Mágneses kocka lebeg cseppfolyósnitrogénnel hűtött magas hőmérsékletű szupravezető felett
Aszupravezetés azon fizikai jelenség, melynek során egyes ún.szupravezető anyagok nagyon alacsony hőmérsékleten (általában -200 °C alatt) elvesztikelektromos ellenállásukat, valamint kizárják magukból amágneses mezőt. 1911-ben fedezte fel a hollandHeike Kamerlingh Onnes.
Egy fémvezetőelektromos ellenállása a hőmérséklet esésével csökken. Hétköznapi vezetőanyagok, mint a réz és ezüst esetében szennyeződések miatt fennáll egy alsó határ; közönséges réznélabszolút nulla fok közelében sem nulla az ellenállás.
Egy szupravezető ellenállása ezzel szemben hirtelen esik nullára az úgynevezett kritikus hőmérséklet elérésekor, ami általában 20kelvin, vagy kevesebb (alacsony hőmérsékletű szupravezetőknél). Így egy szupravezető körben az áram folyamatosan folyni fog külső forrás nélkül is. Akárcsak aferromágnesség vagy aszínképvonalak, a szupravezetés iskvantummechanikai jelenség, így nem értelmezhető a klasszikus fizika módszereivel, avezetés idealizálásával.
Szupravezetés az anyagok széles skálájánál előfordul:kémiai elemeknél, mint például azón vagy azalumínium, fémötvözeteknél, néhány erősen szennyezett félvezetőnél és aréztartalmú, réteges, torzultperovszkit kristályszerkezetű kerámiáknál – utóbbiak a magas hőmérsékletű szupravezetők. A szupravezetés nem jön létrenemesfémekben (például arany vagy ezüst). Általábanferromágneses anyagokban (például vas, kobalt) nem jön létre szupravezetés, az utóbbi években azonban előállítottak ferromágneses szupravezetőket. A szupravezetés elméletét az 1950-es években sikerült tisztázni, ekkor jelent meg aGinzburg–Landau-elmélet és aBCS-elmélet.
Amagas hőmérsékletű szupravezetők (melyek kritikus hőmérséklete 90 K fölött van) 1986-os felfedezése után a szupravezetés kutatása újra felkapott lett több ok miatt. Az alapkutatások terén azért, mert ezen új anyagok viselkedése nem írható le a jelenlegi modellekkel. Másrészt így könnyebben előállítható a szupravezetők üzemi hőmérséklete – cseppfolyóshélium helyett cseppfolyós nitrogénnel hűthetők – így több kereskedelmi célú alkalmazási terület is elérhetővé vált. A kutatások harmadik iránya a kritikus hőmérséklet további emelése, aszobahőmérsékletű szupravezetők előállítása.
A szupravezetőket csoportosíthatjuk fenomenologikusan kritikus hőmérsékletük (alacsony és magas hőmérsékletű szupravezetők) alapján.Fázisdiagramjuk felépítése szerint megkülönböztetünk I. és II. típusú szupravezetőket. A szupravezető állapotot létrehozókölcsönhatás alapján konvencionális, illetve nem-konvencionális szupravezetőkről beszélünk.
Ez a szupravezetők elsőként felfedezett csoportja jellemzően 10 K alatti kritikus hőmérséklettel. Ide tartozik a legtöbb szupravezető elem, így ahigany és azalumínium.Megfelelően nagy külső mágneses tér elnyomhatja a szupravezetést: az I. típusú szupravezetők egy hőmérsékletfüggő Hc(T) tér felett közönséges vezetővé alakulnak vissza.
A II. típusú szupravezetők jellemzője a kevert fázis: egy Hc1(T) külső mágneses tér felett a szupravezető anyagbanvortexek jelennek meg, a szupravezető állapot egy Hc2(T)>Hc1(T) tér felett szűnik meg. A kevert fázist 1957-ben írta leAlekszej Abrikoszov szovjet tudós, aki kutatásaiért 2003-ban megosztottfizikai Nobel-díjat kapott.A szupravezetőknek ebbe a csoportjába tartozik anióbium, atechnécium, avanádium, a szupravezető vegyületek nagy része, és a magas hőmérsékletű szupravezetők.
Ide soroljuk azokat az anyagokat, melyek átalakulása nem írható le aBCS-elmélet keretein belül, például a magashőmérsékletű szupravezetőket, valamint aferromágneses szupravezetőket. Ezen anyagokkal kapcsolatban sok kérdés tisztázatlan, elméleti és kísérleti kutatásuk mai napig lezáratlan.
ABCS-elmélet alapjánWilliam L. McMillan 1968-ban megmutatta, hogy a szupravezetők kritikus hőmérséklete mintegy 30-40 K értéknél nem lehet nagyobb. Ezért nagy meglepetést okoztak az 1980-as években felfedezett magas átmeneti hőmérsékletű szupravezető kerámiák, melyek kritikus hőmérséklete 100 K körüli is lehet (YBCO: 93 K,BSCCO: 107 K). A magas kritikus hőmérséklet oka még ismeretlen, viszont nincs olyan modell, ami megállapítana egy hőmérsékleti maximumot, így kizárná aszobahőmérsékletű szupravezetők létezését.
A szupravezetők fizikai tulajdonságainak nagy része anyagonként változik, mint például ahőkapacitás vagy a kritikus hőmérséklet, ahol a jelenség megszűnik; másfelől vannak tulajdonságok amik függetlenek az anyagtól – például az összes szupravezetőnek pontosan nulla az ellenállása kis áramoknál, valamint a mágneses mező sincs jelen. Ezeknek az „univerzális” tulajdonságoknak a megléte arra enged következtetni, hogy a szupravezetés egy termodinamikai állapot, így vannak kitüntetett tulajdonságai, amelyek függetlenek a mikroszkopikus részletektől.
A legegyszerűbb módszer egy anyag ellenállásának a vizsgálatára az, hogy egyáramkörbe tesszük, sorba kötve egy áramforrással, így lemérve a rajta eső feszültséget azOhm-törvény használatával megkapjuk az ellenállás értékét. Ha a feszültségesés nulla, akkor az ellenállás is nulla lesz, így elmondhatjuk, hogy az anyag szupravezető állapotban van.
A szupravezetők képesek áramot fenntartani feszültség jelenléte nélkül. Ezt a tulajdonságot használják ki a szupravezető elektromágnesek (ilyenek például azMRI gépekben vagy azNMR spektrométerekben találhatók). Kísérletek igazolják, hogy szupravezető tekercsekben fenntartható az áram évekig, mérhető csökkenés nélkül. Szintén kísérleti bizonyítékok szerint ez a hatás legalább 100 000 évig fennáll, de elméleti bizonyítás szerint tovább fennállna, mint az univerzum életkora.
Normál vezetőben az elektromos áram ("I") elektronokionrácsban történő áramaként képzelhető el, amely a gerjesztő potenciálkülönbség ("U" feszültség) okozta nyomás hatására zárt áramkörben jön létre. A töltéshordozók a kiegyenlítődés felé áramlásnak indulnak ("I" elektromos áram keletkezik, I = U/R ). Az (töltéshordozók) elektronok áramlása során folyamatosan ütköznek a rács ionjaival, és minden ütközés során a helyhez kötött ionrácsok elnyelnek valamennyit az áram által szállítottenergiából. ΔP = ΔU x I. Az elnyelt energia ΔP x t(idő) növeli a helyhez kötött töltéshordozók energiáját, abban hővé alakul – ami alapvetően megfelel afémrácskinetikus energiájának. Végeredményként az áramlást létrehozó feszültség, mint munkavégző képesség, energia, az R ellenállású áramkörben felemésztődik, így az áramlást létrehozó potenciálkülönbség az "R" ellenállású szakasz végén megszűnik (Kirchhoff II. törvény).
Szupravezetőnél más a helyzet. Egy átlagos (I. típusú) szupravezetőben a mozgó elektronok ún.Cooper-párokba rendeződnek, amik alacsonyabb energiaszintet biztosítanak nekik alacsony hőmérsékleten. A párbarendeződést egy vonzóerő okozza az elektronok között afononok cseréje révén. Akvantummechanika szerint egy Cooper-pár energiája csak lépésenként változhat, így lesz egy minimális ΔE energiaszint, aminek meg kell lennie a Cooper-párok áramának megindulásához. Ha ΔE nagyobb, mint az ionrács hőenergiája(amit a kT határoz meg, ahol k aBoltzmann-állandó és T a hőmérséklet) akkor a rács nem akadályozza a párok mozgását, amik így nem vesztenek energiát. A Cooper-párokba rendeződött elektronok mozgása aszuperfolyadékokhoz hasonló.
Egy II. típusú szupravezetőben (ilyen az összes magas hőmérsékletű szupravezető) egy nagyon minimális ellenállás megmarad olyan hőmérsékleteknél, amik a szupravezető átmenet közelében vannak, ha az áram erős mágneses mező jelenlétében folyik (amit akár saját maga is okozhat). Ezt a mozgó örvények megjelenése okozza az elektronáramban, amik az áram energiáját nyelik el. Ha az áram kicsi, az örvények állnak, így az ellenállás megszűnik. Ha a hőmérséklet leesik messze az átmenet alá, az örvények „befagynak” egy rendezetlen, de állandó állapotba, (ún.vortex-glass) és az ellenállás teljesen megszűnik így is. Az örvények miatt létrejövő ellenállás kicsiny töredéke a nem-szupravezetőkének, de kísérletekben számolni kell vele.
