История сверхпроводимости - History of superconductivity

Сверхпроводимость это явление, когда некоторые материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление и изгнание магнитные поля ниже характеристики температура. В история сверхпроводимости началось с голландского физик Хайке Камерлинг-Оннес открытие сверхпроводимости в Меркурий в 1911 году. С тех пор были открыты многие другие сверхпроводящие материалы и разработана теория сверхпроводимости. Эти предметы остаются активными областями изучения в области физика конденсированного состояния.

С помощью Ван дер Ваальс ' уравнение состояния параметры критических точек газов могут быть точно предсказаны на основе термодинамических измерений, выполненных при гораздо более высоких температурах. Хайке Камерлинг-Оннес находился под значительным влиянием новаторских работ Ван дер Ваальса.[1][2][3]
В 1908 году Хайке Камерлинг-Оннес стала первой, кто изготовил жидкий гелий и это непосредственно привело к его открытию в 1911 году сверхпроводимости.
Хайке Камерлинг-Оннес (справа), первооткрыватель сверхпроводимости. Поль Эренфест, Хендрик Лоренц, Нильс Бор встаньте слева от него.

Изучение сверххолодных явлений (до 1908 г.)

Джеймс Дьюар инициировал исследования электрического сопротивления при низких температурах. Дьюара и Джон Амброуз Флеминг предсказал, что в абсолютный ноль чистые металлы стали бы идеальными электромагнитными проводниками (хотя позже Дьюар изменил свое мнение об исчезновении сопротивления, полагая, что какое-то сопротивление всегда будет). Вальтер Германн Нернст разработал третий закон термодинамики и заявил, что абсолютный ноль недостижим. Карл фон Линде и Уильям Хэмпсон, оба коммерческих исследователя, почти одновременно подали заявки на патенты на Эффект Джоуля – Томсона для сжижение газов. Патент Linde стал кульминацией 20-летнего систематического исследования установленных фактов с использованием регенеративного метода противотока. В конструкции Хэмпсона также использовался регенеративный метод. Комбинированный процесс получил название Процесс сжижения Хэмпсона – Линде.

Оннес купил машину Linde для своих исследований. 21 марта 1900 г. Никола Тесла получил патент на средство увеличения силы электрического колебания за счет понижения температуры, вызванного пониженным сопротивлением. В этом патенте описывается повышенная интенсивность и продолжительность электрических колебаний низкая температура резонирующий схема. Считается, что Тесла намеревался использовать машину Линде для получения охлаждающих агентов.

Важная веха была достигнута 10 июля 1908 года, когда Хайке Камерлинг-Оннес в Лейденский университет в Нидерландах впервые произведено сжиженный гелий, который имеет температуру кипения 4,2 кельвины при атмосферном давлении.

Внезапное и фундаментальное исчезновение

Хайке Камерлинг-Оннес и Джейкоб Клей повторно исследовали более ранние эксперименты Дьюара по снижению сопротивления при низких температурах. Оннес начал расследование с платина и золото, заменив их позже на Меркурий (более легко рафинируемый материал). Исследования Оннеса по сопротивлению твердой ртути при криогенных температурах были выполнены с использованием жидкий гелий как хладагент. 8 апреля 1911 года в 16:00 Оннес отметил «Kwik nagenoeg nul», что переводится как «[Сопротивление] ртути почти нулевое».[4] При температуре 4,19 К он заметил, что сопротивление резко исчезло (измерительный прибор, который использовал Оннес, не показал никакого сопротивления). Оннес раскрыл свое исследование в 1911 году в статье под названием «О внезапной скорости исчезновения сопротивления ртути.Оннес заявил в этой статье, что «удельное сопротивление» стало в тысячи раз меньше по величине по сравнению с лучшим проводником при обычной температуре. Позже Оннес изменил процесс и обнаружил, что при 4,2 К сопротивление вернулось к материалу. В следующем году Оннес опубликовал больше статей об этом явлении. Первоначально Оннес назвал это явление "сверхпроводимость"(1913 г.) и только позже принял термин"сверхпроводимость."За свои исследования он был награжден Нобелевская премия по физике в 1913 г.

