Υπεραγωγοί:Ιδιότητες, Εφαρμογές &Πώς λειτουργούν

Οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Επιτυγχάνουν υπεραγωγιμότητα, όπου το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει συνεχώς χωρίς απώλεια ενέργειας.

Οι υπεραγωγοί και η υπεραγωγιμότητα είναι ένα συναρπαστικό πεδίο στη σύγχρονη φυσική και επιστήμη των υλικών, με εφαρμογές που κυμαίνονται από την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) έως τους κβαντικούς υπολογιστές. Ακολουθεί μια ματιά στην έννοια των υπεραγωγών, στον τρόπο ταξινόμησης, στις ιδιότητές τους, στον τρόπο λειτουργίας και στις εφαρμογές τους.

Τι είναι οι υπεραγωγοί και η υπεραγωγιμότητα;

Υπεραγωγιμότητα είναι ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο όπου ένα υλικό εμφανίζει μηδενική ηλεκτρική αντίσταση και αποβάλλει μαγνητικά πεδία όταν ψύχεται κάτω από μια χαρακτηριστική κρίσιμη θερμοκρασία (Tc). Οι υπεραγωγοί είναι τα υλικά που παρουσιάζουν αυτό το φαινόμενο.

Ιδιότητες υπεραγωγών

Ένας υπεραγωγός είναι ένας τέλειος ηλεκτρικός αγωγός, όπου συνεχές ρεύμα ρέει συνεχώς χωρίς απώλεια ενέργειας μέσω της θερμότητας ή του ήχου. Είναι ένα τέλειο διαμαγνητικό υλικό. Οι υπεραγωγοί διώχνουν επίσης εξωτερικά μαγνητικά πεδία, οδηγώντας στο φαινόμενο Meissner. Ένας μόνιμος μαγνήτης που αιωρείται πάνω από έναν υπεραγωγό δείχνει αυτό το φαινόμενο. Ενώ η μηδενική αντίσταση και το φαινόμενο Meissner είναι ιδιότητες κοινές σε όλους τους υπεραγωγούς, υπάρχουν επίσης ιδιότητες που ποικίλλουν ανάλογα με το υλικό.

Ιδιότητες ανεξάρτητες από υλικό

• Μηδενική ηλεκτρική αντίσταση :Αυτό είναι το πιο καθοριστικό χαρακτηριστικό, που επιτρέπει στους υπεραγωγούς να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς απώλεια ενέργειας.
• Εφέ Meissner :Το φαινόμενο Meissner είναι η αποβολή μαγνητικών πεδίων από το εσωτερικό του υπεραγωγού.

Ιδιότητες που εξαρτώνται από υλικό

• Κρίσιμη θερμοκρασία (Tc) :Η κρίσιμη θερμοκρασία είναι η θερμοκρασία κάτω από την οποία το υλικό γίνεται υπεραγώγιμο.
• Κρίσιμο μαγνητικό πεδίο (Hc) :Αυτή είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου που καταστρέφει την υπεραγωγιμότητα.
• Κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος (Jc) :Αυτή είναι η μέγιστη πυκνότητα ρεύματος που φέρει το υλικό χωρίς να χάσει τις υπεραγώγιμες ιδιότητες του.

Υλικά και παραδείγματα υπεραγωγών

Περίπου τα μισά από τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα. Ωστόσο, πολλά άλλα υλικά εμφανίζουν επίσης το αποτέλεσμα.

• Μεταλλικά στοιχεία :Ο υδράργυρος ήταν ο πρώτος υπεραγωγός που ανακαλύφθηκε.
• Οργανικά :Για παράδειγμα, οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα φουλερένια είναι υπεραγωγοί.
• Κράματα :Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν νιόβιο-τιτάνιο και γερμάνιο-νιόβιο.
• Κεραμικά :Παραδείγματα περιλαμβάνουν χαλκό (π.χ. οξείδιο του χαλκού υττρίου βαρίου ή YBCO) και διβορίδιο μαγνησίου.
• Με βάση το σίδηρο :Σεληνίδιο του σιδήρου (FeSe) και LaOFeAs με πρόσμειξη με φθόριο.

Ταξινόμηση υπεραγωγών

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι ταξινόμησης υπεραγωγών:

1. Τύπος Ι και Τύπος II

• Υπεραγωγοί Τύπου Ι :Αυτοί είναι επίσης γνωστοί ως συμβατικοί υπεραγωγοί. Παρουσιάζουν πλήρη απώλεια αντίστασης και εμφανίζουν πλήρως το φαινόμενο Meissner. Συνήθως έχουν χαμηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες και καταστρέφονται από σχετικά ασθενή μαγνητικά πεδία.
• Υπεραγωγοί Τύπου II :Αυτά παραμένουν υπεραγώγιμα σε υψηλότερα μαγνητικά πεδία. Εμφανίζουν μερικό φαινόμενο Meissner και χωρίζονται σε μικτές καταστάσεις.

