Proprietățile elementare ale supraconductorilor

Cele mai multe dintre proprietățile fizice ale supraconductorilor variază de la material la material, cum ar fi capacitatea termică și temperatura critică la care supraconductibilitatea este distrusă. Pe de altă parte, există o clasă de proprietăți care sunt independente de materialul de bază. De exemplu, toţi supraconductorii au exact zero rezistivitatea la curenți mici aplicaţi atunci când nu există un câmp magnetic prezent. Existența acestor proprietăți „universale” implică faptul că superconductivitatea este o fază termodinamică, și astfel posedă anumite proprietăți distinctive, care sunt în mare măsură independente de detalii microscopice.

Rezistența electrică zero

Să presupunem că ar trebui să încercăm sp măsurăm rezistența electrică a unei bucăţi de supraconductor. Cea mai simplă metodă este de a plasa proba într-un circuit electric, în serie cu o sursă de tensiune V (cum ar fi o baterie), și să măsurăm curentul rezultat. Dacă măsurăm cu atenție rezistența R a elementelor de circuit rămase (cum ar fi traseele de conectare a probei la restul circuitului), am constata că curentul este simplu V/R. În conformitate cu legea lui Ohm, acest lucru înseamnă că rezistența probei supraconductoare este zero.

Într-un conductor obișnuit, un curent electric poate fi vizualizat ca un fluid de electroni care se deplasează printr-o reţea de ioni grei. Electronii se ciocnesc în mod constant cu ionii din reţea, iar în timpul fiecărei coliziuni o parte din energia transportată de curent este absorbită de reţea și transformată în căldură (care este, în esență, energia cinetică de vibrație a ionilor reţelei.) Ca rezultat, energia transportată de curent este constant disipată. Acesta este fenomenul rezistenței electrice.

Situația este diferită într-un supraconductor. Într-un supraconductor convențional, fluidul electronic nu pot fi considerat ca fiind format din electroni individuali, ci din perechi legate de electroni cunoscute sub numele de perechi Cooper. Această asociere este cauzată de o forță de atracție între electronii din schimbul de fononi. Datorită mecanicii cuantice, spectrul de energie al acestui fluid de perechi Cooper are un decalaj de energie, ceea ce înseamnă că este o sumă minimă ΔE de energie care trebuie să fie furnizată pentru a excita fluidul. Prin urmare, dacă ΔE este mai mare decât energia termică din reţea (dat de kT, unde k este constanta lui Boltzmann și T este temperatura), fluidul nu va fi difuzat de reţea. Fluidul de perechi Cooper este, astfel, un superfluid, ceea ce înseamnă că poate curge fără disiparea energiei. Experimentele au demonstrat că, de fapt, curenții în inele superconductoare persistă ani de zile fără nicio degradare măsurabilă.

(Notă:. Ăn fapt, într-o clasă de supraconductori cunoscuţi ca supraconductori II, o cantitate mică de rezistivitate apare atunci când se aplică un câmp magnetic puternic și curent electric Acest lucru se datorează mișcării de vârtejuri în superfluidul electronic, care disipează o parte din energia transportată de curent. Dacă curentul este suficient de mic, vârtejurile sunt staționare, iar rezistivitatea dispare.)

Tranziția de fază supraconductoare

În materiale supraconductoare, caracteristicile de supraconductibilitate apar atunci când temperatura T este coborâtă sub o temperatură critică T_c. Valoarea acestei temperaturi critice variază de la material la material. Supraconductorii convenționali au, de obicei, temperaturi critice de la mai puțin de 1K la aproximativ 20K. Mercurul solid, de exemplu, are o temperatură critică de 4.2K. Din 2001, cea mai mare temperatura critică găsită pentru un supraconductor convențional este de 39K pentru borura de magneziu (MgB₂), cu toate că acest material afișează suficiente proprietăți exotice pentru a exista dubii despre aceasta clasificarea sa ca un supraconductor „convențional”. Supraconductorii cupraţi pot avea temperaturi critice mult mai mari: YBa₂Cu₃O₇, unul dintre primii supraconductori cupraţi descoperiţi, are o temperatură critică de 92K, și cupraţii pe bază de mercur au temperaturi critice mai mari de 130K. Explicația pentru aceste temperaturi critice ridicate rămân necunoscute.