A szupravezető anyagokban a szupravezető hatás akkor jelentkezik, ha az anyag hőmérséklete (T) akritikus hőmérsékletTc alá esik. Ez a Tc érték anyagonként más.
I. típusú szupravezetőknél tipikusan 1 K és 20 K között található (például ahiganynak 4,2 K – először ennél a fémnél vették észre a jelenséget). A csúcsot 2001 óta amagnézium-diborid (MgB2) tartja – 39 kelvines kritikus hőmérséklete a legmagasabb a hagyományos szupravezetők között – bár érdekes tulajdonságai miatt vita tárgyát képezi, hogy hagyományosnak minősül-e. Előfordul, hogy külön „közepes hőmérsékletű szupravezető” (KHS) kategóriába sorolják.
A magas hőmérsékletű réz-oxid alapú szupravezetők(MHS) kritikus hőmérséklete jóval nagyobb: AYBa2Cu3O7, az egyik elsőként felfedezett MHS kritikus hőmérséklete 92 kelvin, később higany-alapú szupravezetőkkel meghaladták a 130 kelvint. A magas hőmérsékletek oka még ismeretlen – az elektronpárokat használó modell csak az I. típusú szupravezetők működését írja le.
A szupravezetők másik két jellemző értéke akritikus mágneses térerő (Hc) és akritikus áramsűrűség (Jc). Ezek azt mutatják meg, hogy mekkora áramsűrűség és mágneses tér fölött lép vissza az anyag normál állapotba a szupravezető állapotból. Ha a kritikus hőmérséklettel egy koordináta-rendszerben ábrázoljuk az értékeket (mind külön tengelyen) megkapjuk akritikus felületet. A kritikus felület alatti értékekkel rendelkező anyag szupravezető állapotban, az afölötti értékekkel rendelkező anyag normál állapotban van, tehát a felület az állapotátmenet helyét mutatja. A kritikus felület alakja anyagtípusonként eltérő.
A szupravezető állapotba való átmenetet több fizikai mennyiség hirtelen ugrása kíséri. Például a hőkapacitás nem-szupravezető állapotban arányos a hőmérséklettel. Szupravezető állapotba lépéskor egy hirtelen ugrás történik, majd a kritikus hőmérséklet alatt exponenciális függvény írja le:e‒α/T ahol α egy konstans (ez az exponenciális függés az egyik bizonyíték a kvantumosság mellett).
Az állapotátmenet rendje sokáig vita tárgyát képezte. Kísérletek szerint az átmenet másodrendű, mivel nincs szükség rejtett hőre az átmenethez (például a halmazállapot-változásokhoz kell rejtett hő, azolvadáshő illetve aforráshő). A 70-es években végzett számítások szerint elsőrendű, mivel sokáig tartó ingadozást okoz az átmenet az elektromágneses mezőben. Nemrég sikerült csak elméleti bizonyítást találni az örvényvonalakkal számolórendezetlen mező elmélet segítségével. Az elmélet szerint az átmenet másodrendű a II. típusú szupravezetőknél és elsőrendű az I. típusúaknál. A két tartományt a „hármas kritikus pont” választja el.
Ha a szupravezetőt gyenge Hmágneses térbe helyezzük, a tér csak egy minimális λ távolságra hatol be a szupravezetőbe, ez az úgynevezettbehatolási mélység, ami után a mágneses térerősség nullára csökken. A legtöbb szupravezető esetén ez a mélység 100 nanométeres nagyságrendű. Ez aMeissner–Ochsenfeld-effektus. (A szakirodalom sokszor a rövidebbMeissner-effektus nevet használja.)
A Meissner–Ochsenfeld-effektus könnyen összekeverhető az ideális vezetők diamágnesességével:Lenz törvénye szerint a változó mágneses tér áramot indukál a vezetőben, és ezen áram által keltett mágneses tér pontosan az áramot létrehozó hatás ellen dolgozik. A Meissner–Ochsenfeld-effektus abban különbözik ettől, hogy a szupravezető az összes mágneses teret kizárja – nem csak a változó teret –, ha kritikus hőmérséklet alá hűtjük.
A Meissner-effektust aLondon-egyenletek egyike írja le. Az egyenlet szerint a szupravezető belseje felé haladva a mágneses tér exponenciálisan csökken:
A Meissner-effektus megszűnik, ha a mágneses tér túl nagy:
I. típusú szupravezetőknél a szupravezetés azonnal megszűnik, ha a térerő a Hc kritikus térerősség feletti. Az anyag geometriájától függően megjelenhet egyköztes állapot, ahol normál és szupravezető részek váltják egymást az anyagban.
