valoare de două ori mai mare (el considera electroni simpli și nu perechi Cooper).

În 1962 B. Josephson a prezis [19] că un supracurent ar putea curge între doi supraconductori separați de un izolator subțire. Acest fenomen se numește în prezent efectul Josephson . Această descoperire împreună cu cuantificarea fluxului magnetic au făcut posibilă în 1964 crearea primelor SQUID-uri [20] .

În 1973 s-a constatat că Nb 3 Ge are o temperatură de 23 K, această valoare a rămas cea mai ridicată temperatură dintr-un superconductor timp de 13 ani.

Superconductivitate la temperaturi ridicate

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Superconductivitatea la temperaturi ridicate .

În 1986, KA Müller și JG Bednorz au descoperit că o ceramică de bariu , lantan , cupru și oxigen devine supraconductoare la o temperatură de aproximativ 35 K (-238 ° C), o temperatură semnificativ mai mare decât 23 K (-250 ° C) de cel mai bun aliaj supraconductor. apoi observați. Müller și Bednorz au primit și Premiul Nobel pentru fizică în 1987.

Ceramica a fost apoi descoperită, din nou pe bază de cupru și oxigen, astfel încât să permită utilizarea azotului lichid (la o temperatură de 77 K (-196 ° C)) ca agent frigorific, mult mai ieftin și mai eficient decât heliul . Aceste descoperiri și modele teoretice au sugerat cercetătorilor posibilitatea existenței supraconductoarelor la temperatura camerei, care de atunci au atras o mulțime de investiții economice în laboratoare avansate de cercetare din întreaga lume.

În 1993 a fost descoperit un superconductor cu o temperatură critică mai mare, 138 K (-135 ° C); este un compus ceramic pe bază de mercur , bariu , calciu , cupru și oxigen (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + δ ) obținut prin substituirea taliului . [21] . Recent s-a constatat, de asemenea, că gazele cu presiune foarte mare, cum ar fi sulfura de hidrogen, au o temperatură critică mai aproape de zero centigradi, dar vorbim de presiuni atât de mari încât să descurajeze aplicațiile practice.

Clasificare

În funcție de originea grupului de cercetare și de scopul acestuia, supraconductorii pot fi clasificați după mai multe criterii. Cu siguranță, cel mai important pentru majoritatea persoanelor care nu sunt experți și nespecializați într-un anumit domeniu de cercetare este un criteriu tehnic: cel mai simplu criteriu tehnic se bazează pe temperatura la care trebuie să funcționeze supraconductorul. Un alt criteriu tehnic foarte important se referă la fabricabilitatea tehnologică, operabilitatea, măsurile de siguranță necesare pentru instalarea și funcționarea unei instalații, costul și problemele de furnizare a materiilor prime necesare fabricării.

Clasificare după temperatura de lucru

Principalele familii de materiale supraconductoare ordonate în funcție de temperatura critică și data descoperirii: observăm modul în care cercetările actuale se concentrează pe HTS și încearcă să atingă cele mai înalte temperaturi, cât mai aproape de cele ale mediului, pentru a facilita utilizarea practică dintre aceste materiale

Supraconductorii trebuie păstrați întotdeauna la o temperatură sub temperatura lor critică, altfel se comportă de obicei ca izolatori. Deoarece cel mai standard lichid criogen este azotul lichid , este necesar în primul rând să se facă distincție în superconductori, cum ar fi:

  • Temperatura ridicată : dacă temperatura critică este mai mare decât cea a azotului lichid , egal cu -196 ° C, sau 77K (T c> 77 K).
  • Temperatură scăzută: dacă temperatura critică este sub -196 ° C.

Mai precis, după cum este evident în figură, este recomandabil imediat să se facă distincția tehnică între supraconductori care pot fi menținuți cu azot lichid sau chiar cu fluorură de carbon lichidă, ceea ce simplifică și mai mult o utilizare deja dificilă și, în schimb, supraconductori cu temperatură scăzută, deci heliu lichid sau răcirea cu hidrogen lichid va fi de obicei utilizată, cu condiții de proiectare mult mai dificile.

Clasificarea chimică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Lista supraconductoarelor .

În funcție de structura lor chimică, supraconductorii sunt împărțiți, în ordinea importanței:

Clasificarea fizică

Clasificarea fizică se bazează pe răspunsul la câmpul magnetic: se spune despre supraconductor

  • Tipul I: dacă are un singur câmp critic, adică un câmp magnetic peste care se pierde supraconductivitatea și sub care câmpul magnetic este complet expulzat.
  • Tipul II: dacă există două câmpuri critice: sub primul câmp critic câmpul este complet expulzat, între primul și al doilea câmp critic există o penetrare parțială a câmpului magnetic. Câmpul vine sub formă de vârtejuri cuantificate.
  • Tipul 1,5: dacă în superconductori cu multe componente este posibil să existe combinația ambelor tipuri de comportament.

