Supraconductibilitatea este un fenomen electromagnetic care apar la anumite materiale la temperaturi joase, fiind caracterizată prin absența completă a rezistenței electrice și amortizarea câmpului magnetic interior (efectul Meissner.)
Supraconductibilitatea apare într-o mare varietate de materiale, inclusiv elemente simple, cum ar fi staniu și aluminiu, aliaje metalice diferite, unii semiconductori puternic dopaţi, și anumiți compuși ceramici care conțin planuri de atomi de cupru și oxigen. Această ultimă clasă de compuși, cunoscut[ sub numele de cupraţi, sunt superconductori de înaltă temperatură. Supraconductibilitatea nu apare în metalele nobile, cum ar fi aur și argint, nici în metale feromagnetice, cum ar fi fierul (deși de fierul poate fi transformat într-un supraconductor prin supunerea acestuia la presiuni foarte mari).
În supraconductorii convenționali, supraconductibilitatea este cauzată de o forță de atracție între anumiţi electroni de conducție care rezultă din schimbul de fononi, care determină fluidul de electroni de conducție să formeze o fază superfluidă formată din perechi de electroni corelaţi. Există, de asemenea, o clasă de materiale, cunoscută sub numele de supraconductori neconvenționali, care prezintă supraconductibilitate dar ale căror proprietăți fizice contrazic teoria supraconductorilor convenționali. În special, așa-numiţii supraconductori de temperatură înaltă, supraconductori la temperaturi mult mai mari decât ar trebui să fie posibilă în conformitate cu teoria convențională (deși încă mult sub temperatura camerei.) În prezent nu există nicio teorie completă privind supraconductibilitatea la temperaturi ridicate.
Istoria
Supraconductibilitatea a fost descoperit în 1911 de către Onnes, care a studiat rezistivitatea mercurului solid la temperaturi criogenice, folosind heliu lichid descoperit recent ca un agent frigorific. La temperatura de 4.2K, el a observat că rezistivitatea a dispărut brusc. Pentru aceasta descoperire, el a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1913.
În deceniile următoare, supraconductibilitatea fost descoperită în mai multe alte materiale. În 1913, s-a descoperit că plumbul supraconduce la 7K, iar în 1941 a fost găsit nitrura de niobiu ca supraconductor la 16K.
Următorul pas important în înțelegerea supraconductibilităţii a avut loc în 1933, când Meissner și Oschenfeld au descoperit că supraconductorii resping câmpurile magnetice aplicate, un fenomen care a ajuns să fie cunoscut sub numele de efectul Meissner. In 1935, F. și H. Londra au arătat că efectul Meissner este o consecință a minimizării energiei libere electromagnetice transportată de curentul supraconductor.
În 1950, teoria fenomenologică Ginzburg-Landau a supraconductibilitaăţii a fost elaborată de Landau și Ginzburg. Această teorie, care a combinat teoria Landau a tranzițiilor de fază de ordinul al doilea cu o ecuaţie de undă gen Schrödinger, a avut un mare succes în a explica proprietățile macroscopice ale supraconductorilor. În special Abrikosov a arătat că teoria Ginzburg-Landau prezice împărțirea supraconductorilor în cele două categorii acum denumite de tip I și de tip II. Abrikosov și Ginzburg au primit Premiul Nobel pentru aceste lucrări în anul 2003.
De asemenea, în 1950, Maxwell și Reynolds au constatat că temperatura critică a supraconductor depinde de masa izotopică a elementului constitutiv. Această descoperire importantă a indicat interacțiunea electron-fonon ca mecanism microscopic responsabil pentru superconductivitate.
Teoria completă microscopică a supraconductibilităţii a fost în cele din urmă a propusă în 1957 de Bardeen, Cooper, și Schrieffer. Această teorie BCS a explicat curentul supraconductor ca un superfluid de „perechi Cooper”, perechi de electroni care interacționează prin schimbul de fononi. Pentru acest lucru, autorii au primit Premiul Nobel în 1972.
Teoria BCS a fost creată pe o bază mai solidă în 1958, când Bogoliubov a arătat că funcţia de undă BCS, care a fost inițial derivată dintr-un argument variațional, poate fi obținută folosind o transformare canonică a Hamiltonianului electronic. În 1959, Gor’kov a arătat că teoria BCS se reduce la teoria Ginzburg-Landau aproape de temperatura critică.
În 1962 a fost fabricat primul supraconductor comercial, un aliaj de niobiu-titan, dezvoltat de cercetatorii de la Westinghouse. În același an, Josephson a făcut importante predicții teoretice conform cărora un supracurent poate curge între două piese de supraconductori separate de un strat subtire de izolator. Acest fenomen, numit acum efectul Josephson, este exploatat de către dispozitivele supraconductoare, cum ar fi SQUID. Acesta este utilizat în cele mai precise măsurători disponibile ale fluxului magnetic cuantic h/e, și astfel (cuplat cu rezistivitatea cuantică Hall) pentru constanta lui Planck h. Josephson a primit Premiul Nobel pentru aceste studii în 1973.
În 1986, Bednorz și Mueller au descoperit supraconductibilitatea într-un material perovskit cuprat pe bază de lantan, cu o temperatură de tranziție de 35K (Premiul Nobel pentru Fizică, 1987). S-a constatat că la scurt timp de la înlocuirea lantanului cu ytriu a crescut temperatura critică la 92K, aspect important, deoarece azotul lichid ar putea fi apoi utilizat ca agent frigorific (la presiune atmosferică, temperatura de fierbere a azotului este 77K.) Mulţi alţi supraconductori cupraţi fost descoperiţi de atunci, și teoria supraconductibilității în aceste materiale este una dintre cele mai mari provocări speciale ale fizicii teoretice a materiei condensate.
Teorii ale supraconductibilităţii
De la descoperirea supraconductibilităţii, au fost depuse mari eforturi pentru a afla cum și de ce funcționează aceştia. În anii 1950, fizicienii teoreticeni ai materiei condensate au ajuns la o înțelegere solidă a supraconductibilităţii „convenționale”, printr-o pereche de remarcabile și importante teorii: teoria fenomenologică Ginzburg-Landau (1950) și teoria BCS microscopică (1957).
Aplicaţii tehnologice ale supraconductibilităţii
Unele inovații tehnologice care beneficiază de descoperirea supraconductibilității includ magnetometrele sensibile bazate pe SQUID, circuitele digitale (de exemplu, bazate pe logica RSFQ), imagistica prin rezonanţă magnetică, magneții de direcționare a fasciculelor în acceleratoare de particule, cablurile de transmisie a energiei electrice, și filtrele de microunde (de exemplu, pentru stațiile de bază din telefonia mobilă). Viitoare aplicații industriale și comerciale promițătoare includ transformatoare pentru stocare de putere, motoare electrice, precum și dispozitive de levitaţie magnetică. Cele mai multe aplicații folosesc supraconductori convenționali bine cunoscuţi, dar este de așteptat ca supraconductorii de temperatura înaltă să devină curând mai ieftini în multe cazuri.
Imagine http://en.wikipedia.org/wiki/File:LHC_NbTi_superconducting_wire.jpg
Lasă un răspuns