Ի՞նչ է գերհաղորդականության ֆենոմենը: Գերհաղորդունակությունը երևույթ է, որն ունի զրոյական էլեկտրական դիմադրություն և մագնիսական հոսքի դաշտեր, որոնք առաջանում են որոշ նյութերում, որոնք կոչվում են գերհաղորդիչներ, երբ սառչում են բնորոշ կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր:
Երևույթը հայտնաբերել է հոլանդացի ֆիզիկոս Հայկե Կամերլինգ-Օննեսը 1911 թվականի ապրիլի 8-ին Լեյդենում։ Ինչպես ֆերոմագնիսականությունը և ատոմային սպեկտրային գծերը, այնպես էլ գերհաղորդականությունը քվանտային մեխանիկական երևույթ է։ Այն բնութագրվում է Մայսների էֆեկտով՝ մագնիսական դաշտի գծերի ամբողջական արտանետում գերհաղորդիչի ներսից գերհաղորդիչ վիճակի անցնելու ժամանակ:
Սա է գերհաղորդականության ֆենոմենի էությունը։ Մայսների էֆեկտի ի հայտ գալը ցույց է տալիս, որ գերհաղորդականությունը չի կարող ընկալվել պարզապես որպես իդեալական հաղորդունակության իդեալականացում դասական ֆիզիկայում:
Ինչ է գերհաղորդականության ֆենոմենը
Մետաղական հաղորդիչի էլեկտրական դիմադրությունը աստիճանաբար նվազում է, քանի որջերմաստիճանի իջեցում. Ընդհանուր հաղորդիչներում, ինչպիսիք են պղնձը կամ արծաթը, այս կրճատումը սահմանափակվում է կեղտերով և այլ թերություններով: Նույնիսկ բացարձակ զրոյի մոտ, նորմալ հաղորդիչի իրական նմուշը որոշակի դիմադրություն է ցույց տալիս: Գերհաղորդիչում դիմադրությունը կտրուկ իջնում է մինչև զրոյի, երբ նյութը սառչում է իր կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր: Գերհաղորդիչ մետաղալարերի հանգույցով էլեկտրական հոսանքը կարող է անորոշ ժամանակով պահպանվել առանց էներգիայի աղբյուրի: Սա է այն հարցի պատասխանը, թե որն է գերհաղորդականության ֆենոմենը։
Պատմություն
1911 թվականին, երբ ուսումնասիրում էին նյութի հատկությունները շատ ցածր ջերմաստիճաններում, հոլանդացի ֆիզիկոս Հայկե Կամերլինգ Օննեսը և նրա թիմը հայտնաբերեցին, որ սնդիկի էլեկտրական դիմադրությունը իջնում է մինչև զրոյի՝ 4,2 Կ-ից (-269°C): Սա գերհաղորդականության երևույթի առաջին դիտարկումն էր։ Քիմիական տարրերի մեծ մասը դառնում է գերհաղորդիչ բավական ցածր ջերմաստիճանի դեպքում:
Որոշակի կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր նյութերը անցնում են գերհաղորդիչ վիճակի, որը բնութագրվում է երկու հիմնական հատկությամբ. առաջինը, նրանք չեն դիմադրում էլեկտրական հոսանքի անցմանը: Երբ դիմադրությունը իջնում է զրոյի, հոսանքը կարող է շրջանառվել նյութի ներսում՝ առանց էներգիայի սպառման:
Երկրորդ, պայմանով, որ դրանք բավականաչափ թույլ են, արտաքին մագնիսական դաշտերը չեն թափանցում գերհաղորդիչ, այլ մնում են նրա մակերեսին: Դաշտային արտաքսման այս երևույթը հայտնի դարձավ որպես Մայսների էֆեկտ այն բանից հետո, երբ այն առաջին անգամ նկատվեց ֆիզիկոսի կողմից 1933 թվականին:
Երեք անուն, երեք տառ և թերի տեսություն
Սովորական ֆիզիկան համարժեք չի տալիսԳերհաղորդիչ վիճակի բացատրությունները, ինչպես նաև պինդ վիճակի տարրական քվանտային տեսությունը, որը դիտարկում է էլեկտրոնների վարքագիծը բյուրեղային ցանցում իոնների պահվածքից առանձին։