Explicarea comportamentului lor

  • Convențional : dacă comportamentul este explicat cu teoria BCS .
  • Neconvențional : dacă comportamentul nu este explicat cu teoria BCS. Au fost propuse multe teorii, dar încă nu există o teorie validă acceptată de întreaga comunitate științifică.

Proprietăți elementare

Majoritatea proprietăților supraconductoarelor, cum ar fi temperatura critică, căldura specifică , câmpul magnetic critic și densitatea critică a curentului, variază de la material la material.

Deși există unele proprietăți care sunt independente de material: de fapt, toți supraconductorii au o rezistență exact zero dacă sunt traversați de un curent mic și câmpul magnetic prezent este slab. Mai mult, ca toate tranzițiile de fază, are proprietăți universale care nu depind de detaliile microscopice ale materialului.

Rezistență zero

Secțiunea unui cablu tipic supraconductor.

Cea mai simplă metodă de măsurare a rezistenței electrice pe un eșantion de material este plasarea acestuia în serie într-un circuit electric în care există un generator de curent . Dacă diferența de potențial între câmpurile eșantionului este zero, rezistența este zero. Pentru a putea efectua măsurarea este necesar să aveți patru fire: două pentru curent și două pentru tensiune.

Deci, în supraconductori curentul continuă să circule chiar dacă nu se aplică nicio diferență de potențial. Această proprietate este utilizată la magneții supraconductori care sunt folosiți pe scară largă în tomografia prin rezonanță magnetică (RMN). Experimentele au arătat că curentul poate rămâne constant chiar și într-un timp de 100.000 de ani, dar estimările teoretice prezic că curenții ar putea avea o durată comparabilă cu vârsta Universului, evident dacă geometria este adecvată și temperatura este menținută constantă. [ 22] . În practică, curenții injectați în bobine supraconductoare au rămas neschimbate de mai bine de 22 de ani [1] [23] . În acest experiment, măsurarea accelerației gravitației se face folosind levitația unei sfere de 4 grame niobiu.

În conductorii normali, curentul electric se comportă ca un fluid de electroni care se mișcă într-o rețea de ioni mult mai grei. În ciocnirile electronilor cu ionii rețelei, o parte din energia electronilor este disipată și acest lucru determină o încălzire a rețelei ( efect Joule ). Cu cât este mai mare rezistența electrică, cu atât este mai mare energia disipată cu același curent.

Situația este diferită într-un supraconductor. În superconductorii convenționali, fluidul care transportă curentul electric nu este format din electroni, ci din perechi de electroni, perechile Cooper . Cuplarea este dată de faptul că electronii schimbă fononi care determină o atracție între ei. În realitate, explicația este posibilă numai prin intermediul mecanicii cuantice care consideră că perechile Cooper sunt un condensat Bose-Einstein cu un interval de bandă , adică există o cantitate minimă de energie care trebuie furnizat pentru a putea excita fluidul cuplurilor. Astfel, dacă este mai mare decât energia termică (unde este este constanta Boltzmann și T temperatura), fluidul nu este modificat în fluxul său în rețea. În realitate, perechile Cooper se comportă ca un superfluid , adică un fluid care nu disipă energia.

În superconductorii de tip II , inclusiv supraconductorii de temperatură ridicată , o rezistență foarte mică, dar nu zero, apare sub tranziția supraconductoare atunci când curentul care curge este aplicat împreună cu un câmp magnetic intens (care poate fi cauzat și de curentul însuși). Rezistența în acest caz se datoreazăvârtejurilor din rețeaua Abrikosov care se deplasează provocând o disipare a energiei purtate de curent. Rezistența electrică datorată acestui efect este în general mult mai mică decât cea a materialelor neconductoare. Curenții foarte mici nu pot mișca vârtejurile și, prin urmare, nu există nicio rezistență. Mai mult, atunci când mergeți la temperaturi scăzute, defectele din zăbrele, datorate și impurităților, îngheță vârtejurile care formează o structură dezordonată similară cu o sticlă , sub vitrificare. temperatura rezistența materialului dispare. Înghețarea vârtejurilor permite ca unele supraconductoare de tip II să fie traversate de curenți foarte mari și, prin urmare, să genereze câmpuri foarte intense chiar și de câteva zeci de Tesla.

Tranziție de fază supraconductoare

Comportamentul capacității de căldură (c v , albastru) și a rezistivității (ρ, verde) în tranziția fazei supraconductoare

În materialele supraconductoare, caracteristica supraconductivității apare atunci când temperatura este adusă sub temperatura critică T c . Valoarea temperaturii critice variază de la material la material. Materialele convenționale au temperaturi cuprinse între 23 K (niobiu germaniu ) și 15 mK ( tungsten ), dar există materiale cu temperaturi critice chiar mai scăzute. De fapt, printre materialele convenționale ar trebui să includem și diborura de magneziu (MgB 2 ) care are o temperatură critică de 39 K [24] . Unii au îndoieli cu privire la definirea diborurii de magneziu ca supraconductor convențional, deoarece are proprietăți exotice în comparație cu alte materiale convenționale.

