(Un magnet care levitează deasupra unui supraconductor cu temperatură ridicată, răcit cu azot lichid. Curentul electric persistent se scurge pe suprafața superconductorului, acționând pentru a exclude câmpul magnetic al magnetului (legea de inducție a lui Faraday). Acest cureny formează efectiv un electromagnet care respinge magnetul.)
Supraconductivitatea este un fenomen de rezistență electrică exact zero și expulzare a câmpurilor de flux magnetic care apar în anumite materiale, numite superconductoare, când sunt răcite sub o temperatură critică caracteristică. A fost descoperită de fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes la 8 aprilie 1911, în Leiden. Ca și feromagnetismul și liniile spectrale atomice, superconductivitatea este un fenomen mecanic cuantic. Se caracterizează prin efectul Meissner, ejectarea completă a liniilor de câmp magnetic din interiorul superconductorului în timpul tranzițiilor sale în starea superconductoare. Apariția efectului Meissner indică faptul că superconductivitatea nu poate fi înțeleasă doar ca idealizare a conductivității perfecte în fizica clasică.
Rezistența electrică a conductorului metalic scade treptat pe măsură ce temperatura este scăzută. În conductorii obișnuiți, cum ar fi cuprul sau argintul, această scădere este limitată de impurități și alte defecte. Chiar și aproape de zero absolută, o probă reală a unui conductor normal are o anumită rezistență. Într-un superconductor, rezistența scade brusc la zero când materialul este răcit sub temperatura critică. Un curent electric printr-o bucla de sârmă superconductoare poate persista pe o perioadă nedeterminată, fără sursă de energie.
În 1986, s-a descoperit că unele materiale ceramice cupru-perovskite au o temperatură critică de peste 90 K (−183 °C). O astfel de temperatură de tranziție ridicată este teoretic imposibilă pentru un superconductor convențional, făcând ca materialele să fie denumite superconductori de temperatură ridicată. Aazotul lichid de răcire disponibil cu costuri mici la temperatură scăzută fierbe la 77 K și, prin urmare, superconducția la temperaturi mai ridicate decât aceasta facilitează numeroase experimente și aplicații care sunt mai puțin practice la temperaturi mai scăzute.
(Un superconductor cu temperatură ridicată care levitează deasupra unui magnet.)
Proprietăți elementare ale superconductoarelor
Majoritatea proprietăților fizice ale superconductorilor variază de la material la material, cum ar fi capacitatea de încălzire și temperatura critică, câmpul critic și densitatea critică a curentului la care superconductivitatea este distrusă.
Pe de altă parte, există o clasă de proprietăți care sunt independente de materialul de bază. De exemplu, toți superconductorii au rezistivitate zero la curenți mici aplicați atunci când nu există un câmp magnetic sau dacă câmpul aplicat nu depășește o valoare critică. Existența acestor proprietăți „universale” implică faptul că superconductivitatea este o fază termodinamică și posedă astfel anumite proprietăți distinctive care sunt în mare măsură independente de detaliile microscopice.
Rezistență zero la curent electric continuu (CC)
Cea mai simplă metodă de măsurare a rezistenței electrice a unui eșantion dintr-un anumit material este plasarea acestuia într-un circuit electric în serie cu o sursă de curent I și măsurarea tensiunii V rezultante pe eșantion. Rezistența eșantionului este dată de legea lui Ohm ca R = V/I. Dacă tensiunea este zero, aceasta înseamnă că rezistența este zero.
(Cabluri electrice pentru acceleratoare la CERN. Ambele cabluri masive și subțiri sunt normate pentru 12.500 A. Sus: cabluri normate pentru LEP; Jos: cabluri superconductoare pentru LHC.)
Superconductoarele sunt, de asemenea, capabile să mențină un curent fără tensiune aplicată, o proprietate exploatată în electromagneți superconductori, cum ar fi cei din imagistica cu rezonanță magnetică. Experimentele au demonstrat că curenții în bobinele superconductoare pot persista ani de zile fără o degradare măsurabilă. Dovezile experimentale indică o durată de viață curentă de cel puțin 100.000 de ani. Estimările teoretice pentru durata de viață a unui curent persistent pot depăși durata de viață estimată a universului, în funcție de geometria sârmei și de temperatură. În practică, curenții injectați în bobine superconductoare au persistat mai mult de 22 de ani în gravimetre superconductoare. În astfel de instrumente, principiul de măsurare se bazează pe monitorizarea levitării unei sfere de niobiu superconductor cu masa de 4 grame.
Într-un conductor normal, un curent electric poate fi vizualizat ca un fluid de electroni care se deplasează peste o rețea de ioni grei. Electronii se ciocnesc constant cu ionii din rețea, iar în timpul fiecărei coliziuni, o parte din energia purtată de curent este absorbită de rețea și transformată în căldură, care este, în esență, energia cinetică vibrațională a ionilor de rețea. Ca urmare, energia purtată de curent este în mod constant disipată. Acesta este fenomenul de rezistență electrică și încălzire Joule.