Միայն 1957 թվականին երեք ամերիկացի հետազոտողներ՝ Ջոն Բարդինը, Լեոն Կուպերը և Ջոն Շրիֆերը ստեղծեցին գերհաղորդականության միկրոսկոպիկ տեսությունը: Համաձայն նրանց BCS տեսության՝ էլեկտրոնները զույգերի են վերածվում ցանցային թրթռումների հետ փոխազդեցության միջոցով (այսպես կոչված՝ «ֆոնոններ»), այդպիսով ձևավորելով Կուպերի զույգեր, որոնք առանց շփման շարժվում են պինդ մարմնի ներսում։ Պինդը կարելի է դիտարկել որպես էլեկտրոնների ամպի մեջ ընկղմված դրական իոնների վանդակ: Երբ էլեկտրոնն անցնում է այս ցանցով, իոնները մի փոքր շարժվում են՝ ձգվելով էլեկտրոնի բացասական լիցքով։ Այս շարժումը առաջացնում է էլեկտրական դրական շրջան, որն իր հերթին գրավում է մեկ այլ էլեկտրոն:
Էլեկտրոնային փոխազդեցության էներգիան բավականին թույլ է, և գոլորշիները կարող են հեշտությամբ տրոհվել ջերմային էներգիայի միջոցով, ուստի գերհաղորդականությունը սովորաբար տեղի է ունենում շատ ցածր ջերմաստիճաններում: Այնուամենայնիվ, BCS տեսությունը բացատրություն չի տալիս բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների գոյությանը մոտ 80 K (-193 °C) և բարձր ջերմաստիճանում, որոնց համար պետք է ներգրավվեն էլեկտրոնների կապող այլ մեխանիզմներ: Գերհաղորդականության երևույթի կիրառումը հիմնված է վերը նշված գործընթացի վրա։
Ջերմաստիճան
1986-ին որոշ կուպրատ-պերովսկիտ կերամիկական նյութեր ունեին կրիտիկական ջերմաստիճան 90 Կ-ից բարձր (-183 °C): Այս բարձր հանգույցի ջերմաստիճանը տեսականորեն էանհնար է սովորական գերհաղորդիչների համար, ինչը հանգեցնում է նրան, որ նյութերը կոչվում են բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ: Հասանելի սառեցնող հեղուկ ազոտը եռում է 77 Կ-ում, և, հետևաբար, գերհաղորդականությունը սրանք ավելի բարձր ջերմաստիճաններում հեշտացնում է բազմաթիվ փորձեր և կիրառումներ, որոնք ավելի քիչ գործնական են ցածր ջերմաստիճաններում: Սա է այն հարցի պատասխանը, թե ինչ ջերմաստիճանում է առաջանում գերհաղորդականության երևույթը։
Դասակարգում
Գերհաղորդիչները կարելի է դասակարգել ըստ մի քանի չափանիշների, որոնք կախված են նրանց ֆիզիկական հատկությունների նկատմամբ մեր հետաքրքրությունից, դրանց մասին մեր ունեցած պատկերացումից, դրանց սառեցման թանկարժեքությունից կամ նյութից, որից նրանք պատրաստված են:
Իր մագնիսական հատկություններով
Տիպի I գերհաղորդիչներ. նրանք, որոնք ունեն միայն մեկ կրիտիկական դաշտ՝ Hc, և կտրուկ անցնում են մի վիճակից մյուսին, երբ հասնում են դրան:
2-րդ տիպի գերհաղորդիչներ. ունենալով երկու կրիտիկական դաշտ՝ Hc1 և Hc2, լինելով կատարյալ գերհաղորդիչներ ստորին կրիտիկական դաշտի տակ (Hc1) և ամբողջությամբ թողնելով գերհաղորդիչ վիճակը վերին կրիտիկական դաշտից (Hc2), լինելով խառը վիճակում: կրիտիկական դաշտերը:
Ինչպես մենք հասկանում ենք նրանց մասին
Սովորական գերհաղորդիչներ. նրանք, որոնք կարող են լիովին բացատրվել BCS տեսությամբ կամ հարակից տեսություններով:
Անսովոր գերհաղորդիչներ. նրանք, որոնք հնարավոր չէ բացատրել նման տեսությունների միջոցով, օրինակ՝ ծանր ֆերմիոնիկգերհաղորդիչներ.