Superconductorii neconvenționali pot avea temperaturi critice mult mai ridicate. De exemplu, YBa 2 Cu 3 O 7 , unul dintre primii supraconductori care conțin cupru descoperit, are o temperatură critică de 92 K. Explicația pentru faptul că temperatura critică poate fi atât de mare rămâne o necunoscută. De fapt, cuplarea electronilor prin intermediul fononilor, în timp ce explică bine supraconductivitatea materialelor convenționale, nu explică supraconductivitatea materialelor neconvenționale, în special temperatura atât de ridicată.

Tot sub temperatura critică, un material se oprește supraconductiv dacă se aplică un câmp magnetic mai mare decât câmpul magnetic critic . Acest lucru se datorează faptului că energia liberă Gibbs a fazei supraconductoare crește odată cu pătratul câmpului magnetic, în timp ce energia liberă Gibbs a fazei normale este o funcție destul de independentă de câmpul magnetic. Motivul pentru care un material intră în starea supraconductoare este că, în absența unui câmp magnetic, faza supraconductoare are o energie liberă mai mică decât faza normală: dar pe măsură ce câmpul magnetic crește, va exista o valoare a câmpului prin care cei doi energiile devin egale, peste acest interval faza normală este cea stabilă. O temperatură mai mare și un câmp magnetic mai intens reduc cuplurile Cooper și, prin urmare, măresc lungimea de penetrare a Londrei , care devine infinită la tranziția de fază. Lungimea de penetrare este proporțională cu inversul rădăcinii pătrate a densității perechilor Cooper.

Apariția supraconductivității este însoțită de o schimbare bruscă a diferitelor proprietăți fizice, aceasta este o caracteristică a tranzițiilor de fază , de exemplu căldura specifică în timp ce în metalele normale este o funcție liniară a temperaturii, la tranziția supraconductoare are un salt discontinuu și încetează a fi liniar. La o temperatură departe de tranziție, aceasta variază cu o lege de tip e −α / T cu α constantă (cu dimensiunile unei temperaturi). Comportamentul exponențial este o dovadă clară a existenței unei benzi interzise .

Care este ordinea tranziției de fază supraconductoare este o întrebare mult dezbătută. Experimentele constată că tranziția este de ordinul doi, deoarece nu există căldură latentă . Cu toate acestea, în prezența unui câmp magnetic există căldură latentă, deoarece faza supraconductoare are o entropie mai mică decât faza normală sub temperatura critică. De fapt, s-a demonstrat experimental că atunci când câmpul magnetic este crescut deasupra câmpului critic, există o tranziție de fază cu o scădere a temperaturii materialului care era supraconductor [25] .

În anii 1970, s-au făcut conturi care sugerează că fluctuațiile pe termen lung ale câmpului electromagnetic pot duce la o tranziție slabă de primul ordin. În 1980 s-a arătat teoretic, având în vedere rolul vârtejurilor din superconductori, că tranziția este de ordinul doi în superconductorii de tip II și de ordinul I (deci cu căldură latentă ) în superconductorii de tip I. Cele două regiuni sunt separate de unpunct tricritic care este un punct în care se încheie coexistența a trei faze [26] . Acest rezultat analitic a fost demonstrat numeric prin simularea Monte Carlo [27]

Efect Meissner

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: efectul Meissner .
Reprezentarea efectului Meissner: (stânga) la o temperatură mai mare decât T c (stare normală) materialul este traversat de linii de forță ale câmpului magnetic; (dreapta) la o temperatură mai mică decât T c (stare supraconductoare) câmpul este expulzat

Când un material care devine supraconductor este plasat într-un câmp magnetic extern B slab și răcit sub temperatura sa de tranziție, câmpul magnetic este expulzat, adică un supraconductor este un diamagnet perfect. Efectul Meissner nu provoacă expulzarea completă a câmpului magnetic, deoarece câmpul pătrunde în interior pentru o adâncime scurtă, caracterizată prin λ lungimea de penetrare a Londrei , numită distanța de la suprafața exterioară, câmpul scade exponențial cu distanța de la suprafață. Pentru majoritatea supraconductoarelor, lungimea de penetrare este de ordinul a 100 nm. Acest efect permite levitația magnetică a supraconductoarelor.

Efectul Meissner nu poate fi confundat cu diamagnetismul pentru un conductor electric perfect. De fapt, conform legii lui Faraday , atunci când un câmp magnetic variabil este aplicat unui conductor, acesta induce un curent electric în conductor care tinde să anuleze câmpul aplicat. Dacă conductorul este perfect, câmpul magnetic este perfect anulat. Expulzarea câmpului magnetic dintr-un supraconductor are loc nu numai dacă plasăm un supraconductor într-un câmp magnetic, ci și dacă este utilizat un câmp magnetic constant și temperatura materialului este variată făcându-l să traverseze tranziția supraconductoare: conform lui Faraday legea nu există o variație a fluxului concatenat și nu există curenți induși.

