Chất siêu dẫn

     

1. Hiện tượng siêu dẫn – đặc điểm của vật tư siêu dẫn

Các vật liệu mà nghỉ ngơi trong vùng nhiệt độ T C (nhiệt độ tới hạn Curie) làm sao đó, bao gồm điện trở gần như bằng 0 gọi là vật liệu siêu dẫn. Người ta cũng khẳng định được rằng vật tư siêu dẫn bao gồm độ cảm ứng ( chi =-1 ) phải siêu dẫn bé được xếp vào vật tư nghịch từ lí tưởng.

Bạn đang xem: Chất siêu dẫn

Hiện tượng rất dẫn được Heike Kamerlingh Onnes, nhà thiết bị lý fan Hà Lan phát hiện lần đầu tiên vào 1911 khi ông để một thanh thủy ngân Hg vào trong heli lỏng khoảng 4,2 K thì thấy điện trở của Hg bất ngờ giảm tới 0. Onnes điện thoại tư vấn đó là hiện tượng kỳ lạ siêu dẫn và nhiệt độ mà dưới nó xảy ra hiện tượng vô cùng dẫn là ánh nắng mặt trời tới hạn Curie. Lúc T > TC thì vật quay trở lại dẫn năng lượng điện bình thường. đầy đủ năm tiếp sau Onnes cùng với rất nhiều nhà công nghệ ở những nước khác còn nhận ra Pb, Sn, Tl, In, Ga, Nb, … cũng có tính rất dẫn. Trạng thái siêu dẫn điện trở của vật bởi 0 đã làm được thực nghiệm xác thực khi bạn ta cho chiếc điện chạy trong một vòng xuyến rất dẫn (chẳng hạn Nb0,75Zr0,25) suốt một năm mà nó không bị suy giảm. Ở vật tư siêu dẫn còn hai quánh tính quan trọng và độc đáo nữa là:

*

+ Ở trạng thái rất dẫn, từ trường bị đẩy ra khỏi hóa học siêu dẫn (cảm ứng từ trong tim chất vô cùng dẫn B = 0). Hiện tượng lạ này hotline là hiệu ứng Meissner (do n Meissner cùng Ochsenfeld phát hiện ra năm 1933, hình 15.26).

*


Người ta cũng thấy rằng có một số chất siêu dẫn khi có từ trường H C (từ ngôi trường giới hạn) thì nó là hết sức dẫn, còn khi H > HC thì nó trở về tinh thần dẫn điện thông thường gọi là vô cùng dẫn nhiều loại 1. Ở một trong những chất siêu dẫn khác gồm hai trường đoản cú trường giới hạn HC1 cùng HC2 nhưng khi H C1 thì bọn chúng là siêu dẫn, khi HC1 C2 đường sức từ trường sóng ngắn xuyên dần vào mẫu hóa học siêu dẫn dưới dạng những đường xoáy (hiệu ứng Meissner một phần), chỉ khi H > HC2 vật mới dẫn điện bình thường, hotline là các chất khôn cùng dẫn một số loại 2 (Hình 15.27).

*

+ Trạng thái vô cùng dẫn sẽ bặt tăm nếu gửi vào nó chiếc điện có tỷ lệ JC đủ lớn, tức là khi J > JC thì tính khôn xiết dẫn của vật không hề tồn tại, cho dù là T C. Như vậy giới hạn giữa trạng thái cực kỳ dẫn cùng dẫn điện thông thường của một chất nên tuân theo cả ba điều kiện tới hạn về ánh nắng mặt trời TC, từ trường HC và tỷ lệ dòng JC (Hình 15.28).

*

Gần một cố kỉnh kỉ đã trôi qua kể từ khi phát hiện ra hiện tượng lạ siêu dẫn, người ta đã mất sức thân thiết tìm kiếm các vật liệu cực kỳ dẫn new và tra cứu cách nâng cao nhiệt độ cho tới hạn của bọn chúng để hoàn toàn có thể ứng dụng một phương pháp hệ trái loại vật tư này vào thực tế vì kĩ năng kỹ thuật đặc biệt của chúng. Đến ni đã có khá nhiều loại vật tư siêu dẫn được sản xuất và fan ta cũng giành được nhiệt độ TC khoảng chừng 160K. Bảng 15.6 liệt kê các chất cực kỳ dẫn gồm kỷ lục về nhiệt độ TC cùng rất năm phát hiện ra chúng.

Các chất siêu dẫn gồm TC > 30K hotline là vô cùng dẫn nhiệt độ cao. Từ bỏ bảng 15.6 có thể thấy cực kỳ dẫn ánh sáng cao hồ hết là vật tư gốm và trong thành phần đều phải sở hữu các oxit BaO với CuO. Như vậy với vật tư siêu dẫn ánh sáng cao hoàn toàn có thể áp dụng technology gốm nhằm chế bọn chúng và tạo thành trạng thái siêu dẫn bằng cách đưa những vật liệu này vào trong môi trường làm lạnh bằng He hoặc N lỏng.

Phần lớn các kim loại solo chất là hết sức dẫn loại 1, tất cả từ trường số lượng giới hạn HC khôn xiết nhỏ, chỉ kích thước 0,1 – 0,2 T và quý hiếm JC cũng bé dại ( sim10 ext A/cm^2 ). Các siêu dẫn là hợp chất của Nb, Mg và các gốm là đều chất vô cùng dẫn loại 2, chúng bao gồm HC2 hết sức lớn, từ 1 tới vài trăm Tesla với JC cỡ 104 – 107 A/cm2.

Ngoài các đặc điểm trên siêu dẫn còn những đặc thù khác như:

+ không tồn tại kim loại đối chọi hóa trị như thế nào (trừ Cs sống áp suất cao) tất cả tính khôn xiết dẫn

+ không tồn tại kim loại sắt trường đoản cú nào bao gồm tính rất dẫn


+ không có kim nhiều loại đất hi hữu nào (trừ La) tất cả tính rất dẫn

+ sức nóng dung của khôn cùng dẫn tất cả phần góp sức của điện tử bên dưới dạng hàm e nón với số nón tỉ lệ cùng với ( -frac1T ): ( fracCgamma T_C=7,46e^-frac1,39T_CT ) (15.72)

+ ánh sáng tới hạn của các chất hết sức dẫn thay đổi theo cân nặng đồng vị. Chẳng hạn TC của Hg đổi khác từ 4,185-4,146 K khi khối lượng nguyên tử vừa đủ M của Hg đổi khác từ 199,5-203,4 đơn vị nguyên tử (hiệu ứng đồng vị). Tác dụng thực nghiệm mang đến thấy: ( M^alpha .T_C=const ) (15.73)

+ loại điện vô cùng dẫn có tác dụng truyền sang 1 lớp chất giải pháp điện mỏng manh (“hiệu ứng con đường hầm” B.Josephson).

2. định hướng siêu dẫn

Một giữa những trở ngại lớn tiêu giảm sự cải tiến và phát triển của hóa học siêu dẫn là cho tới bây giờ người ta vẫn không tìm ra được cơ chế đúng đắn để phân tích và lý giải hiện tượng khôn xiết dẫn, chiếc chìa khóa để sản xuất vật liệu vô cùng dẫn, nhất là siêu dẫn ánh nắng mặt trời cao.

Tuy nhiên đã có khá nhiều công trình nghiên cứu kim chỉ nan về cơ chế hiện tượng kỳ lạ siêu dẫn khả dĩ chấp nhận được, sẽ trình diễn dưới đây.

2.1. Giải thích về rất dẫn nhiệt độ thấp

a) định hướng cặp Cooper (BCS)

*

Ba nhà trang bị lý tín đồ Mỹ là J.Bardeen, J.Schrieffer với L.Cooper lần đầu tiên vào năm 1957 đã nêu ra lý thuyết cặp điện tử (cặp Cooper) chất nhận được hiểu được bản chất vi tế bào của hiện tượng kỳ lạ siêu dẫn. định hướng này dựa trên quan niệm về sự hút nhau giữa các điện tử nhờ cửa hàng với những phonon (dao rượu cồn mạng tinh thể). Giữa các điện từ luôn luôn tồn trên lực đẩy Coulomb, khoác dù khoảng cách lớn, liên quan này bị giảm sút một phương pháp đáng kể vày hiệu ứng chắn bởi những điện tử khác. Trong thứ dẫn, các điện tử trường đoản cú do chuyển động trong toàn mạng tinh thể, tác động với những ion dương ở các nút mạng, “kéo” những ion này lệch ngoài nút mạng, tạo thành các “điện tích dương dư” vào vết chuyển động của nó. Các “điện tích dương dư” này mang lại lượt mình có thể hút những điện tử không giống gần mặt nó (hình 15.29) và như vậy lúc này trong đồ dùng dẫn có những cặp điện tử cửa hàng nhau trải qua dao động mạng (vừa hút vừa đẩy nhau do bức xạ và hấp thụ phonon), cùng hoạt động dưới công dụng của từ trường ngoài, thâm nhập vào câu hỏi dẫn năng lượng điện (hình 15.30).


Theo thuyết lượng tử có thể diễn tả hiện tượng hết sức dẫn như sau: Khi ánh nắng mặt trời hạ thấp T C trong vật tư siêu dẫn tồn tại tác động electron – phonon – electron trong đó phonon là lượng tử phân phát xạ do xấp xỉ mạng tinh thể, sản xuất thành cặp electron bao gồm spin ngược hướng nhau. Ở ánh sáng T > TC cặp ghép song bị tách ra. Do đó ở điều kiện thích hợp xem như trong hết sức dẫn lâu dài một một số loại hạt new có cân nặng và năng lượng điện gấp đôi, spin bởi 0. Chuyển động của hạt new này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt của mạng tinh thể và các nguyên tử tạp chất, do thế điện trở của vật tư gần bằng 0.

Dựa vào thuyết BCS có thể xác định được năng lượng tương tác gián tiếp “electron – phonon – electron”, đặc thù cho sự tạo cặp Cooper và chuyển dời của điện tử:

 ( widehatW_vecq=frac2^2hbar omega (vecq)left< varepsilon left( veck ight)-varepsilon left( veck-vecq ight) ight>^2-hbar ^2omega ^2(vecq) ) (15.74)

Trong kia ( M_vecq ) bộc lộ cường độ can dự electron – phonon, ( varepsilon left( veck ight) ) là tích điện của năng lượng điện tử nghỉ ngơi trạng thái k; ( hbar omega (vecq) ) là năng lượng của phonon. Tích điện tương tác cặp như vậy có thể thay đổi đáng nói sự phân bố tích điện của năng lượng điện tử ở ánh sáng thấp. Tâm trạng kích thích đầu tiên của các điện tử trong hệ giải pháp trạng thái phải chăng nhất bởi một khe năng lượng Eg dựa vào nhiệt độ và từ trường. Khoảng cách của khe năng lượng có thể thay đổi và được đặc thù bởi độ lâu năm kết hợp: ( xi =frac2hbar v_Fpi E_gapprox 10^-4 ext cm ) (15.75)

Nếu ( xi >>lambda ) vật liệu là siêu dẫn loại 1, với ( lambda ) là độ xuyên sâu.

Nếu ( xi

*

Đồng thời định hướng BCS cũng cho biết thêm mối quan hệ giới tính giữa mật độ trạng thái của điện tử ở mức Fermi N(EF) và nhiệt độ Debye TD với ánh nắng mặt trời chuyển pha vô cùng dẫn: ( T_C=T_De^-frac1WN(E_F) ) (15.76)

Ở đây W là năng lượng tương tác điện tử – mạng; ( WN(E_F)

Lý thuyết BCS đã có thực nghiệm xác nhận.


b) những phương trình London

Hai bạn bè các nhà thiết bị lý fan Đức J.London với B.London cũng kiến tạo một định hướng để phân tích và lý giải tính siêu dẫn, đó là những phương trình London, dựa trên mô hình hai hóa học lỏng vì chưng Gorter và Casimir đề xướng. Theo đây trong hóa học siêu dẫn có những điện tử thường thì (bị tán xạ khi hoạt động gây ra năng lượng điện trở), sản xuất thành hóa học lỏng thường thì và những điện tử cực kỳ dẫn (không bị tán xạ), tạo nên chất lỏng rất dẫn. Ở 0K rất nhiều điện tử thâm nhập vào hóa học lỏng siêu dẫn cùng chỉ bao gồm điện tử hết sức dẫn chuyển cài đặt điện tích. Khi nhiệt độ tăng mạnh lên, một trong những phần điện tử “bay hơi” khỏi chất lỏng hết sức dẫn, tạo thành thành hóa học lỏng bình thường. Hai hóa học lỏng cùng chảy trong đồ gia dụng dẫn, thấm vào lẫn nhau. Lúc T > TC tất cả điện tử khôn cùng dẫn chuyển qua chất lỏng bình thường, đồ vật dẫn hết tính siêu dẫn.

Phương trình đầu tiên mô tả tính dẫn điện không tồn tại điện trở của khôn xiết dẫn: ( overrightarrowE=left( fracmn_Se^2 ight)fracdvecj_Sdt ) (15.77)

Phương trình vật dụng hai thể hiện tính nghịch từ: ( overrightarrowH=fracmcn_Se^2rotvecj_S ) (15.78)

Các phương trình London cho là từ trường kế bên chỉ rất có thể xuyên vào trong 1 lớp phương diện ngoài mỏng mảnh của một hóa học siêu dẫn các loại 1, độ xuyên thấu độ lớn vài trăm ( oversetOmathopA, ), được cho vì biểu thức: ( lambda =left( fracmc^24pi ne^2 ight)^1/2 ) (15.79)

Khi pha tạp vào kim loại có thể làm tăng cường độ xuyên sâu.

Sử dụng các phương trình London còn thu được một hiệu quả quan trọng là việc lượng tử hóa của từ thông gửi qua 1 chất rất dẫn. Trường đoản cú thông qua 1 vòng xuyến làm bằng siêu dẫn để trong sóng ngắn vuông góc với mặt phẳng của vòng ko phải thay đổi liên tục mà lại là bội nguyên của lượng:

 ( Phi _0=frach e ight=4,14.10^-15 ext Wb ) (15.80)

 ( Phi _n=nleft( frachleft ight) ) (n = 0, 1, ,2 ,3, …) (15.81)

c) kim chỉ nan nhiệt hễ học về gửi pha cực kỳ dẫn


Năng lượng định hình của trạng thái khôn cùng dẫn so với trạng thái thường đó là hiệu năng của hai trạng thái này, có thể xác định bằng phương pháp đo nhiệt dung hoặc đo từ. Xét trạng thái xác minh năng lượng bình ổn bằng cách thức đo từ thông qua hiệu ứng Meissner. Trong trạng thái cực kỳ dẫn sóng ngắn nội tại bằng 0, do đó ta có:

 ( H_a+4eta pi M=0 ) giỏi ( M=-fracH_a4pi eta ) (15.82)

*

Khi dịch rời một chất siêu dẫn từ xa cực kì về ngay sát một vị trí trong sóng ngắn từ trường của một nam châm hút vĩnh cửu, khôn cùng dẫn hoàn toàn có thể bị gửi sang trạng thái thường xuyên (hình 15.32).

Xem thêm: Hướng Dẫn Cài Đặt Độ Nhạy Cho Súng Và Setting Độ Nhạy Pubg Mobile Tốt Nhất

*

Bằng thực nghiệm xác minh năng lượng của đồ ở trạng thái khôn xiết dẫn US(0) và trạng thái hay UN(0) sẽ tính được tích điện ổn định ở 0K (xem hình 15.33): ( Delta U=U_N(0)-U_S(0)=left( frac18pi ight)H_ac^2 ) (15.83)

Khi ánh nắng mặt trời T > 0K phải xét năng lượng tự vì F = U – TS cho hai trạng thái.

Các triết lý nêu trên được cho phép sáng tỏ cơ chế hiện tượng lạ siêu dẫn nhiệt độ thấp. Tuy vậy với những chất rất dẫn ánh nắng mặt trời cao, hầu hết là các kim loại tổng hợp và hợp hóa học oxit gốm mà những hiệu ứng đồng vị không có giá trị thì các kim chỉ nan này chưa tồn tại sức thuyết phục. Tuy thế trong thực tế siêu dẫn ánh nắng mặt trời cao vẫn đang được triển khai mạnh mẽ và cũng có rất nhiều ý tưởng mày mò cơ chế triết lý của chúng.

2.2. Giải thích tính siêu dẫn ánh nắng mặt trời cao

+ Về mặt cấu trúc, các tinh thể khôn cùng dẫn ánh nắng mặt trời cao được xem như những khối perowskite ghép lại (ít nhất ba khối).


+ Năm 1964 nhà đồ vật lý fan Mỹ W.Little trả định rằng tua polime hữu cơ có thể đạt được ánh nắng mặt trời TC cao hơn ở kim loại. Ông giải thích rằng trong gai polime các điện tử dẫn hoạt động dọc theo gai còn năng lượng điện tử trung gian phân bổ ở những mạch bên và bọn chúng cũng chế tác thành cặp như trong khôn cùng dẫn kim loại, khi ấy TC đang tỉ lệ nghịch cùng với căn bậc hai của cân nặng điện tử, bởi vậy hoàn toàn có thể đạt cực hiếm rất cao, thậm chí tới 300 K. Tuy nhiên thực tế chưa có minh triệu chứng nào về các sợi hoặc bó tua polime khôn cùng dẫn ánh nắng mặt trời cao.

+ Nhà thiết bị lý fan Nga Ginzburg ý kiến đề nghị cơ chế hết sức dẫn exiton với mẫu là một trong những miếng kim loại mỏng mảnh kẹp chặt thân hai lớp điện môi, nhưng chưa tiến hành được.

+ Một ý tưởng nữa là chế tạo hiđro sắt kẽm kim loại và các hợp kim của nó, có ánh sáng Debye ( T_Dsim3000K ), tương xứng có ( T_Csim100-300K ). Tuy nhiên điều kiện chế tạo và bảo lưu hiđro kim loại là vô cùng cực nhọc (phải nén bên dưới áp lực cực kì lớn).

+ trường đoản cú 1986 fan ta giới thiệu cơ chế xê dịch phi điều hòa, có nghĩa là cơ chế xấp xỉ với biên độ lớn của các ion mạng tinh thể đối với siêu dẫn ánh sáng cao. Thực tế cũng ghi nhận bao gồm sự xấp xỉ phi cân bằng mãnh liệt ở các liên kết tất cả CuO ví dụ như La(Ba,Sr)CuO4, YBa2Cu3O7, … dẫu vậy để giải thích cơ chế cực kỳ dẫn vẫn áp dụng tương tac năng lượng điện tử – phonon mà tín đồ ta cho là không tương thích vì sinh sống đây không có hiệu ứng đồng vị.

+ bên cạnh đó người ta cũng phát hiện nay thấy rằng trong những chất cực kỳ dẫn gồm fermion nặng như một số trong những muối và hợp chất gồm chứa PF6, ClO4,… ko phải là việc kết đôi mà là sự việc kết thành bộ ba của các điện tử dẫn. Điều này sẽ không thể giải thích được bằng định hướng BCS.

Cho đến thời điểm này siêu dẫn vẫn còn nhiều điều túng ẩn, new mẻ so với con người.

3. Ứng dụng của khôn xiết dẫn

+ thứ nhất là làm các nam châm hút siêu dẫn gồm từ ngôi trường cực táo tợn nhưng lại sở hữu kích thước, khối lượng nhỏ, nhẹ, tránh khỏi hiệu ứng nhiệt Joule, được sử dụng trong số máy gia tốc Tokamak, tạo môi trường Plasma để khống chế những phản ứng sức nóng hạch, tụ tập được tích điện từ trường cho tới 600 triệu J dựa vào đó tạo thành nhiệt độ plasma cho 200 triệu độ. Nam châm từ siêu dẫn cũng khá được dùng để chế tạo các hộp động cơ điện, đồ vật phát điện hiệu suất cực cao, hoàn toàn có thể đạt đến hàng nghìn megawatt. Nhà máy điện cực kỳ dẫn sử dụng các nam châm từ siêu dẫn tất cả từ

trường rất mạnh, có thể có công suất tới đôi mươi tỷ watt (nhà thiết bị thường chỉ đạt 1 tỷ watt).

+ những cuộn dây siêu dẫn đính thêm trên những con tàu khôn xiết tốc chậy trên giường từ không khí, công dụng nâng những con tầu nặng hàng trăm tấn lên khỏi mặt đường ray với kéo nó chậy với tốc độ cực nhanh, tới 400-500 km/h (gọi là các “tầu hỏa bay”).

+ áp dụng hiệu ứng B.Josephson để chế tạo các thiết bị, cơ chế giao sứt lượng tử siêu dẫn (SQUID) có độ thiết yếu xác, độ nhậy khôn xiết cao, hoàn toàn có thể phát hiện phần nhiều từ trường cực nhỏ tuổi phát ra từ bỏ tim, não người…Đồng thời cũng rất có thể sử dụng hiệu ứng này ở hết sức dẫn nhằm chế các bộ lưu trữ và cỗ vi sử lý trong những thiết bị điện toán số.

+ sử dụng gốm vô cùng dẫn ánh nắng mặt trời cao làm các thiết bị trung gian và các bộ cảm ứng lớp mỏng tanh dùng mang đến quân sự, y hoc và nghiên cứu vũ trụ.

+ tương đối nhiều các dự án khác đang rất được triển khai thực hiện như:

Dùng dòng siêu dẫn ko tắt để tham dự trữ nguồn tích điện điện lớn lao không sợ hãi bị tổn hao.

Truyền thiết lập điện bằng dây cáp vô cùng dẫn dưới mặt đất, tăng năng suất tới 99,8%, đang rất được thử nghiệm sinh hoạt Mỹ, Nhật, Nga.

Sử dụng những dây truyền dẫn cực kỳ dẫn trong trang bị tính, thiết bị tin tức liên lạc tăng vận tốc cực nhanh, đúng mực và trung thực…

Tiềm năng ứng dụng của khôn cùng dẫn là vô cùng to lớn và quan tiền trọng, sẽ mang lại những thay đổi lớn lao và tác dụng trong kỹ thuật kỹ thuật, tài chính và đời sống xã hội. Nhất là một trong khi tìm kiếm ra rất dẫn áp dụng ở nhiệt độ phòng thì cần thiết lường hết được mục đích của khôn cùng dẫn khổng lồ lớn tới cả nào.


Chuyên mục: Tin Tức