Situația este diferită într-un superconductor. Într-un superconductor convențional, fluidul electronic nu poate fi separat în electroni individuali. Dimpotrivă, el constă din perechi de electroni cunoscuți sub numele de perechi Cooper. Această asociere este cauzată de o forță atractivă între electroni de la schimbul de fononi. Datorită mecanicii cuantice, spectrul energetic al acestui fluid de perechi Cooper are un spațiu energetic, ceea ce înseamnă că există o cantitate minimă de energie ΔE care trebuie furnizată pentru a excita lichidul. Prin urmare, dacă ΔE este mai mare decât energia termică a rețelei, dată de kT, unde k este constanta lui Boltzmann și T este temperatura, fluidul nu va fi împrăștiat de rețea. Fluidul perechilor Cooper este astfel un superfluid, adică poate curge fără disipare a energiei.
(Secțiunea transversală a unei tije superconductoare din Texas Superconducting Super Collider (SSC) abandonat.)
Într-o clasă de supraconductori cunoscuți sub denumirea de superconductori de tip II, incluzând toți superconductorii cunoscuți de temperatură ridicată, rezistivitatea extrem de scăzută dar nonzero apare la temperaturi care nu sunt prea departe sub tranziția nominală superconductoare când un curent electric este aplicat împreună cu un câmp magnetic puternic, care pot fi cauzat de curentul electric. Acest lucru se datorează mișcării vârtejelor magnetice în superfluidul electronic, care disipează o parte din energia purtată de curent. Dacă curentul este suficient de mic, vîrtejul este staționar, iar rezistivitatea dispare. Rezistența datorată acestui efect este mică în comparație cu cea a materialelor non-superconductoare, însă trebuie luată în considerare în experimentele sensibile. Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura scade destul de mult sub tranziția nominală superconductoare, aceste vortexuri pot ajunge înghețate într-o fază dezordonată, dar staționară, cunoscută sub numele de „sticlă de tip vortex”. Sub această temperatură de tranziție a sticlei vortex, rezistența materialului devine cu adevărat zero.
Tranziția de fază superconductoare
(Comportamentul capacității termice (cv, albastru) și rezistivității (ρ, verde) la tranziția de fază superconductoare)
În cazul materialelor superconductoare, caracteristicile superconductivității apar atunci când temperatura T este scăzută sub o temperatură critică Tc. Valoarea acestei temperaturi critice variază de la material la material. Superconductorii convenționali au temperaturi critice de la aproximativ 20 K la mai puțin de 1 K. De exemplu, mercurul solid are o temperatură critică de 4,2 K. În 2015, cea mai ridicată temperatură critică pentru un superconductor convențional este 203 K pentru H2S, deși au fost necesare presiuni înalte de aproximativ 90 gigapascali. Superconductorii de cupru pot avea temperaturi critice mult mai ridicate: YBa2Cu3O7, unul dintre primii superconductori de cupru care urmează să fie descoperit, are o temperatură critică de 92 K și au fost găsiți cuprați pe bază de mercur cu temperaturi critice mai mari de 130 K. Explicația acestor temperaturi critice ridicate rămân necunoscute. Cuplarea electronică datorată schimburilor de fononi explică superconductivitatea în superconductorii convenționali, dar nu explică superconductivitatea în superconductorii mai noi care au o temperatură critică foarte ridicată.
În mod similar, la o temperatură fixă sub temperatura critică, materialele superconductoare încetează să supraviețuiască atunci când se aplică un câmp magnetic extern care este mai mare decât câmpul magnetic critic. Acest lucru se datorează faptului că energia liberă Gibbs a fazei superconductoare crește în mod cvadrat cu câmpul magnetic, în timp ce energia liberă a fazei normale este aproape independentă de câmpul magnetic. În cazul în care materialul superconduce în absența unui câmp, atunci energia liberă în fază superconductoare este mai mică decât cea a fazei normale și deci pentru o anumită valoare finită a câmpului magnetic (proporțională cu rădăcina pătrată a diferenței energiilor libere la câmpul magnetic zero) cele două energii libere vor fi egale și va avea loc o tranziție de fază la faza normală. Mai general, o temperatură mai mare și un câmp magnetic mai puternic conduc la o fracțiune mai mică de electroni care sunt superconductori și, în consecință, la o adâncime mai mare de penetrare London a câmpurilor și curenților magnetici externi. Adâncimea de penetrare devine infinită la tranziția de fază.
Debutul superconductivității este însoțit de schimbări abrupte în diferitele proprietăți fizice, care reprezintă semnul distinctiv al unei tranziții de fază. De exemplu, capacitatea de căldură electronică este proporțională cu temperatura din regimul normal (non-superconductor). La tranziția superconductoare, ea suferă un salt discontinuu și, ulterior, nu mai este liniară. La temperaturi scăzute, variază în schimb ca e-α/T pentru unele constante, α. Acest comportament exponențial este unul dintre dovezile existenței unui decalaj energetic.