2. Συμβατικό και αντισυμβατικό

• Συμβατικοί Υπεραγωγοί :Η θεωρία BCS (θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer) εξηγεί αυτούς τους υπεραγωγούς, οι οποίοι αποτελούνται κυρίως από στοιχειώδη μέταλλα και μεταλλοειδή.
• Μη συμβατικοί υπεραγωγοί :Αυτά τα υλικά δεν συμμορφώνονται με τη θεωρία BCS και περιλαμβάνουν υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.

3. Υψηλή και χαμηλή θερμοκρασία

• Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας :Αυτά τα υλικά γίνονται υπεραγώγιμα σε θερμοκρασίες που είναι σημαντικά υψηλότερες από το απόλυτο μηδέν, αν και εξακολουθούν να είναι εξαιρετικά κρύα (πάνω από 30 K ή −243,15 °C).
• Υπεραγωγοί χαμηλής θερμοκρασίας :Γίνονται υπεραγώγιμα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

4. Ανά Κατηγορία Υλικού

Για παράδειγμα:

• Μεταλλικοί Υπεραγωγοί :Όπως το νιόβιο, ο μόλυβδος και ο υδράργυρος.
• Cuprate Superconductors :Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας με βάση τον χαλκό.
• Υπεραγωγοί με βάση το σίδηρο :Μια νεότερη κατηγορία που εμφανίζει υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία.

Πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί

Η θεωρία BCS εξηγεί πώς λειτουργούν οι συμβατικοί (Τύπου Ι) υπεραγωγοί. Η θεωρία πήρε το όνομά της από τους John Bardeen, Leon Cooper και Robert Schrieffer, οι οποίοι τη διατύπωσαν το 1957. Τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη γνωστά ως ζεύγη Cooper. Αυτά τα ζεύγη κινούνται μέσα από το πλέγμα του υλικού χωρίς διασπορά, οδηγώντας σε μηδενική ηλεκτρική αντίσταση.

Δείτε πώς λειτουργεί:

1. Ζεύγη Cooper και Σύζευξη ηλεκτρονίων

Σε έναν κανονικό αγωγό, η ηλεκτρική αντίσταση οφείλεται κυρίως στα ηλεκτρόνια που διασκορπίζονται από ακαθαρσίες και δονήσεις πλέγματος (φωνόνια) στο υλικό. Αντίθετα, η υπεραγωγιμότητα περιλαμβάνει ηλεκτρόνια που σχηματίζουν ζεύγη γνωστά ως ζεύγη Cooper.

• Ζεύγη Cooper :Πρόκειται για ζεύγη ηλεκτρονίων που, αντιδιαισθητικά, ελκύουν το ένα το άλλο υπό ορισμένες συνθήκες παρά τα ίδια αρνητικά φορτία τους. Οι δονήσεις του πλέγματος μεσολαβούν σε αυτήν την έλξη.
• Διαμεσολάβηση Phonon :Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα από ένα πλέγμα, έλκει κοντινά θετικά ιόντα. Αυτό δημιουργεί μια περιοχή θετικής πυκνότητας φορτίου που προσελκύει ηλεκτρόνια, οδηγώντας σε μια αποτελεσματική έλξη ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου. Αυτή η αλληλεπίδραση μεσολαβείται από φωνόνια, τα οποία είναι κβαντικές μονάδες δονητικής ενέργειας που προέρχεται από ταλαντούμενα άτομα.

2. Ενεργειακό Κενό και Υπεραγώγιμη Κατάσταση

• Ενεργειακό Κενό :Ο σχηματισμός ζευγών Cooper οδηγεί σε ένα ενεργειακό χάσμα μεταξύ της υπεραγώγιμης και της κανονικής κατάστασης. Αυτό το κενό σημαίνει ότι χρειάζεται ένα ορισμένο ποσό ενέργειας για να σπάσει τα ζεύγη και να καταστραφεί η υπεραγωγιμότητα.
• Ροή χωρίς αντίσταση :Μέσα στην υπεραγώγιμη κατάσταση, αυτά τα ζεύγη Cooper κινούνται μέσα από το πλέγμα χωρίς σκέδαση. Αυτός είναι ο κύριος λόγος πίσω από τη μηδενική ηλεκτρική αντίσταση στους υπεραγωγούς.

3. Κρίσιμη θερμοκρασία (Tc)

• Κάθε υπεραγωγός έχει μια συγκεκριμένη κρίσιμη θερμοκρασία κάτω από την οποία εμφανίζει υπεραγωγιμότητα. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, η θερμική ενέργεια σπάει τα ζεύγη Cooper και το υλικό επανέρχεται σε κανονική αγώγιμη κατάσταση.