II. típusú szupravezetőknél két kritikus térerő is létezik: egy Hc1 értéket meghaladva a szupravezetőkevert állapotba jut, ahol a tér ugyan behatol az anyagba, de az ellenállás nélküli vezetés nem szűnik meg (amíg nem túl nagy az áram). A Hc2 második kritikus értéket meghaladva a szupravezetés teljesen megszűnik. Ezt a kevert állapotot az elektronpárok áramában fellépő örvények okozzák.
1885-ben két francia fizikus, Louis Paul Cailletet és Bouty, valamint tőlük függetlenül Zygmund Florenty von Wróblenski lengyel fizikus nagyobb mennyiségben cseppfolyósítja azoxigént és anitrogént, és közben felfedezik, hogy azabszolút nulla fok közelében azelektromos ellenállás hirtelen nullára csökken.
A következő évtizedekben több szupravezető anyagot is találtak.1913-ban azólomról mutatták ki, hogy 7 K-en,1941-ben anióbium-nitridről (NbN), hogy 16 K-en szupravezetővé válik.
A következő fontosabb lépés a szupravezetés megértésében1933-ban történt, amikorMeissner ésOchsenfeld felfedezték, hogy a szupravezetők kiszorítják magukból a mágneses teret. Ezt a jelenséget maMeissner-hatásnak nevezzük.1935-ben két németfizikus,Fritz ésHeinz London megmutatta, hogy a Meissner-hatás levezethető abból a feltételből, hogy a szupravezető áram elektromágnesesszabad energiája minimális legyen.
Az1950-es években jött létre aGinzburg-Landau-elmélet, melyet a szovjetLandau ésGinzburg talált ki. Ez az elmélet, amely kombinálja Landau elméletét a másodrendűfázisátmenetekről egySchrödinger-szerű hullámegyenlettel, nagy sikert ért el a szupravezetők makroszkopikus tulajdonságainak magyarázatában. Ezt az elméletet felhasználva mutatta megAbrikoszov, hogy a szupravezetők két csoportra oszthatók, melyeket jelenleg I. és II. típusúaknak nevezünk. Abrikoszov és Ginzburg kapta2003-ban a Nobel-díjat ezért a munkájáért. (Landau1968-ban meghalt.)
1962-ben fejlesztették ki aWestinghouse kutatói az első, kereskedelemben kapható szupravezető szálat, mely nióbium-titán ötvözet volt. Ugyanebben az évbenJosephson előrejelezte, hogy a szupravezető árama két szupravezető darab között képes folyni akkor is, ha a kettőt egy vékony réteg szigetelővel választják el. Ezt a jelenséget, amelyet maJosephson-hatásnak neveznek, használja fel több szupravezető eszköz, mint például aSQUID. Ezt használták fel ah/emágneses fluxuskvantum jelenlegi legpontosabb megméréséhez, és ezzel (akvantumos Hall-effektus felhasználásával) ahPlanck-állandóéhoz. Josephsont Nobel-díjjal jutalmazták1973-ban.
1986-ban tette közzé két fizikus, anémetJohannes Georg Bednorz és asvájciKarl Alex Müller a magashőmérsékletű szupravezetéssel kapcsolatos felfedezéseiket, amelyért rögtön1987-ben Nobel-díjat kaptak. A magas hőmérsékletű szupravezetés létrejöttének még hiányzik az elméleti leírása.
Sok műszaki alkalmazás alapul szupravezetésen. Szupravezetőket használnak a legerősebbelektromágnesek létrehozásához, ezek között vannak az orvosiMRI-kben használtak, és arészecskegyorsítókban a nyaláb irányítására szolgálóak is. Másik alkalmazása a kevésbé vagy egyáltalán nem mágneses anyagoktól a gyengén mágneses részecskék elválasztása (melyet a pigmentiparban hasznosítanak). A szupravezetőket használják aSQUID-ek (szupravezető kvantum-interferenciás eszközök), és a legérzékenyebbmagnetométerek készítéséhez is. A szupravezető technológiát ezen kívül áramhatárolásra is használják, erőművekben.[1]
Sok ígéretes alkalmazás amiatt késik, mert drága dolog nagy rendszereket (például egy hosszú vezetéket) nagyon alacsony hőmérsékleten tartani. Ezen talán nemsokára enyhítenek a magas hőmérsékletű szupravezetéssel kapcsolatos folyamatos fejlesztések, mivel ezeket elegendő cseppfolyósnitrogénnel hűteni a sokkal drágább és nehezebben kezelhető cseppfolyóshélium helyett, vagycryohűtők alkalmazásával. A jelenleg ismert magas hőmérsékletű szupravezetők törékeny kerámiák, melyek nem igazán alkalmasak hajlékony vezetékek készítésére. Ígéretes jövőbeli alkalmazások között szerepelnek a nagy-teljesítményűtranszformátorok, energiatároló eszközök,elektromotorok (például nagyobb járműveké), mágneses lebegtetésen alapuló eszközök, valamintzárlati áramkorlátozók.