Այս չափանիշը կարևոր է, քանի որ BCS տեսությունը բացատրում է սովորական գերհաղորդիչների հատկությունները 1957 թվականից ի վեր, բայց մյուս կողմից, բացարձակապես ոչ սովորական գերհաղորդիչներին բացատրող բավարար տեսություն չի եղել: Շատ դեպքերում I տիպի գերհաղորդիչները տարածված են, բայց կան մի քանի բացառություններ, ինչպիսիք են նիոբիումը, որը և՛ սովորական է, և՛ տիպի II:
Իրենց կրիտիկական ջերմաստիճանով
Ցածր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ կամ LTS. նրանք, որոնց կրիտիկական ջերմաստիճանը 30 Կ-ից ցածր է:
Բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ կամ HTS. նրանք, ում կրիտիկական ջերմաստիճանը 30 Կ-ից բարձր է: Ոմանք այժմ օգտագործում են 77 Կ որպես տարանջատում՝ ընդգծելու համար, թե արդյոք մենք կարող ենք սառեցնել նմուշը հեղուկ ազոտով (որի եռման կետը 77 Կ է), որը շատ ավելի իրագործելի է, քան հեղուկ հելիումը (այլընտրանք ցածր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ արտադրելու համար անհրաժեշտ ջերմաստիճաններին հասնելու համար):
Այլ մանրամասներ
Գերհաղորդիչը կարող է լինել I տիպի, ինչը նշանակում է, որ այն ունի մեկ կրիտիկական դաշտ, որի վերևում ամբողջ գերհաղորդականությունը կորչում է, և որի տակ մագնիսական դաշտը ամբողջությամբ վերանում է գերհաղորդիչից: Տիպ II, այսինքն, այն ունի երկու կրիտիկական դաշտ, որոնց միջև այն թույլ է տալիս մասնակի ներթափանցել մագնիսական դաշտը մեկուսացված կետերի միջով: Այս կետերը կոչվում են հորձանուտներ: Բացի այդ, բազմաբաղադրիչ գերհաղորդիչներում հնարավոր է երկու վարքագծի համադրություն: Այս դեպքում գերհաղորդիչը 1-ին տիպի է, 5.
Հատկություններ
Գերհաղորդիչների ֆիզիկական հատկությունների մեծ մասը տարբերվում է նյութից նյութ, ինչպիսիք են ջերմային հզորությունը և կրիտիկական ջերմաստիճանը, կրիտիկական դաշտը և կրիտիկական հոսանքի խտությունը, որի դեպքում գերհաղորդականությունը քայքայվում է:
Մյուս կողմից, կա հատկությունների դաս, որոնք անկախ են հիմնական նյութից: Օրինակ, բոլոր գերհաղորդիչներն ունեն բացարձակ զրոյական դիմադրողականություն ցածր կիրառական հոսանքների դեպքում, երբ մագնիսական դաշտ չկա, կամ երբ կիրառական դաշտը չի գերազանցում կրիտիկական արժեքը:
Այս ունիվերսալ հատկությունների առկայությունը ենթադրում է, որ գերհաղորդականությունը թերմոդինամիկական փուլ է և, հետևաբար, ունի որոշակի տարբերակիչ հատկություններ, որոնք հիմնականում անկախ են մանրադիտակային մանրամասներից:
Իրավիճակն այլ է գերհաղորդիչում. Պայմանական գերհաղորդիչում էլեկտրոնային հեղուկը չի կարող բաժանվել առանձին էլեկտրոնների: Փոխարենը, այն բաղկացած է էլեկտրոնների կապված զույգերից, որոնք հայտնի են որպես Կուպերի զույգեր։ Այս զուգավորումը պայմանավորված է էլեկտրոնների միջև ֆոնոնների փոխանակման արդյունքում առաջացող գրավիչ ուժով: Քվանտային մեխանիկայի շնորհիվ Կուպերի զույգի այս հեղուկի էներգետիկ սպեկտրն ունի էներգիայի բացվածք, այսինքն՝ կա ΔE էներգիայի նվազագույն քանակ, որը պետք է մատակարարվի հեղուկը գրգռելու համար։
Հետևաբար, եթե ΔE-ն ավելի մեծ է, քան kT-ով տրված վանդակաճաղի ջերմային էներգիան, որտեղ k-ը Բոլցմանի հաստատունն է, իսկ T-ն՝ ջերմաստիճանը, ապա հեղուկը չի ցրվի ցանցի միջոցով: ԱյսպիսովԱյսպիսով, Կուպերի գոլորշու հեղուկը գերհեղուկ է, ինչը նշանակում է, որ այն կարող է հոսել առանց էներգիայի ցրելու։
Գերհաղորդականության բնութագրեր
Գերհաղորդիչ նյութերում գերհաղորդականության բնութագրերը հայտնվում են, երբ T ջերմաստիճանը իջնում է կրիտիկական Tc ջերմաստիճանից ցածր: Այս կրիտիկական ջերմաստիճանի արժեքը տարբեր նյութից տարբերվում է: Սովորական գերհաղորդիչներն ունեն կրիտիկական ջերմաստիճաններ, որոնք տատանվում են մոտ 20 Կ-ից մինչև 1 Կ-ից պակաս:
Օրինակ, պինդ սնդիկի կրիտիկական ջերմաստիճանը կազմում է 4,2 Կ: 2015 թվականի դրությամբ սովորական գերհաղորդիչների համար հայտնաբերված ամենաբարձր կրիտիկական ջերմաստիճանը 203 K է H2S-ի համար, թեև պահանջվում էր մոտ 90 գիգապասկալ բարձր ճնշում: Գավաթային գերհաղորդիչները կարող են շատ ավելի բարձր կրիտիկական ջերմաստիճաններ ունենալ. YBa2Cu3O7, որը հայտնաբերված առաջին գավաթային գերհաղորդիչներից մեկն է, ունի 92 Կ կրիտիկական ջերմաստիճան, և հայտնաբերվել են սնդիկի վրա հիմնված 130 Կ-ից ավելի կրիտիկական ջերմաստիճան ունեցող կուպրատներ: Այս բարձր կրիտիկական ջերմաստիճանների բացատրությունը մնում է: անհայտ։
Ֆոնոնների փոխանակման շնորհիվ էլեկտրոնների զուգավորումը բացատրում է գերհաղորդականությունը սովորական գերհաղորդիչների մեջ, բայց չի բացատրում գերհաղորդականությունը նոր գերհաղորդիչների մոտ, որոնք ունեն շատ բարձր կրիտիկական ջերմաստիճան:
Մագնիսական դաշտեր
Նմանապես, կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր ֆիքսված ջերմաստիճանում, գերհաղորդիչ նյութերը դադարում են գերհաղորդունակությունից, երբ կիրառվում է արտաքին մագնիսական դաշտ, որն ավելի մեծ է, քանկրիտիկական մագնիսական դաշտ. Դա պայմանավորված է նրանով, որ գերհաղորդիչ փուլի Գիբսի ազատ էներգիան մագնիսական դաշտի հետ ավելանում է քառակուսի, մինչդեռ նորմալ փուլի ազատ էներգիան մոտավորապես անկախ է մագնիսական դաշտից:
Եթե նյութը գերհաղորդիչ է դաշտի բացակայության դեպքում, ապա գերհաղորդիչ փուլի ազատ էներգիան ավելի փոքր է, քան սովորական փուլը, և հետևաբար, մագնիսական դաշտի որոշ վերջավոր արժեքի համար (քառակուսիին համաչափ ազատ էներգիաների տարբերության արմատը զրոյի վրա), երկու ազատ էներգիաները հավասար կլինեն, և կլինի փուլային անցում դեպի նորմալ փուլ: Ընդհանուր առմամբ, ավելի բարձր ջերմաստիճանը և ավելի ուժեղ մագնիսական դաշտը հանգեցնում են գերհաղորդիչ էլեկտրոնների ավելի փոքր մասնաբաժնի և, հետևաբար, արտաքին մագնիսական դաշտերի և հոսանքների Լոնդոն ներթափանցման ավելի մեծ խորության: Ներթափանցման խորությունը դառնում է անսահման փուլային անցման ժամանակ:
Ֆիզիկական
Գերհաղորդականության սկիզբը ուղեկցվում է տարբեր ֆիզիկական հատկությունների կտրուկ փոփոխություններով, ինչը փուլային անցման հատկանիշն է: Օրինակ, էլեկտրոնի ջերմային հզորությունը համաչափ է նորմալ (ոչ գերհաղորդիչ) ռեժիմում գտնվող ջերմաստիճանին: Գերհաղորդիչ անցման ժամանակ այն ցատկում է ապրում և դրանից հետո դադարում է գծային լինել։ Ցածր ջերմաստիճաններում այն փոխվում է e−α/T-ի փոխարեն որոշ α հաստատունի համար։ Այս էքսպոնենցիալ վարքագիծը էներգիայի ճեղքի գոյության ապացույցներից մեկն է։
Փուլի անցում
Գերհաղորդականության երևույթի բացատրությունը բավականին էակնհայտորեն. Գերհաղորդիչ փուլի անցման կարգը երկար ժամանակ քննարկվել է։ Փորձերը ցույց են տալիս, որ չկա երկրորդ կարգի անցում, այսինքն՝ թաքնված ջերմություն։ Այնուամենայնիվ, արտաքին մագնիսական դաշտի առկայության դեպքում կա թաքնված ջերմություն, քանի որ գերհաղորդիչ փուլն ունի ավելի ցածր էնտրոպիա՝ կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր, քան նորմալ փուլը։
Փորձնական կերպով ցույց տվեց հետևյալը. երբ մագնիսական դաշտը մեծանում է և դուրս է գալիս կրիտիկական դաշտից, արդյունքում փուլային անցումը հանգեցնում է գերհաղորդիչ նյութի ջերմաստիճանի նվազմանը: Գերհաղորդականության ֆենոմենը համառոտ նկարագրվել է վերևում, այժմ ժամանակն է ձեզ ինչ-որ բան պատմել այս կարևոր էֆեկտի նրբությունների մասին:
1970-ականներին կատարված հաշվարկները ցույց տվեցին, որ այն իրականում կարող էր ավելի թույլ լինել, քան առաջին կարգը՝ էլեկտրամագնիսական դաշտի հեռահար տատանումների ազդեցության պատճառով։ 1980-ականներին տեսականորեն ցուցադրվեց՝ օգտագործելով դաշտի խանգարման տեսությունը, որտեղ գերհաղորդիչ հորձանուտի գծերը մեծ դեր են խաղում, որ անցումը երկրորդ կարգի է II տիպի ռեժիմում և առաջին կարգի (այսինքն՝ թաքնված ջերմություն)՝ I տիպի ռեժիմում, և որ երկու շրջանները բաժանված են եռաչափ կետով։
Արդյունքները խստորեն հաստատվել են Մոնտե Կառլոյում համակարգչային սիմուլյացիաների միջոցով: Սա կարևոր դեր խաղաց գերհաղորդականության ֆենոմենի ուսումնասիրության մեջ։ Ներկա պահին աշխատանքները շարունակվում են։ Գերհաղորդականության երևույթի էությունը լիովին ընկալված և բացատրված չէ ժամանակակից գիտության տեսանկյունից:
