Суперпроводност

Суперпроводљивост или суперпроводност је појава код извесних материјала на ниским температурама која се карактерише са: потпуним одсуством електричног отпора (R=0), или потпуним одсуством магнетног поља у унутрашњости тог материјала (Мајснеров ефекат). Тиме се за суперпроводнике каже да су то идеални проводници и идеални дијамагнетици. Суперпроводност се јавља испод критичне температуре T_c, која се разликује за различите материјале. На температурама вишим од критичне материјали се враћају у своју основну фазу. Суперпроводност има манифестације које су интересантне широј јавности и често се користе у популаризацији науке. Један од таквих макроскопских манифестација је у виду Мајснеровог ефекта када суперпроводници истискују из себе магнетно поље. Суперпроводност се манифестује и у виду непрекидног протицања струје кроз затворено коло ако се температура одржава испод критичне.

Магнет лебди изнад охлађеног суперпроводника (око −197 °C).

Керамички суперпроводник лебди изнад магнетне траке.

За разлику од обичног металног проводника, чији отпор постепено опада како се његова температура снижава чак и до скоро апсолутне нуле, суперпроводник има карактеристичну критичну температуру испод које отпор нагло пада на нулу.^[1] ^[2] Електрична струја кроз петљу од суправодљиве жице може трајати бесконачно без извора напајања.^[3]^[4]^[5]^[6]

Историјат

Феномен суперпроводности је 1911. године открио холандски научник Камерлинг Онес у Лајдену. У Деваровом суду у колу од суперпроводног материјала који је чинила жива на довољно ниској температури, струја је текла преко две године од затварања кола без промене магнетног поља при одржавању довољно ниске температуре. Иако су се научници деценијама бавили овим феноменом, основа појаве није била позната све до педесетих и шездесетих година 20. века.
1957. године су амерички физичари Џон Бардин (John Bardeen), Лион Купер (Leon Cooper) и Роберт Шрифер (Robert Schrieffer) објавили теорију суперпроводљивости (за конвенционалне, тада једино познате, суперпроводнике), сада познату као БЦС теорија. За ово откриће су добили Нобелову награду петнаест година касније, 1972. године. (То је била Бардинова друга Нобелова награда; прву је добио за рад на развоју транзистора.) Кључни део БЦС теорије је идеја да проводни електрони граде парове, названи Куперови парови, као последица интеракције са позитивним јонима кристала.
Тема суперпроводности је поново почела да буде актуелна почев од 1986. године када су откривени високотемпературни суперпроводници. Иако се феноменолошки ови суперпроводници понашају врло слично, њиихово објашњење је и данас отворено питање у науци.^[7]

Теорије суперпроводности

Историјски, постоје три теорије суперпроводности:

Лондонова теорија - феноменолошка теорија
Гинзбург-Лондонова - Лоднонова феноменолошка теорија која се ослања на Гинзбургову теорију фазних прелаза 2. реда
БЦС теорија суперпроводности (BCS) по физичарима Бардвину, Куперу и Шриферу - микроскопска теорија у којој Хамилтонијан ипак није прави, већ је одређен у апроксимацији средњег поља. БЦС теорија се примењује у две варијанте:
- варијационо преко БЦС таласне функције и
- дијагонализацијом Хамилтонијана преко Богољубовљевих канонских трансформација

Подела

Суперпроводност се појављује код разних материјала, укључујући и једноставне елементе попут калаја и алуминијума, неке маталне легуре, и високодопиране полупроводнике, као и извесна керамичка једињења која садрже нешто атома бакра и кисеоника. Друга врста једињења, позната као купрати, су високотемпературни суперпроводници. Суперпроводност се не појављује код племенитих метала попут злата и сребра, нити код феромагнетних метала попут гвожђа (мада гвожђе може да се претворити у суперпроводник ако се подвргне врло високим притисцима).

Поред класичних суперпроводника, постоји и класа материјала, позната као неконвенционални суперпроводници, код које се јавља суперпроводност, али чија су физичка својства у супротности са теоријом конвенционалних суперпроводника. Наиме, високотемпературни суперпроводници, откривени 1986, показују особину суперпроводљивости на температурама далеко вишим него што би то било могуће по конвенционалној теорији (ипак, ова температура је још увек далеко испод собне температуре). Тренутно не постоји целовита теорија високотемпературне суперпроводности.

Примери суперпроводљивих материјала
Супстанца	Критична температура у K	Критична температура у °C
волфрам ^[8]	0,012	−273,139
галијум ^[8]	1,091	−272,059
алуминијум	1,14	−272,01
жива ^[8]	4,153	−268,997
тантал ^[8]	4,483	−268,667
олово ^[8]	7,193	−265,957
ниобијум ^[8]	9,5	−263,65
AuPb	7,0	−266,15
Техницијум	11,2	−266,07
MoN	12,0	−261,15
PbMo₆S₈	15	−258,15
K₃C₆₀	19	−254,15
Nb₃Ge	23	−250,15
La₂CuO₄	35	−238,15
MgB₂	39	−234,15
Cs₃C₆₀	40	−233,15
Bi₂Sr₂CaCu₂O₈	92	−181,15
YBa₂Cu₃O_7-x; x ~ 0,2 ^[9]	93	−180,15
Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀	110	−163,15
HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x^[9]	133	−140,15

Објашњење појаве

Спарени електрони не могу индивидуално добити или изгубити мале количине енергије, као што би могли у делимично попуњеној проводној зони. Њихово спаривање ствара енергијски процеп у дозвољеним квантним нивоима, а на ниским температурама не постоји довољно енергије судара да се овај процеп прескочи. Према томе електрони могу слободно да се крећу кроз кристал без икакве размене енергије кроз сударе, то јест са нултим отпором.

Примена

Видео снимак супермагнета YBCO, који лебди изнад магнетне шине

Једна од могућих користи суперпроводника је та што би помоћу њих било могуће да се електрична енергија чува дуго времена, практично без утрошака. Ипак да би се суперпроводници користили у пракси, потребно је да „функционишу“ на температурама приближним собним (иначе би их утрошак енергије за хлађење учинио непрактичним). Зато већ дуги низ година научници раде на стварању суперпроводника који раде на све вишим температурама.

Референце

^ Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. стр. 1—2. ISBN 9781108428415.
^ Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. стр. 7. ISBN 9780470026434.
^ John Bardeen; Leon Cooper; Schriffer, J. R. (1. 12. 1957). Theory of Superconductivity. Physical Review. 108. стр. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. ISBN 978-0-677-00080-0. S2CID 73661301. doi:10.1103/physrev.108.1175. Приступљено 6. 6. 2014. reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov . The Theory of Superconductivity, Vol. 4. CRC Press. 1963. стр. 73. ISBN 0677000804.
^ John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th изд.). Infobase Publishing. стр. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.
^ Gallop, John C. (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. стр. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.
^ Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. стр. 102—103. ISBN 978-0-7503-0721-5.
^ Tinkham 1996, стр. 1–16.
^ ^а ^б ^в ^г ^д ^ђ Kittel 1996.
^ ^а ^б Schwaigerer et al. 2002, стр. 108–124.