4. Εφέ Meissner

• Εκτός από τη μηδενική αντίσταση, οι υπεραγωγοί παρουσιάζουν επίσης το φαινόμενο Meissner. Όταν ένα υλικό μεταβαίνει στην υπεραγώγιμη κατάσταση, διώχνει το μαγνητικό πεδίο από το εσωτερικό του. Αυτό οφείλεται στη διαμαγνητική φύση του υπεραγωγού στην υπεραγώγιμη κατάσταση, η οποία αντιτίθεται τέλεια σε οποιοδήποτε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας και μη συμβατικοί υπεραγωγοί

Η θεωρία BCS δεν εξηγεί πλήρως την υψηλή θερμοκρασία (Τύπου II) ή τους μη συμβατικούς υπεραγωγούς. Αυτά τα υλικά, όπως τα χαλικά άλατα και οι υπεραγωγοί με βάση το σίδηρο, έχουν υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες και πιο πολύπλοκες δομές. Ο ακριβής μηχανισμός υπεραγωγιμότητας τους είναι ακόμα αντικείμενο έρευνας. Οι θεωρίες προτείνουν ότι ο μηχανισμός ζευγοποίησης ηλεκτρονίων μπορεί να περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις πιο πολύπλοκες από τη μεσολάβηση φωνονίων.

Βραβεία Ιστορίας και Νόμπελ Υπεραγωγιμότητας

Η υπεραγωγιμότητα παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στον υδράργυρο από τον Heike Kamerlingh Onnes το 1911.

Μέχρι σήμερα, έχουν απονεμηθεί πέντε βραβεία Νόμπελ Φυσικής για την έρευνα στην υπεραγωγιμότητα:

• 1913 :Η Heike Kamerlingh Onnes λαμβάνει το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας.
• 1972 :Ο John Bardeen, ο Leon N. Cooper και ο J. Robert Schrieffer λαμβάνουν το βραβείο Νόμπελ για τη θεωρία BCS.
• 1973 :Οι ανακαλύψεις σχετικά με τα φαινόμενα διάνοιξης σήραγγας σε ημιαγωγούς και υπεραγωγούς χαρίζουν στους Leo Esaki, Ivar Giaever και Brian D. Josephson το Νόμπελ Φυσικής.
• 1987 :J. Georg Bednorz και K. Alex Müller για την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας στους χαλκούδες.
• 2003 :Ο Alexei A. Abrikosov, ο Vitaly L. Ginzburg και ο Anthony J. Leggett λαμβάνουν το βραβείο για την πρωτοποριακή τους συμβολή στη θεωρία των υπεραγωγών και των υπερρευστών.

Εφαρμογές Υπεραγωγών

Οι υπεραγωγοί έχουν πολλές χρήσεις:

• Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) :Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες παράγουν ισχυρά και σταθερά μαγνητικά πεδία.
• Επιταχυντές σωματιδίων :Οι υπεραγωγοί παίζουν σημαντικό ρόλο στην κατασκευή μεγάλων ηλεκτρομαγνητών.
• Τρένα Magnetic Levitation (Maglev) :Τα τρένα χρησιμοποιούν υπεραγωγούς για μεταφορά χωρίς τριβές και υψηλής ταχύτητας.
• Μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας :Τα υπεραγώγιμα καλώδια μεταδίδουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς απώλειες.
• Κβαντικός Υπολογισμός :Οι υπεραγωγοί είναι το κλειδί για την ανάπτυξη qubits για κβαντικούς υπολογιστές.

Αναφορές

• Bardeen, John; Cooper, Leon; Schrieffer, J. R. (1957). «Θεωρία της Υπεραγωγιμότητας». Φυσ. Αναθ . 108:1175. ISBN 978-0-677-00080-0. doi:10.1103/physrev.108.1175
• Combescot, Roland (2022). Υπεραγωγιμότητα . Cambridge University Press. ISBN 9781108428415.
• Durrant, Alan (2000). Κβαντική φυσική της ύλης . Τύπος CRC. ISBN 978-0-7503-0721-5.
• Hirsch, J. E.; Maple, Μ. Β.; Marsiglio, F. (2015). «Τάξεις υπεραγώγιμων υλικών:Εισαγωγή και επισκόπηση». Φυσική Γ:Υπεραγωγιμότητα και οι εφαρμογές της . Υπεραγώγιμα Υλικά:Συμβατικά, Μη Συμβατικά και Απροσδιόριστα. 514:1–8. doi:10.1016/j.physc.2015.03.002
• Schilling, A.; et al. (1993). «Υπεραγωγιμότητα πάνω από 130 K στο σύστημα Hg–Ba–Ca–Cu–O». Φύση . 363 (6424):56–58. doi:10.1038/363056a0