Historie supravodivosti - History of superconductivity

Supravodivost je jev určitých materiálů vykazujících nulový elektrický odpor a vytlačování magnetických polí pod charakteristickou teplotu . Historie supravodivosti začal s holandským fyzikem Heike Kamerlingh Onnes ‚s objevem supravodivosti v rtuti v roce 1911. Od té doby se mnoho jiných supravodivé materiály byly objeveny a byla vyvinuta teorie supravodivosti. Tyto předměty zůstávají aktivními oblastmi studia v oblasti fyziky kondenzovaných látek .

S pomocí na Van der Waalsovy " stavové rovnice , parametry kritického bodu plynů mohly být přesně předpovědět z termodynamických měření provedených při mnohem vyšších teplotách. Heike Kamerlingh Onnes byla výrazně ovlivněna průkopnickou prací Van der Waalsa.
V roce 1908 jako první vyrobil tekuté helium Heike Kamerlingh Onnes, což vedlo přímo k jeho objevu supravodivosti v roce 1911.
Heike Kamerlingh Onnes (vpravo), objevitel supravodivosti. Po jeho levici stojí Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz , Niels Bohr .

Zkoumání extrémně studených jevů (do roku 1908)

James Dewar zahájil výzkum elektrického odporu při nízkých teplotách. Dewar a John Ambrose Flemingovi předpovídali, že při absolutní nule se z čistých kovů stanou dokonalé elektromagnetické vodiče (Dewar však později změnil svůj názor na vymizení odporu v domnění, že nějaký odpor vždy bude). Walther Hermann Nernst vyvinul třetí termodynamický zákon a uvedl, že absolutní nula je nedosažitelná. Carl von Linde a William Hampson , oba komerční výzkumníci, téměř současně podali žádost o patenty na Joule -Thomsonův efekt na zkapalňování plynů . Patent společnosti Linde byl vrcholem 20 let systematického zkoumání zjištěných skutečností pomocí metody regeneračního protiproudu. Hampsonovy návrhy byly také regenerační metodou. Kombinovaný proces se stal známým jako zkapalňovací proces Hampson – Linde .

Onnes si pro svůj výzkum koupil stroj Linde. 21. března 1900 byl Nikola Tesla udělen patent na prostředky pro zvýšení intenzity elektrických oscilací snížením teploty, což bylo způsobeno sníženým odporem. V tomto patentu popisuje zvýšenou intenzitu a trvání elektrických oscilací nízkoteplotního rezonančního obvodu. Předpokládá se, že Tesla zamýšlela, že k získání chladicích prostředků bude použit stroj Linde.

Milník byl dosažen 10. července 1908, kdy Heike Kamerlingh Onnes na univerzitě v Leidenu v Nizozemsku poprvé vyrobila zkapalněné helium , které má při atmosférickém tlaku bod varu 4,2 kelvinu .

Náhlé a zásadní zmizení

Heike Kamerlingh Onnes a Jacob Clay reinvestigovali dřívější Dewarovy experimenty na snížení odporu při nízkých teplotách. Onnes zahájil vyšetřování platinou a zlatem a později je nahradil rtutí (snadněji rafinovatelný materiál). Onnesův výzkum rezistivity pevné rtuti při kryogenních teplotách byl proveden použitím kapalného hélia jako chladiva. 8. dubna 1911, 16:00 hodin, si Onnes všiml „Kwik nagenoeg nul“, což v překladu znamená „[Odpor] rtuti téměř nulový“. Při teplotě 4,19 K pozoroval, že měrný odpor náhle zmizel (měřicí zařízení, které Onnes používal, nenaznačovalo žádný odpor). Onnes odhalil svůj výzkum v roce 1911 v článku s názvem „ O náhlé rychlosti, při které odpor Merkuru mizí. “ Onnes v tomto článku uvedl, že „specifický odpor“ se stal v porovnání s nejlepším obyčejným vodičem tisíckrát menší. teplota. Onnes později obrátil proces a zjistil, že při 4,2 K se odpor vrátil k materiálu. Příští rok publikoval Onnes další články o tomto jevu. Onnes původně jev nazýval „ supravodivost “ (1913) a až později přijal termín „ supravodivost “. Za svůj výzkum získal v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku .

Onnes provedl v roce 1912 experiment na použitelnosti supravodivosti. Onnes zavedl elektrický proud do supravodivého prstence a vyjmul baterii, která jej generovala. Při měření elektrického proudu Onnes zjistil, že jeho intenzita s časem neklesá. Proud přetrvával kvůli supravodivému stavu vodivého média.

V následujících desetiletích byla supravodivost nalezena v několika dalších materiálech; V roce 1913 olovo na 7 K, ve 30. letech niob na 10 K a v roce 1941 nitrid niobu na 16 K.

Hádanky a řešení (1933–)

Další důležitý krok v porozumění supravodivosti nastal v roce 1933, kdy Walther Meissner a Robert Ochsenfeld zjistili, že supravodiče vypuzují aplikovaná magnetická pole, což je fenomén, kterému se začalo říkat Meissnerův efekt . V roce 1935 bratři Fritz London a Heinz London ukázali, že Meissnerův efekt byl důsledkem minimalizace elektromagnetické volné energie přenášené supravodivým proudem. V roce 1950 navrhli Lev Landau a Vitaly Ginzburg fenomenologickou Ginzburg – Landauovu teorii supravodivosti .

Teorie Ginzburg – Landau, která kombinovala Landauovu teorii fázových přechodů druhého řádu s vlnovou rovnicí podobnou Schrödingerovi , měla velký úspěch při vysvětlování makroskopických vlastností supravodičů. Alexej Abrikosov zejména ukázal, že teorie Ginzburg – Landau předpovídá rozdělení supravodičů do dvou kategorií, které se nyní označují jako typ I a typ II. Abrikosov a Ginzburg získali za svou práci Nobelovu cenu za fyziku za rok 2003 (Landau zemřel v roce 1968). Také v roce 1950 Emanuel Maxwell a téměř současně CA Reynolds et al. zjistil, že kritická teplota supravodiče závisí na izotopové hmotnosti prvku, který jej tvoří . Tento důležitý objev poukázal na interakci elektron-fonon jako mikroskopický mechanismus zodpovědný za supravodivost.

BCS teorie

Kompletní mikroskopickou teorii supravodivosti nakonec v roce 1957 navrhli John Bardeen , Leon N. Cooper a Robert Schrieffer . Tato teorie BCS vysvětlovala supravodivý proud jako superfluid Cooperových párů , párů elektronů interagujících prostřednictvím výměny fononů . Za tuto práci získali autoři Nobelovu cenu za fyziku v roce 1972. Teorie BCS byla postavena na pevnějším základě v roce 1958, kdy Nikolay Bogolyubov ukázal, že lze získat vlnovou funkci BCS, která byla původně odvozena z variačního argumentu. pomocí kanonické transformace elektronického hamiltoniánu . V roce 1959 Lev Gor'kov ukázal, že teorie BCS se snížila na Ginzburg-Landauovu teorii blízkou kritické teplotě. Gor'kov byl první, kdo odvodil rovnici supravodivého fázového vývoje .

Little – Parksův efekt

Malý-Parks účinek byl objeven v roce 1962 v experimentech s prázdnými a tenkostěnných supravodivých válců vystaveny paralelní magnetického pole . Elektrický odpor takových lahví ukazuje periodické kmitání s magnetickým tokem přes válce, doba je H / 2 E  = 2,07 x 10 -15 V · s. William Little a Ronald Parks vysvětlili, že odporová oscilace odráží zásadnější jev, tj. Periodickou oscilaci supravodivé kritické teploty ( T c ). To je teplota, při které se vzorek stává supravodivým. Little-Parksův efekt je výsledkem kolektivního kvantového chování supravodivých elektronů. Odráží obecný fakt, že kvantizací v supravodičích je spíše fluxoid než tok. Efekt Little-Parks ukazuje, že vektorový potenciál se spojí s pozorovatelnou fyzikální veličinou, jmenovitě supravodivou kritickou teplotou.