O explicație a efectului Meissner a fost dată de cei doi frați Fritz și Heinz London, care au propus două ecuații fenomenologice pentru a descrie superconductivitatea, iar din ceea ce se numește ecuația II din Londra obținem folosind Legea lui Ampère :

A cui soluție este tocmai:

Se spune că un supraconductor în care nu există câmp magnetic sau neglijabil este în starea Meissner. Când se aplică un câmp foarte intens, se produce spargerea stării Meissner, aceasta se produce, în funcție de geometria dinaintea câmpului critic cu regiuni macroscopice care rămân fără câmp (deci supraconductor) și altele cu câmp magnetic (normal) starea se numește etapa intermediară [28] , structura acestei stări este foarte variată [29] . În cazul supraconductoarelor de tip II , dacă câmpul aplicat depășește primul câmp critic, starea devine mixtă, caracterizată prin formarea de vortexuri magnetice numite vortexuri Abrikosov [30] atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic. Densitatea vârtejurilor crește pe măsură ce intensitatea câmpului crește. La un al doilea câmp magnetic critic și mai mare, supraconductivitatea este distrusă. Majoritatea elementelor, cu excepția nanotuburilor de niobiu și carbon, sunt de tip I, în timp ce toate aliajele și compozitele sunt supraconductori de tip II.

Momentul londonez

Un oggetto superconduttore che ruota attorno al proprio asse, genera il campo di un momento magnetico: è il fenomeno reciproco dell'effetto Meissner. Nell'esperimento Gravity Probe B si sono utilizzati dei giroscopi superconduttori costituite da delle sfere senza difetti fatte ruotare attorno ad un proprio asse la direzione di rotazione è stata misurata proprio grazie al momento di London mediante alcuni dc-SQUID.

Classificazione magnetica

I Tipo

I superconduttori di primo tipo (solitamente metalli e alcune leghe metalliche) presentano una temperatura critica T c molto bassa ed un'espulsione completa del campo magnetico dovuta a correnti superficiali indotte di intensità tale da generare fenomeni magnetici uguali e opposti al campo esterno, ottenendo così un campo magnetico interno al superconduttore teoricamente nullo (o praticamente trascurabile).

La superconduzione di tipo 1 si ritiene si realizzi per l'appaiamento degli elettroni in coppie, dette coppie di Cooper , che per effetti quantistici assumono un comportamento superfluido e quindi scorrono senza collisioni e senza produrre resistenza in alcuni conduttori al di sotto di una determinata temperatura, detta temperatura critica di superconduzione, T c .

II Tipo

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Superconduttività del II tipo .

I superconduttori di secondo tipo ( Niobio , Vanadio ) presentano T c molto più alte e sono caratterizzati dalla presenza di due valori critici per il campo magnetico. Oltre ad un primo valore di intensità B 1 (solitamente molto basso) il materiale è penetrato da linee di flusso del campo magnetico (flussoidi) distribuite ordinatamente al suo interno in un reticolo esagonale (stato misto, o di Abrikosov). All'aumentare dell'intensità del campo magnetico , il numero di flussoidi aumenta fino a portare alla distruzione della superconduttività ad un'intensità B 2 normalmente molto più alta rispetto ai valori di campo critico per superconduttori di primo tipo.

La superconduzione di tipo 2 è analoga a quella di tipo 1, e si realizza in conduttori detti "ad alta temperatura" (convenzionalmente superiore ai 20 K (−253 °C)); tali superconduttori, pur conservando una condizione di superconduzione, quando la temperatura si eleva a valori prossimi a quella di transizione alla conduzione classica, in presenza di forti flussi elettrici di superconduzione, presentano una resistenza al flusso estremamente piccola ma rilevabile, e che si incrementa mano a mano che ci si avvicina alla temperatura di transizione stessa. Si ritiene che tale minima resistenza sia dovuta all'induzione di una condizione di "vorticosità" del superfluido che produrrebbe il debole "attrito"; tale vorticosità sarebbe causata da una minima parziale penetrazione del campo magnetico all'interno del superconduttore.

Con correnti elettriche sufficientemente basse, o con riduzioni del campo magnetico, la resistenza svanisce, e quindi le presunte vorticosità sarebbero stabilizzate. Ugualmente con l'abbassamento della temperatura e l'allontanamento dal punto di transizione, la resistenza scende realmente a zero, quindi l'abbassamento della temperatura sembra annullare l'entità della presunta vorticosità.

Tipo 1,5

Ricercatori dell'University of Massachusetts Amherst e del Sveriges Största Tekniska Universitet hanno presentato una teoria che prevede l'esistenza di superconduttori in stato 1.5 su materiali chiamati superconduttori multibanda [31] , e che permette ai fisici di calcolare le condizioni necessarie per la loro riproducibilità: stabilità termodinamica, condizioni di repulsione a breve distanza, ordine di grandezza della penetrazione del campo magnetico minore di almeno un ordine rispetto a quello della variazione di densità dei corpi [32] . Nei superconduttori di tipo 1.5, si formano a bassi campi magnetici due vortici con flussi simili, entrambi in uno stato di Meissner a due componenti: questi interagiscono con attrazione a lunga distanza dove prevale la forza fra le due densità, e con repulsione a breve distanza dove prevale l'interazione elettromagnetica.

Per anni la comunità scientifica ha ritenuto che esistessero solo superconduttori di tipo I o di tipo II, e che le due condizioni si escludessero a vicenda, senza ulteriori stati intermedi [31] .

Il fisico Babaev aveva però predetto l'esistenza di superconduttori di tipo 1.5, in cui gli elettroni avrebbero dovuto dividersi in due sottogruppi: uno che si comportava come i superconduttori di tipo I e l'altro di tipo II.

Fra le obiezioni vi era quella che comunque si trattava di elettroni, per cui era difficile accettare che, nello stesso superconduttore e condizioni esterne, potessero comportarsi in due modi così diversi (e ritenuti antagonisti) [31] .

Il dibattito era pure legato alla mancanza di una teoria che legasse la superconduttività alle proprietà su scale micro dei materiali.

Elementi puri superconduttori

Di seguito sono riportate le temperature critiche (molto basse per applicazioni tecniche) di alcuni elementi chimici puri superconduttori:

Di maggiore interesse sono i numerosi composti metallici superconduttori (ad esempio il niobio-stagno, T c =17.9 K, e il magnesio-diboruro, T c =39 K) e vari composti ceramici le cui temperature critiche possono superare i 120 K (−153 °C). Fra i composti ternari, quaternari oa più elementi maggiormente sintetizzati ed indagati vanno citate le ossopnictidi . Il più economico HTS è il diboruro di magnesio , MgB2 (impiegabile già a 20-25 K). Attualmente il materiale conosciuto con la più alta temperatura critica è il Seleniuro di Ferro che a pressione normale (circa 1 kPa) è superconduttore fino a circa 30 K e, in linea teorica, a pressioni superiori ai 12,5 GPa, tale materiale dovrebbe avere una temperatura critica di circa 48 K. Perché tale materiale possa essere utilizzato per applicazioni pratiche è necessario però spingere la sua temperatura di transizione alla superconduttività a circa 77 K (la temperatura a cui bolle l'azoto liquido) e sembra che ciò sia possibile in quanto, facendo crescere un cristallo di Seleniuro di Ferro su un sotto strato di Titanato di Stronzio è stato rilevato un drastico aumento della temperatura di transizione del materiale.

Teoria della superconduzione

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Teoria BCS .

La teoria generalmente accettata come spiegazione di tale fenomeno, nota come teoria BCS, dalle iniziali dei tre fisici che l'hanno proposta ( Bardeen , Cooper , Schrieffer ), spiega il fenomeno come dovuto alle interazioni degli elettroni col reticolo cristallino , risultanti in un effetto netto di attrazione tra gli elettroni con spin opposti. Essi formano delle coppie, dette coppie di Cooper , che si comportano come una particella di spin 0. Tutte le particelle di spin 0 sono bosoni , al pari dei fotoni , e tendono a raggrupparsi in un unico stato quantistico, con ampiezza di probabilità proporzionale a , dove n è il numero di particelle nello stesso stato.

La probabilità che una tale coppia sia distrutta dai moti termici obbedisce alla distribuzione di Maxwell-Boltzmann, ed è quindi proporzionale a .

L'energia di legame di queste coppie è normalmente molto bassa, tanto che per metalli normali bastano temperature di pochi kelvin per romperle. Quando però si è al di sotto della temperatura critica, ecco che tutte le coppie di elettroni hanno lo stesso stato quantistico, e sono dunque indistinguibili. Ora, dato che questi sono gli effetti netti dell'interazione tra elettroni e reticolo cristallino, in pratica è come se il reticolo non ci fosse, e si avesse una corrente libera di elettroni, che fluisce senza resistenza da parte del reticolo.

Poiché l'energia di legame è piccola, la distanza tra gli elettroni in una coppia è ampia, tanto da superare la distanza media tra le stesse coppie. Non tutti gli elettroni liberi formano coppie, e il numero degli elettroni normali sarà tanto maggiore quanto più la T è vicina alla temperatura di superconduzione.

Consideriamo il caso a temperatura pressoché nulla, per semplicità. Dato che la maggior parte delle particelle si trova nello stato a più bassa energia, ben presto la maggior parte degli elettroni converge nello stato di coppia non eccitata. In condizioni simili, detta ψ la funzione d'onda , la densità di probabilità delle particelle nello stato descritto dall'equazione è proporzionale a ψψ * (o |ψ| 2 ). Se includiamo la costante di proporzionalità entro la funzione, possiamo assumere il prodotto come la densità di carica ρ . In un superconduttore , così come in un conduttore, la ρ si può considerare costante.

Si può dunque riscrivere il tutto in coordinate polari ( r , θ ) come

dove il secondo termine è un fattore di fase. La legge di conservazione locale della probabilità impone che se la densità di probabilità P in una certa regione varia col tempo, ci deve essere un flusso : la particella non deve scomparire per riapparire altrove, ma deve muoversi con continuità. Questa non è nient'altro che una forma del teorema di Gauss , e quindi

e cioè la derivata temporale della densità di carica è pari all'opposto della divergenza della corrente. Applicando la regola della derivata del prodotto a ψψ * , sostituendo dapprima l'equazione di Schrödinger per una particella di massa m e carica q , in un potenziale V e potenziale vettore A

e poi facendo il cambio in coordinate polari, si ottiene

(1)

Considerando che J non è altro che ρ per il vettore velocità v , si può ottenere

Applicazioni

Un uso tipico dei superconduttori è per costruire bobine di magneti : l'uso di cavi superconduttori ne riduce di molto le dimensioni, il peso e il consumo di energia a parità di intensità di campo magnetico. Ovviamente la costruzione e il funzionamento di un magnete superconduttore è molto più costosa, richiedendo che sia mantenuto ad una temperatura inferiore a quella critica. Una tipica applicazione di questo tipo riguarda la realizzazione dei grandi toroidi dei sistemi clinici di risonanza magnetica nucleare .

I superconduttori sono stati usati in condizioni sperimentali anche su grande scala in grandi macchine come gli acceleratori del CERN , sono stai utilizzati in cavi conduttori del LEP e attualmente nell' LHC dove è necessario avere campi magnetici molto intensi (circa 9 T).

Questo ha permesso di evitare enormi dimensioni delle parti che ne sarebbero derivate, ridurre ovviamente la dispersione ohmica, ed ottenere altissime densità di corrente e di campo magnetico necessarie per gli esperimenti, in tale caso si sono adottati sia superconduttori che supermagneti.

Potenzialmente gli sviluppi possibili sono enormi in campi come accumulazione e trasmissione di energia, motori elettrici e realizzazione di grandi campi magnetici.

I superconduttori vengono utilizzati, anche se in via ancora sperimentale, come limitatori di corrente all'interno di sistemi per la trasmissione di energia in alta tensione.

È da notare peraltro che la superconduzione, in senso generale, è discretamente controllata e ben gestibile solo con correnti continue "pulite". La maggior parte degli utilizzi tecnologici attuali di potenza si hanno con correnti variabili o alternate; tali correnti inducono nei campi magnetici ampie variazioni, alle quali lo stato di superconduzione è particolarmente sensibile.

Animazione di levitazione magnetica tramite superconduttore

Con particolari configurazioni di giunzioni a materiale superconduttore si possono inoltre creare nuovi dispositivi, basati sulle giunzioni Josephson , formate da due superconduttori separati da un isolante. L'estrema sensibilità, la precisione e la velocità di transizione per la presenza di campi elettro-magnetici è utilizzata in questi dispositivi per dare misure estremamente precise di tali campi, o per ottenere commutazioni localizzate alla superconduzione (o dalla superconduzione a quella normale) estremamente sensibili e veloci; data la natura nanometrica (e quantistica) del dispositivo i tempi di commutazione sono estremamente brevi, dell'ordine dei picosecondi.

Ad esempio, le giunzioni sono utilizzate nella realizzazione di dispositivi per la misura del campo magnetico ( SQUID ) capaci di misurare valori infinitesimi di campo magnetico ed usati, anche in ambito medico, per alcuni tipi di analisi.

Queste giunzioni sono sfruttate anche in rivelatori di particelle per rivelare piccolissimi cambiamenti di temperatura causati dall'interazione con la particella da rivelare. Quando una particella attraversa il rivelatore, gli cede energia che causa un aumento di temperatura. Misurando la variazione di resistenza del rivelatore, che viene mantenuto in prossimità della temperatura critica, si può rilevare quando una particella attraversa il sensore.

Il superisolamento

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Superisolamento .

Nell'aprile del 2008 giunse notizia della scoperta all' Argonne National Laboratory (USA) da parte dei fisici Valerii Vikonur e Tatyana Baturina, con la collaborazione di altri europei, del fenomeno del superisolamento . Un sottile strato di nitruro di titanio sottoposto a raffreddamento ha mostrato, raggiunta la temperatura critica bassissima di 70 millikelvin con un campo magnetico di circa 1 Tesla, una caduta di circa 100 000 volte nella sua capacità di conduzione. Le modalità di transizione al nuovo stato sembrano simili a quella della superconduzione, come ad esempio la sensibilità alla presenza di un campo magnetico [33] .