Литература

Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. стр. 7. ISBN 9780470026434.
Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. стр. 1—2. ISBN 9781108428415.
Kittel, Charles (1996). Introduction to Solid State Physics (7. изд.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-11181-8.
Schwaigerer, F.; Sailer, B.; Glaser, J.; Meyer, H. J. (2002). Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit. Chemie in unserer Zeit. 36 (2. изд.). стр. 108—124. doi:10.1002/1521-3781(200204)36:2<108::AID-CIUZ108>3.0.CO;2-Y.
Tinkham, Michael (1996). Увод у суперпроводност. стр. 1—16. 0-07-064878-6.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (2003). University Physics (11th изд.). ISBN 978-0-8053-8684-4.
Hagen Kleinert (1989). „Superflow and Vortex Lines”. Gauge Fields in Condensed Matter. 1. World Scientific. ISBN 978-9971-5-0210-2.
Anatoly Larkin; Andrei Varlamov (2005). Theory of Fluctuations in Superconductors. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-852815-9.
Lebed, A. G. (2008). The Physics of Organic Superconductors and Conductors. 110 (1st изд.). Springer. ISBN 978-3-540-76667-4.
Jean Matricon; Georges Waysand; Charles Glashausser (2003). The Cold Wars: A History of Superconductivity. Rutgers University Press. ISBN 978-0-8135-3295-0.
„Physicist Discovers Exotic Superconductivity”. ScienceDaily. 17. 8. 2006.
Michael Tinkham (2004). Introduction to Superconductivity (2nd изд.). Dover Books. ISBN 978-0-486-43503-9.
Terry Orlando; Kevin Delin (1991). Foundations of Applied Superconductivity. Prentice Hall. ISBN 978-0-201-18323-8.
Paul Tipler; Ralph Llewellyn (2002). Modern Physics (4th изд.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.
Shane M. O'Mahony; University of Oxford (2022). „On the electron pairing mechanism of copper-oxide high temperature superconductivity”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (37): e2207449119. Bibcode:2022PNAS..11907449O. arXiv:2108.03655  . doi:10.1073/pnas.2207449119.
Charlie Wood, Quanta Magazine (2022). "High-Temperature Superconductivity Understood at Last"
Nagamatsu, Jun; Nakagawa, Norimasa; Muranaka, Takahiro; Zenitani, Yuji; Akimitsu, Jun (1. 3. 2001). „Superconductivity at 39 K in magnesium diboride”. Nature. 410 (6824): 63—64. Bibcode:2001Natur.410...63N. PMID 11242039. doi:10.1038/35065039.
Datars, W. R.; Morgan, K. R.; Gillespie, R. J. (1983). „Superconductivity of Hg₃NbF₆ and Hg₃TaF₆”. Phys. Rev. B. 28: 5049—5052. Bibcode:1983PhRvB..28.5049D. doi:10.1103/PhysRevB.28.5049.
Einstein, A. (1922). „Theoretical remark on the superconductivity of metals”. arXiv:physics/0510251  .
London, F. W. (1960). „Macroscopic Theory of Superconductivity”. Superfluids. Structure of matter series. 1 (Revised 2nd изд.). Dover. ISBN 978-0-486-60044-4. By the man who explained the Meissner effect. pp. 34–37 gives a technical discussion of the Meissner effect for a superconducting sphere.
Saslow, W. M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Academic. стр. 486–489. ISBN 978-0-12-619455-5. gives a simple mathematical discussion of the surface currents responsible for the Meissner effect, in the case of a long magnet levitated above a superconducting plane.
Tinkham, M. (2004). Introduction to Superconductivity. Dover Books on Physics (2nd изд.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9. A good technical reference.

Спољашње везе

[Combescot-1] Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. стр. 1—2. ISBN 9781108428415.

[Fossheim-2] Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. стр. 7. ISBN 9780470026434.

[3] John Bardeen; Leon Cooper; Schriffer, J. R. (1. 12. 1957). Theory of Superconductivity. Physical Review. 108. стр. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. ISBN 978-0-677-00080-0. S2CID 73661301. doi:10.1103/physrev.108.1175. Приступљено 6. 6. 2014. reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov . The Theory of Superconductivity, Vol. 4. CRC Press. 1963. стр. 73. ISBN 0677000804.

[Daintith-4] John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th изд.). Infobase Publishing. стр. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.

[Gallop-5] Gallop, John C. (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. стр. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.

[Durrant-6] Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. стр. 102—103. ISBN 978-0-7503-0721-5.

[FOOTNOTETinkham19961–16-7] Tinkham 1996, стр. 1–16.

[FOOTNOTEKittel1996-8] а ^б ^в ^г ^д ^ђ Kittel 1996.

[FOOTNOTESchwaigererSailerGlaserMeyer2002108–124-9] а ^б Schwaigerer et al. 2002, стр. 108–124.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]