Ordinul tranziției de fază superconductoare a fost mult timp o dezbatere. Experimentele indică faptul că tranziția este de ordinul doi, ceea ce înseamnă că nu există căldură latentă. Cu toate acestea, în prezența unui câmp magnetic extern există căldură latentă, deoarece faza superconductoare are o entropie mai mică sub temperatura critică decât faza normală. S-a demonstrat experimental că, în consecință, atunci când câmpul magnetic este crescut dincolo de câmpul critic, tranziția de fază rezultată duce la o scădere a temperaturii materialului superconductor.
Calculele din anii 1970 au sugerat că acesta ar putea fi, de fapt, slab la prima vedere datorită efectului fluctuațiilor cu rază lungă de acțiune în câmpul electromagnetic. În anii 1980 a fost demonstrat teoretic cu ajutorul unei teorii a câmpului dezordonat, în care liniile vortex ale superconductorului joacă un rol major, că tranziția este de ordinul doi în regimul de tip II și de ordinul întâi (de exemplu, căldură latentă ) în cadrul regimului de tip I, și că cele două regiuni sunt separate printr-un punct tricritic. Rezultatele au fost susținute puternic de simulările de calculator Monte Carlo.
Efectul Meissner
(Efectul Meissner într-un superconductor de temperatură înaltă (peleți negri) cu un magnet NdFeB (metalic) răcit cu azot lichid.:
Atunci când un superconductor este plasat într-un câmp magnetic extern H slab și răcit sub temperatura de tranziție, câmpul magnetic este ejectat. Efectul Meissner nu provoacă eliminarea completă a câmpului, ci câmpul pătrunde în superconductor, dar numai la o distanță foarte mică, caracterizată printr-un parametru λ, numit adâncimea de penetrare London, care se descompune exponențial la zero în cea mai mare parte a materialului. Efectul Meissner este o caracteristică definitorie a superconductivității. Pentru majoritatea superconductorilor, adâncimea de penetrare London este de ordinul a 100 nm.
Efectul Meissner este uneori confundat cu tipul de diamagnetism care se așteaptă într-un conductor electric perfect: conform legii lui Lenz, atunci când un câmp magnetic variabil este aplicat unui conductor, acesta va induce un curent electric în conductor care creează un câmp magnetic opus. Într-un conductor perfect poate fi indus un curent arbitrar de mare, iar câmpul magnetic rezultat anulează exact câmpul aplicat.
Efectul Meissner este diferit de acesta – este expulzarea spontană care apare în timpul tranziției la superconductivitate. Să presupunem că avem un material în starea sa normală, conținând un câmp magnetic intern constant. Atunci când materialul este răcit sub temperatura critică, vom observa expulzarea bruscă a câmpului magnetic intern, ceea ce nu ne-am aștepta în baza legii lui Lenz.
Efectul Meissner a fost explicat fenomenologic de către frații Fritz și Heinz London, care au arătat că energia electromagnetică liberă într-un superconductor este minimizată cu condiția
∇2H = λ-2H
unde H este câmpul magnetic și λ este adâncimea de penetrare London.
Această ecuație, cunoscută sub numele de ecuația London, prezice că câmpul magnetic într-un superconductor se descompune exponențial din orice valoare pe care o posedă la suprafață.
Un superconductor cu un câmp magnetic mic sau deloc în interiorul lui este declarat a fi în starea Meissner. Starea Meissner se descompune atunci când câmpul magnetic aplicat este prea mare. Superconductorii pot fi împărțiți în două clase în funcție de modul în care are loc această defalcare. În superconductorii de tip I, superconductivitatea este distrusă brusc când forța câmpului aplicat crește peste valoarea critică Hc. În funcție de geometria probei, se poate obține o stare intermediară constând dintr-un model baroc din zone de material normal care au un câmp magnetic, amestecat cu zone de material superconductor care nu conține câmp. În superconductorii de tip II, ridicarea câmpului aplicat peste o valoare critică Hc1 conduce la o stare mixtă (cunoscută și sub denumirea de stare vortex) în care o cantitate tot mai mare de flux magnetic pătrunde în material, dar nu există nicio rezistență la curentul electric atâta timp cât curentul nu este prea mare. La o a doua intensitate a câmpului critic Hc2, superconductivitatea este distrusă. Starea mixtă este de fapt cauzată de vârtejuri în superfluidul electronic, numite uneori fluxoni, deoarece fluxul purtat de aceste vortexuri este cuantificat. Cele mai multe superconductoare elementare pure, cu excepția niobiului și nanotuburilor de carbon, sunt de tip I, în timp ce aproape toți superconductorii impuri și compuși sunt de tip II.
Momentul London
Dimpotrivă, un superconductor generează un câmp magnetic precis aliniat cu axa de centrifugare. Efectul, momentul London, a fost pus în aplicare la Gravity Probe B. Acest experiment a măsurat câmpurile magnetice a patru giroscoape superconductoare pentru a determina axele lor de rotație. Acest lucru a fost esențial pentru experiment, deoarece este unul dintre puținele modalități de a determina cu acuratețe axa de centrifugare a unei sfere altfel lipsite de caracteristici.
Lasă un răspuns