В 1912 году Оннес провел эксперимент по применимости сверхпроводимости. Оннес ввел электрический ток в сверхпроводящее кольцо и удалил батарею, которая его генерировала. Измеряя электрический ток, Оннес обнаружил, что его сила не уменьшалась со временем.[5] Ток сохранялся из-за сверхпроводящего состояния проводящей среды.

В последующие десятилетия сверхпроводимость была обнаружена в нескольких других материалах; В 1913 г. вести при 7 К, в 1930-е гг. ниобий при 10 К, а в 1941 г. нитрид ниобия при 16 К.

Загадки и решения (1933–)

Следующий важный шаг в понимании сверхпроводимости произошел в 1933 году, когда Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники вытесняют приложенные магнитные поля, явление, которое стало известно как Эффект Мейснера. В 1935 году братья Фриц Лондон и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера был следствием минимизации электромагнитного свободная энергия переносится сверхпроводящим током. В 1950 г. феноменологический Теория Гинзбурга – Ландау сверхпроводимости была изобретена Лев Ландау и Виталий Гинзбург.

Теория Гинзбурга – Ландау, объединившая теорию Ландау второго порядка фазовые переходы с Шредингер -подобное волновое уравнение, имело большой успех в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. Особенно, Алексей Абрикосов показали, что теория Гинзбурга – Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, которые теперь называются типом I и типом II. Абрикосов и Гинзбург награждены орденом 2003 г. Нобелевская премия по физике за свою работу (Ландау умер в 1968 году). Также в 1950 г. Эмануэль Максвелл и почти одновременно К.А. Рейнольдс и другие. обнаружили, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопная масса составляющих элемент. Это важное открытие указывало на электрон-фононное взаимодействие как на микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость.

Теория BCS

Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была окончательно предложена в 1957 г. Джон Бардин, Леон Н. Купер, и Роберт Шриффер. Этот Теория BCS объяснил сверхпроводящий ток как сверхтекучую среду Куперовские пары, пары электронов, взаимодействующие посредством обмена фононы. За эту работу авторы были награждены Нобелевская премия по физике в 1972 году. Теория BCS получила более прочную основу в 1958 году, когда Николай Боголюбов показали, что волновая функция БКШ, которая первоначально была получена из вариационного аргумента, может быть получена с помощью канонического преобразования электронного Гамильтониан. В 1959 г. Лев Горьков показал, что теория БКШ сводится к теории Гинзбурга-Ландау вблизи критической температуры. Горьков первым вывел уравнение эволюции сверхпроводящей фазы .

Эффект Литтла-Парка

В Эффект Литтла-Паркса был открыт в 1962 г. в экспериментах с пустыми и тонкостенными сверхпроводящий цилиндры, подвергнутые параллельному магнитное поле. В электрическое сопротивление таких цилиндров показывает периодическую колебание с магнитным потоком через цилиндр, период час /2е  = 2.07×10−15 Против. Уильям Литтл и Рональд Паркс объяснили, что колебание сопротивления отражает более фундаментальное явление, а именно периодические колебания критической температуры сверхпроводимости (Тc). Это температура, при которой образец становится сверхпроводящим. Эффект Литтла-Паркса является результатом коллективного квантового поведения сверхпроводящих электронов. Это отражает тот общий факт, что это флюксоид а не поток, квантованный в сверхпроводниках. Эффект Литтл-Парка демонстрирует, что векторный потенциал связан с наблюдаемой физической величиной, а именно с критической температурой сверхпроводимости.