Obchodní činnost

Hlavní článek: Technologické aplikace supravodivosti

Brzy po objevení supravodivosti v roce 1911 se Kamerlingh Onnes pokusil vyrobit elektromagnet se supravodivými vinutími, ale zjistil, že relativně nízké magnetické pole zničilo supravodivost v materiálech, které zkoumal. Mnohem později, v roce 1955, se George Yntemovi podařilo zkonstruovat malý 0,7-teslový železný elektromagnet se supravodivými niobovými vinutími. Potom, v roce 1961, JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu a JH Wernick učinili překvapivý objev, že při 4,2 kelvinech je sloučenina skládající se ze tří částí niobu a jednoho dílu cínu schopna podporovat proudovou hustotu více než 100 000 ampér na centimetr čtvereční v magnetickém poli 8,8 tesla. Navzdory tomu, že je niob-cín křehký a obtížně vyrobitelný, se od té doby ukázal jako mimořádně užitečný v supermagnetech generujících magnetická pole až 20 teslas. V roce 1962 Ted Berlincourt a Richard Hake zjistili, že méně křehké slitiny niobu a titanu jsou vhodné pro aplikace do 10 teslas. Okamžitě poté byla zahájena komerční výroba niob-titanového supermagnetového drátu ve společnostech Westinghouse Electric Corporation a Wah Chang Corporation. Ačkoli se niob-titan může pochlubit méně působivými supravodivými vlastnostmi než vlastnosti niobu-cínu, niob-titan se přesto stal nejpoužívanějším supermagnetickým materiálem „pracovního koně“, což je do značné míry důsledkem jeho velmi vysoké tvárnosti a snadnosti výroby. Jak niob-cín, tak niob-titan však nacházejí široké uplatnění v lékařských zobrazovacích zařízeních MRI, ohýbacích a zaostřovacích magnetech pro obrovské urychlovače částic s vysokou energií a v řadě dalších aplikací. Conectus, evropské konsorcium pro supravodivost, odhadovalo, že v roce 2014 činila globální ekonomická aktivita, pro kterou byla supravodivost nepostradatelná, zhruba pět miliard eur, přičemž systémy MRI představovaly asi 80% z této částky.

V roce 1962 učinil Brian Josephson důležitou teoretickou předpověď, že superproud může proudit mezi dvěma kusy supravodiče oddělenými tenkou vrstvou izolátoru. Tento jev, nyní nazývaný Josephsonův efekt , využívají supravodivá zařízení, jako jsou SQUID . Používá se v nejpřesnějších dostupných měřeních magnetického toku kvantového h /2 e , a tedy (ve spojení s kvantovým Hallovým odporem ) pro Planckovu konstantu h . Josephson získal za tuto práci v roce 1973 Nobelovu cenu za fyziku .

V roce 1973 Nb
3Ge zjistil, že má T c 23 K, které zůstalo nejvyšším okolním tlakem T c až do objevu vysokoteplotních supravodičů cuprate v roce 1986 (viz níže).