Note

  1. ^ L' effetto Meissner-Ochsenfeld , cioè il fatto che alcuni materiali espellono il campo magnetico presente al loro interno quando al diminuire della temperatura passano nello stato superconduttore, indica che la superconduttività non può essere spiegata come un perfetto conduttore della fisica classica . Un conduttore normale (per la legge di Faraday ) espelle quasi completamente un campo magnetico se si aumenta improvvisamente il flusso concatenato, ma l'espulsione del campo magnetico da parte di un superconduttore può avvenire anche se il flusso concatenato non varia e cambia la temperatura passando il materiale dallo stato normale a quello superconduttore.
  2. ^ JG Bednorz e KA Müller, Possible high T c superconductivity in the Ba−La−Cu−O system , in Z. Phys. B , vol. 64, n. 1, 1986, pp. 189–193, Bibcode : 1986ZPhyB..64..189B , DOI : 10.1007/BF01303701 .
  3. ^ MK Wu, JR Ashburn, CJ Torng, PH Hor, RL Meng, L Gao, ZJ Huang, YQ Wang e CW Chu, Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure , in Physical Review Letters , vol. 58, 1987, pp. 908–910, Bibcode : 1987PhRvL..58..908W , DOI : 10.1103/PhysRevLett.58.908 , PMID 10035069 .
  4. ^ Alan Durrant, Quantum Physics of Matter , CRC Press, 2000, pp. 102–103, ISBN 0-7503-0721-8 .
  5. ^ HK Onnes, The resistance of pure mercury at helium temperatures , in Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden , vol. 12, 1911, p. 120.
  6. ^ D. vanDelft, P. Kes,The Discovery of Superconductivity ( PDF ), in Physics Today , vol. 63, 2010, pp. 38–43, Bibcode : 2010PhT....63i..38V , DOI : 10.1063/1.3490499 .
  7. ^ W. Meissner, R. Ochsenfeld, Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit [ collegamento interrotto ] , in Naturwissenschaften , vol. 21, n. 44, 1933, pp. 787–788, Bibcode : 1933NW.....21..787M , DOI : 10.1007/BF01504252 .
  8. ^ F. London e H. London, The Electromagnetic Equations of the Supraconductor , in Proceedings of the Royal Society of London A , vol. 149, 1935, pp. 71–88, Bibcode : 1935RSPSA.149...71L , DOI : 10.1098/rspa.1935.0048 , JSTOR 96265 .
  9. ^ E. Maxwell, Isotope Effect in the Superconductivity of Mercury , in Physical Review , vol. 78, 1950, p. 477, Bibcode : 1950PhRv...78..477M , DOI : 10.1103/PhysRev.78.477 .
  10. ^ CA Reynolds, B. Serin, WH Wright e LB Nesbitt, Superconductivity of Isotopes of Mercury , in Physical Review , vol. 78, 1950, p. 487, Bibcode : 1950PhRv...78..487R , DOI : 10.1103/PhysRev.78.487 .
  11. ^ GB Yntema, “Superconducting Winding for Electromagnet”, Phys. Rev. 98, 1197 (1955)
  12. ^ VL Ginzburg e LD Landau, On the theory of superconductivity , in Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki , vol. 20, 1950, p. 1064.
  13. ^ J. Bardeen, LN Cooper e JR Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity , in Physical Review , vol. 106, 1957, pp. 162–164, Bibcode : 1957PhRv..106..162B , DOI : 10.1103/PhysRev.106.162 .
  14. ^ NN Bogoljubov, A new method in the theory of superconductivity , in Žurnal Eksperimental'noj i Teoretičeskoj Fiziky , vol. 34, 1958.
  15. ^ LP Gor'kov, Microscopic derivation of the Ginzburg—Landau equations in the theory of superconductivity , in Žurnal Eksperimental'noj i Teoretičeskoj Fiziky , vol. 36, 1959, p. 1364.
  16. ^ M. Combescot; WV Pogosov and O. Betbeder-Matibet, BCS ansatz for superconductivity in the light of the Bogoliubov approach and the Richardson–Gaudin exact wave function , in Physica C: Superconductivity , vol. 485, 2013, pp. 47–57, Bibcode : 2013PhyC..485...47C , DOI : 10.1016/j.physc.2012.10.011 , arXiv : 1111.4781 .
  17. ^ R. Doll and M. Nabauer, Phys. Rev. Lett. 1961, 7 51
  18. ^ F. London, Superfluids John Wiley and Sons, New York, 1950
  19. ^ B. Josephson, Possible new effects in superconductive tunnelling , Physics Letters, 1 pp. 251–253. "Possible new effects in superconductive tunnelling"
  20. ^ R. Jaklevic, JJ Lambe, J. Mercereau and A. Silver, Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling , Phys. Rev. Lett. 12, 159 (1964)
  21. ^ P. Dai, BC Chakoumakos, GF Sun, KW Wong, Y. Xin and DF Lu, Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ by Tl substitution , in Physica C , vol. 243, 3–4, 1995, pp. 201–206, Bibcode : 1995PhyC..243..201D , DOI : 10.1016/0921-4534(94)02461-8 .
  22. ^ JC Gallop, the Josephson Effects and Superconducting Electronics , CRC Press, 1990, ISBN 0-7503-0051-5
  23. ^ M. Van Camp et al., Geophysics From Terrestrial Time-Variable Gravity Measurements, Reviews of Geophysics , 2017, DOI : 10.1002/2017rg000566 , ISSN 1944-9208 ( WC · ACNP )
  24. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani e J. Akimitsu, Nature , vol. 410, 2001, pp. 63–64, Bibcode : 2001Natur.410...63N , DOI : 10.1038/35065039 , PMID 11242039 , https://oadoi.org/10.1038/35065039 .
  25. ^ RL Dolecek, Adiabatic Magnetization of a Superconducting Sphere , in Physical Review , vol. 96, 1954, pp. 25–28, Bibcode : 1954PhRv...96...25D , DOI : 10.1103/PhysRev.96.25 .
  26. ^ H. Kleinert, Disorder Version of the Abelian Higgs Model and the Order of the Superconductive Phase Transition ( PDF ), in Lettere al Nuovo Cimento , vol. 35, 1982, pp. 405–412, DOI : 10.1007/BF02754760 .
  27. ^ J. Hove, S. Mo e A. Sudbo, Vortex interactions and thermally induced crossover from type-I to type-II superconductivity ( PDF ), in Physical Review B , vol. 66, 2002, p. 064524, Bibcode : 2002PhRvB..66f4524H , DOI : 10.1103/PhysRevB.66.064524 , arXiv : cond-mat/0202215 .
  28. ^ LD Landau e EM Lifschitz, Electrodynamics of Continuous Media , in Course of Theoretical Physics , vol. 8, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1984, ISBN 0-7506-2634-8 .
  29. ^ DJE Callaway, On the remarkable structure of the superconducting intermediate state , in Nuclear Physics B , vol. 344, 1990, pp. 627–645, Bibcode : 1990NuPhB.344..627C , DOI : 10.1016/0550-3213(90)90672-Z .
  30. ^ Abrikosov, AA (1957). The magnetic properties of superconducting alloys . Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2(3), 199-208.
  31. ^ a b c articolo su phys.org , su phys.org . URL consultato il 27 luglio 2012 .
  32. ^ Semi-Meissner state and nonpairwise intervortex interactions in type-1.5 superconductors , Physical Review B, vol. 84, Issue 13, id. 134515, mese di Ottobre 2011
  33. ^ R. Fazio, Condensed-matter physics: Opposite of a superconductor , in Nature , n. 452, 2008, pp. 542-543, DOI : 10.1038/452542a .