Коммерческая деятельность

Основная статья: Технологические приложения сверхпроводимости

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 году, Джордж Интема[6] 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.[7] сделал поразительное открытие, что при температуре 4,2 кельвина 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 году Тед Берлинкур и Ричард Хейк[8][9] обнаружил, что менее хрупкие сплавы ниобия и титана подходят для применений до 10 тесла. Вскоре после этого промышленное производство ниобий-титановой сверхмагнитной проволоки началось в Westinghouse Electric Corporation и Wah Chang Corporation. Хотя ниобий-титан может похвастаться менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, ниобий-титан, тем не менее, стал наиболее широко используемым сверхмагнитным материалом «рабочей лошадки», в значительной степени следствием его очень высокой пластичности и простоты изготовления. Однако как ниобий-олово, так и ниобий-титан находят широкое применение в медицинских устройствах для получения изображений МРТ, поворотных и фокусирующих магнитах для огромных ускорителей частиц высокой энергии 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. Брайан Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание, что сверхток может протекать между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь называемое Эффект джозефсона, используется сверхпроводящими устройствами, такими как Кальмары. Он используется для наиболее точных доступных измерений квант магнитного потока час/2е, и, таким образом (вместе с квантовое сопротивление Холла ) за Постоянная Планка час. Джозефсон был награжден Нобелевская премия по физике за эту работу в 1973 г.

В 1973 г. Nb
3Ge обнаружено, что есть Тc 23 K, что остается самым высоким давлением окружающей среды. Тc до открытия купратных высокотемпературных сверхпроводников в 1986 г. (см. ниже).

Высокотемпературные сверхпроводники

Основная статья: Высокотемпературные сверхпроводники
Хронология сверхпроводников

В 1986 г. Й. Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер открыл сверхпроводимость в лантан на основе купрата перовскит материал, который имел температуру перехода 35 K (Нобелевская премия по физике, 1987) и был первым из высокотемпературные сверхпроводники. Вскоре он был найден Чинг-Ву Чу ), что замена лантана на иттрий, т.е. делая YBCO, поднял критическую температуру до 92 К, что было важно, поскольку жидкий азот затем можно использовать в качестве хладагента (при атмосферном давлении температура кипения азота составляет 77 К). Это важно с коммерческой точки зрения, поскольку жидкий азот можно дешево производить на месте без использования сырья, и он не подвержен некоторым проблемам (твердые воздушные пробки и т. Д.), Связанным с гелием в трубопроводах. 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.

В марте 2001 г. сверхпроводимость диборид магния (MgB
2) был найден с Тc = 39 К.

В 2008 г. оксипниктид или же сверхпроводники на основе железа были открыты, что привело к шквалу работ в надежде, что их изучение даст теорию купратных сверхпроводников.

В 2013 году в YBCO была достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре в течение пикосекунд с использованием коротких импульсов инфракрасного лазерного излучения для деформации кристаллической структуры материала.[10]

В 2017 году было высказано предположение, что неоткрытые сверхтвердые материалы (например, критически легированный бета-титан Au) могут быть кандидатом в новый сверхпроводник с Tc, существенно выше, чем HgBaCuO (138 K), возможно, до 233 K, что даже выше, чем ЧАС2S. Многие исследования показывают, что никель может заменить медь в некоторых перовскитах, предлагая другой путь к комнатной температуре. Также можно использовать материалы, легированные Li +, например, шпинельный аккумулятор LiTi.2ОИкс а давление решетки может увеличить Tc до более чем 13,8 К. Также предполагается, что LiHx металлизируется при значительно более низком давлении, чем H, и может быть кандидатом на роль сверхпроводника 1-го типа.[11][12][13][14]

Исторические публикации

Статьи Х.К. Оннес

  • «Стойкость чистой ртути при гелиевых температурах». Comm. Лейден. 28 апреля 1911 г.
  • «Исчезновение удельного сопротивления ртути». Comm. Лейден. 27 мая 1911 года.
  • «О внезапном изменении скорости исчезновения сопротивления ртути». Comm. Лейден. 25 ноября 1911 г.
  • «Имитация амперного молекулярного тока или постоянного магнита с помощью сверхпроводника». Comm. Лейден. 1914.

Теория BCS

  • Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Р. Шриффер, "Теория сверхпроводимости", Phys. Ред. 108, 1175 (1957), Дои:10.1103 / PhysRev.108.1175

Другие ключевые документы

  • В. Мейснер и Р. Оксенфельд, Naturwiss. 21, 787 (1933), Дои:10.1007 / BF01504252
  • Ф. Лондон и Х. Лондон, "Электромагнитные уравнения сверхпроводника", Proc. Рой. Soc. (Лондон) A149, 71 (1935), ISSN 0080-4630.
  • В.Л. Гинзбург, Л. Ландо, Ж. Эксп. Теор. Физ. 20, 1064 (1950)
  • Э. Максвелл, «Изотопный эффект в сверхпроводимости ртути» Phys. Ред. 78, 477 (1950), Дои:10.1103 / PhysRev.78.477
  • C.A. Рейнольдс и другие., «Сверхпроводимость изотопов ртути». Phys. Ред. 78, 487 (1950), Дои:10.1103 / PhysRev.78.487
  • А.А. Абрикосов, «О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы». Советская физика в ЖЭТФ 5, 1174 (1957)
  • В. А. Литтл и Р. Д. Паркс, "Наблюдение квантовой периодичности в температуре перехода сверхпроводящего цилиндра". Phys. Rev. Lett. 9, 9 (1962) Дои:10.1103 / PhysRevLett.9.9
  • B.D. Джозефсон, "Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании", Письма по физике 1, 251 (1962), Дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0

Патенты

  • Тесла, Никола, Патент США 685012 "Средства увеличения интенсивности электрических колебаний.", 21 марта 1900 г.

Смотрите также

Внешние ссылки и ссылки

  1. ^ Шахтман, Том: Абсолютный ноль и покорение холода. (Бостон: Houghton Mifflin, 1999)
  2. ^ Сенгерс, Йоханна Левелт: Как жидкости Unmix: открытия школы Ван дер Ваальса и Камерлинг-Оннеса. (Амстердам: Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2002)
  3. ^ Ван Делфт, Дирк: Физика замораживания: Хайке Камерлинг-Оннес и в поисках холода. (Амстердам: Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2008)
  4. ^ Открытие сверхпроводимости
  5. ^ В.Л. Гинзбург, Э.А. Андрюшин (2004). Сверхпроводимость. World Scientific. ISBN  978-981-238-913-8.
  6. ^ Г. Б. Интема, “Сверхпроводящая обмотка для электромагнита”, Phys. Ред.98, 1197 (1955).
  7. ^ Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, Ф. С. Л. Хсу, Дж. Х. Верник, «Сверхпроводимость в Nb.3Sn при высокой плотности тока в магнитном поле 88 кгаусс ”, Phys. Rev. Lett. 6, 89 (1961).
  8. ^ T. G. Berlincourt и R. R. Hake, “Исследования сверхпроводящих сплавов переходных металлов в импульсном магнитном поле при высоких и низких плотностях тока”, Бюлл. Являюсь. Phys. Soc. II 7, 408 (1962).
  9. ^ T. G. Berlincourt, «Появление Nb-Ti в качестве сверхмагнитного материала», Cryogenics 27, 283 (1987).
  10. ^ Mankowsky, R .; Subedi, A .; Först, M .; и другие. (3 декабря 2014 г.). «Нелинейная динамика решетки как основа повышенной сверхпроводимости в YBa.2Cu3О6.5". Природа. 516 (1): 71–73. Дои:10.1038 / природа13875. PMID  25471882. S2CID  3127527.
  11. ^ «Никель для размышлений: соединение показывает потенциал для высокотемпературной сверхпроводимости». Phys.org. 16 июня 2017 г.. Получено 2 августа, 2017.
  12. ^ «Сканирование поверхности титаната лития». Университет Тохоку. 4 июля 2017 г.. Получено 2 августа, 2017.
  13. ^ «Лаборатория обнаружила сплав титана с золотом, который в четыре раза тверже, чем большинство сталей». Phys.org. 20 июля 2016 г.. Получено 2 августа, 2017.
  14. ^ Оверхаузер, А. (1987). «Гидриды легких металлов как возможные высокотемпературные сверхпроводники». Международный журнал современной физики B. 01 (3n04): 927–930. Дои:10.1142 / S0217979287001328.