Vysokoteplotní supravodiče

Hlavní článek: Vysokoteplotní supravodiče
Časová osa supravodiče

V roce 1986 J. Georg Bednorz a K. Alex Mueller objevili supravodivost v kopovanovém perovskitovém materiálu na bázi lanthanu , který měl přechodovou teplotu 35 K (Nobelova cena za fyziku, 1987) a byl prvním z vysokoteplotních supravodičů . Brzy bylo zjištěno (podle Ching-Wu Chu ), že nahrazení lanthanu yttriem , tj. Výroba YBCO , zvýšila kritickou teplotu na 92 ​​K, což bylo důležité, protože kapalný dusík pak mohl být použit jako chladivo (při atmosférickém tlaku, varu bod dusíku je 77 K). To je z obchodního hlediska důležité, protože kapalný dusík lze levně vyrábět na místě bez surovin a není náchylný k některým problémům (pevné vzduchové zátky atd.) Helia v potrubí. Od té doby bylo objeveno mnoho dalších supravodičů měďnatého a teorie supravodivosti v těchto materiálech je jednou z hlavních vynikajících výzev teoretické fyziky kondenzovaných látek .

V březnu 2001 supravodivost diboridu hořečnatého ( MgB
2) byl nalezen s T c = 39 K.

V roce 2008 byly objeveny supravodiče na bázi oxypniktidu nebo železa , což vedlo k záplavě práce v naději, že jejich studium poskytne teorii supravodičů cuprate.

V roce 2013 byla supravodivost při pokojové teplotě dosažena v YBCO na pikosekundy pomocí krátkých pulzů infračerveného laserového světla k deformaci krystalové struktury materiálu.

V roce 2017 bylo navrženo, že neobjevené supertvrdé materiály (např. Kriticky dopovaný beta-titan Au) by mohly být kandidátem na nový supravodič s Tc, podstatně vyšší než HgBaCuO (138 K), možná až 233 K, což by bylo ještě vyšší než H 2 S. Mnoho výzkumů naznačuje, že měď v některých perovskitech může nahradit také nikl, což nabízí jinou cestu k pokojové teplotě. Lze také použít materiály dotované Li+, tj. Materiál baterie Spinel LiTi 2 O x a tlak v mřížce může zvýšit Tc na více než 13,8 K. Rovněž LiHx byl teoretizován k metalizaci při podstatně nižším tlaku než H a mohl by být kandidátem na Supravodič typu 1.

Historické publikace

Referáty HK Onnes

  • „Odolnost čisté rtuti při teplotách helia“. Comm. Leiden . 28. dubna 1911.
  • „Zmizení měrného odporu rtuti“. Comm. Leiden . 27. května 1911.
  • „O náhlé změně rychlosti, s jakou odpor rtuti mizí“. Comm. Leiden . 25. listopadu 1911.
  • „Imitace ampérového molekulárního proudu nebo permanentního magnetu pomocí supravodiče“. Comm. Leiden . 1914.

BCS teorie

Další klíčové dokumenty

  • W. Meissner a R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21 , 787 (1933), doi : 10,1007/BF01504252
  • F. London a H. London, „The elektromagnetromagnetic equations of the supraconductor,“ Proc. Roy. Soc. (Londýn) A149 , 71 (1935), ISSN 0080-4630 .
  • VL Ginzburg a LD Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064 (1950)
  • E. Maxwell, „Izotopový efekt v supravodivosti rtuti“ Phys. Rev. 78 , 477 (1950), doi : 10,1103/PhysRev.78.477
  • CA Reynolds a kol. "Supravodivost izotopů rtuti", Phys. Rev. 78 , 487 (1950), doi : 10,1103/PhysRev. 78,487
  • AA Abrikosov, „O magnetických vlastnostech supravodičů druhé skupiny“, Sovětská fyzika JETP 5 , 1174 (1957)
  • WA Little a RD Parks, „Pozorování kvantové periodicity v přechodové teplotě supravodivého válce“, Phys. Rev.Lett. 9 , 9 (1962) doi : 10,1103/PhysRevLett.9.9
  • BD Josephson, „Možné nové efekty v supravodivém tunelování“, Physics Letters 1 , 251 (1962), doi : 10.1016/0031-9163 (62) 91369-0

Patenty

  • Tesla, Nikola, americký patent 685 012 „ Prostředky pro zvýšení intenzity elektrických oscilací “, 21. března 1900.

Viz také

Externí odkazy a reference