Bibliografia

  • ( EN ) JR Schrieffer. Theory of Superconductivity (Frontiers in Physics) . New York, Benjamin-Cummings Publishing Company, 1988. ISBN 978-0-8053-8501-4
  • ( EN ) M. Tinkham. Introduction to Superconductivity . New York, Dover, 2005. ISBN 0-486-43503-2
  • ( EN ) A. Barone, G. Paternò. Physics and Applications of the Josephson Effect . New York, John Wiley & Sons, 1982.
  • ( EN ) JC Gallop, the Josephson Effects and Superconducting Electronics , CRC Press, 1990, ISBN 0-7503-0051-5
  • ( EN ) PG de Gennes. Superconductivity of metals and alloys . New York, WA Benjamin, Inc., 1966
  • ( EN ) RD Parks. Superconductivity . CRC Press, 1969 ISBN 0-8247-1520-9
  • ( EN ) G Rickayzen. Theory of Superconductivity . New York, Wiley-Interscience, 1965.
  • ( EN ) J. Bardeen, L. Cooper, JR Schriffer Theory of Superconductivity (1957) ristampato da NN Bogoliubov (1963), Vol. 4 , CRC Press, ISBN 0677000804
  • L. Landau, E. Lifsits, L. Pitaevskij. Fisica Teorica 8: Elettrodinamica dei mezzi continui . Roma, Editori Riuniti, 1978. (effetto Meissner)
  • L. Landau, E. Lifsits, L. Pitaevskij. Fisica Teorica 9: Fisica statistica . Roma, Editori Riuniti, 1981. (teoria di Ginzburg-Landau e teoria BCS)

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 25913 · LCCN ( EN ) sh85130584 · GND ( DE ) 4058651-0 · BNF ( FR ) cb12109872v (data) · BNE ( ES ) XX540935 (data) · NDL ( EN , JA ) 00573596