Debutulul supraconductibilităţii este însoțit de schimbări bruște ale diverselor proprietăți fizice, care este semnul distinctiv al unei tranziții de fază. De exemplu, capacitatea termică electronică este proporțională cu temperatura în regimul normal (non-superconductor). În zona de tranziție supraconductoare, aceasta suferă un salt discontinuu și, ulterior, încetează să mai fie liniară. La temperaturi scăzute, acesta variază în schimb ca e^-α/T pentru unele α constante. (Acest comportament exponențial este una dintre dovezile pentru existența diferenței de energie.)

Comportamentul de capacitate termică (C) și rezistivitate (ρ) în zona de tranziție a fazei supraconductoare

Ordinea tranziției de fază supraconductoare este încă un subiect de dezbatere. S-a crezut mult timp că tranziția este de al doilea ordin, adică nu există nicio căldură latentă. Totuși, calculele recente au sugerat că ar putea fi de fapt uşor de ordinul I, datorită efectului fluctuațiilor de rază lungă în câmpul electromagnetic. heat. However, recent calculations have suggested that it may actually be weakly first-order due to the effect of long-range fluctuations in the electromagnetic field.

Efectul Meissner

Când un supraconductor este plasat într-un câmp magnetic slab extern H, câmpul pătrunde doar pe o distanță scurtă λ, numită adâncimea de penetrare, după care se dezintegrează rapid la zero. Aceasta se numește efectul Meissner. Pentru majoritatea supraconductorilor, adâncimea de penetrare este de ordinul a o mie de angstromi (10^-7 m.)

Efectul Meissner este uneori confundat cu „diamagnetismul perfect”, de așteptat într-un conductor electric perfect: conform legii lui Lenz, atunci când un câmp magnetic variabil este aplicat pe un conductor, acest va induce un curent electric în conductorul care creează un câmp magnetic de sens opus. Într-un conductor ideal, un curent arbitrar de mare poate fi indus, iar câmpul magnetic rezultant anulează exact câmpului aplicat.

Efectul Meissner este diferit de diamagnetismul perfect, deoarece un supraconductor expulzează toate câmpurile magnetice, nu doar pe cele care sunt variabile. Să presupunem că avem un material în stare normală, care conține un câmp magnetic intern constant. Când materialul este răcit sub temperatura critică, vom observa expulzarea bruscă a câmpului magnetic intern, fapt care nu este de așteptat pe baza legii lui Lenz.

Efectul Meissner a fost explicat de către London and London, care a arătat că energia liberă electromagnetică într-un supraconductor este redus la minim

unde H este câmpul magnetic și λ este adâncimea de penetrare. Această ecuație, care este cunoscut sub numele de ecuația London, prezice că câmpul magnetic într-un supraconductor se dezintegrează exponențial indiferent ce valoare posedă la suprafață.

Efectul Meissner dispare atunci când câmpul magnetic aplicat este prea mare. Supraconductorii pot fi împărțiţi în două clase după cum se produce această defecțiune. În supraconductori de tip I, când supraconductibilitatea dispare brusc atunci când puterea câmpului aplicat crește peste o valoare H_c critică. În funcție de geometria probei, se poate obține o stare intermediară constând din zone de material normale care transportă un câmp magnetic amestecat cu zone de material superconductor care nu conține niciun câmp. În supraconductorii de tip II, creșterea câmpului aplicat peste o valoare critică H_c1 conduce la o stare mixtă, în care o cantitate tot mai mare de flux magnetic penetrează materialul, dar nu mai rămâne nicio rezistență la trecerea curentului electric, atât timp cât curentul nu este prea mare. La un al doilea nivel de câmp critic H_c2, supraconductibilitatea dispare. Starea mixtă este de fapt cauzată de vârtejuri în superfluidul electronic, uneori numite „fluxoni”, deoarece fluxul transportat de către aceste vârtejuri este cuantificat. Supraconductorii cei mai puri elementari (cu excepția niobiului) sunt de tip I, în timp ce aproape toţi supraconductorii impuri și compuşi sunt de tip II.