Je, hali ya utendakazi bora ni nini? Superconductivity ni jambo lisilo na sufuri ya upinzani wa umeme na kutolewa kwa sehemu za sumaku za flux zinazotokea katika nyenzo fulani, zinazoitwa superconductors, zinapopozwa chini ya sifa muhimu ya halijoto.
Hali hiyo iligunduliwa na mwanafizikia wa Uholanzi Heike Kamerling-Onnes mnamo Aprili 8, 1911 huko Leiden. Kama vile ferromagnetism na mistari ya spectral ya atomiki, superconductivity ni jambo la kiufundi la quantum. Inaangaziwa kwa athari ya Meissner - utupaji kamili wa mistari ya uga wa sumaku kutoka ndani ya kondakta mkuu wakati wa mpito wake hadi hali ya upitishaji kupita kiasi.
Hiki ndicho kiini cha hali ya superconductivity. Kutokea kwa athari ya Meissner kunaonyesha kuwa utendakazi wa hali ya juu hauwezi kueleweka kama utimilifu wa utendakazi bora katika fizikia ya kitambo.
Ni nini hali ya utendakazi bora
Kinyume cha umeme cha kondakta wa chuma hupungua polepole kadrikupunguza joto. Katika makondakta wa kawaida kama vile shaba au fedha, upunguzaji huu umepunguzwa na uchafu na kasoro zingine. Hata karibu na sifuri kabisa, sampuli halisi ya kondakta wa kawaida inaonyesha upinzani fulani. Katika superconductor, upinzani hupungua kwa kasi hadi sifuri wakati nyenzo zimepozwa chini ya joto lake muhimu. Umeme wa sasa kupitia kitanzi cha waya wa superconducting unaweza kudumishwa kwa muda usiojulikana bila chanzo cha nguvu. Hili ndilo jibu la swali, ni nini uzushi wa superconductivity.
Historia
Mnamo 1911, walipokuwa wakichunguza sifa za mata kwenye joto la chini sana, mwanafizikia Mholanzi Heike Kamerling Onnes na timu yake waligundua kwamba upinzani wa umeme wa zebaki ulishuka hadi sufuri chini ya 4.2 K (-269°C). Huu ulikuwa uchunguzi wa kwanza kabisa wa uzushi wa superconductivity. Vipengee vingi vya kemikali huwa na upitishaji bora katika halijoto ya chini ya kutosha.
Chini ya halijoto fulani muhimu, nyenzo hupita katika hali ya upitishaji wa hali ya juu, inayojulikana na sifa kuu mbili: kwanza, hazipinga upitishaji wa mkondo wa umeme. Ukinzani unaposhuka hadi sufuri, mkondo wa maji unaweza kuzunguka kwenye nyenzo bila kufifia kwa nishati.
Pili, mradi ni dhaifu vya kutosha, nyuga za sumaku za nje hazipenyeki kwenye superconductor, lakini hubaki juu ya uso wake. Jambo hili la kufukuza uga lilijulikana kama athari ya Meissner baada ya kuzingatiwa kwa mara ya kwanza na mwanafizikia mnamo 1933.
Majina matatu, herufi tatu na nadharia isiyokamilika
Fizikia ya kawaida haitoi vya kutoshamaelezo ya hali ya upitishaji kupita kiasi, na vile vile nadharia ya quantum ya msingi ya hali dhabiti, ambayo inazingatia tabia ya elektroni kando na tabia ya ayoni kwenye kimiani cha fuwele.
Ni mwaka wa 1957 pekee, watafiti watatu wa Marekani - John Bardeen, Leon Cooper na John Schrieffer waliunda nadharia ndogo zaidi ya utendakazi bora. Kulingana na nadharia yao ya BCS, elektroni huungana katika jozi kupitia mwingiliano na mitetemo ya kimiani (kinachojulikana kama "fononi"), na hivyo kutengeneza jozi za Cooper ambazo husogea bila msuguano ndani ya kigumu. Imara inaweza kutazamwa kama kimiani cha ayoni chanya iliyotumbukizwa kwenye wingu la elektroni. Wakati elektroni inapita kwenye lati hii, ioni husogea kidogo, ikivutiwa na chaji hasi ya elektroni. Mwendo huu huzalisha eneo chanya la umeme, ambalo huvutia elektroni nyingine.
Nishati ya mwingiliano wa kielektroniki ni dhaifu kabisa, na mivuke inaweza kugawanywa kwa urahisi na nishati ya joto - kwa hivyo upitishaji wa hali ya juu kwa kawaida hutokea katika halijoto ya chini sana. Hata hivyo, nadharia ya BCS haitoi maelezo ya kuwepo kwa watendaji wakuu wa halijoto ya juu karibu 80 K (-193 °C) na zaidi, ambayo taratibu nyingine za kuunganisha elektroni lazima zihusishwe. Utumiaji wa hali ya juu zaidi unatokana na mchakato ulio hapo juu.
Joto
Mnamo 1986, baadhi ya nyenzo za kauri za cuprate-perovskite zilipatikana kuwa na halijoto muhimu zaidi ya 90 K (-183 °C). Joto hili la juu la makutano ni la kinadhariahaiwezekani kwa superconductor ya kawaida, na kusababisha vifaa vinavyojulikana kama superconductors za joto la juu. Nitrojeni kioevu kinachopatikana huchemka kwa 77 K, na hivyo basi upitishaji hewa katika halijoto ya juu zaidi kuliko hizi hurahisisha majaribio na matumizi mengi ambayo hayatumiki sana katika halijoto ya chini. Hili ndilo jibu la swali ni katika halijoto gani hali ya utendakazi bora hutokea.
Ainisho
Waendeshaji wakuu wanaweza kuainishwa kulingana na vigezo kadhaa vinavyotegemea kupendezwa kwetu na sifa zao halisi, kwa uelewa tulionao kuzihusu, jinsi inavyogharimu kuzipoza au kwa nyenzo ambazo zimetengenezwa.
Kwa sifa zake za sumaku
Waendeshaji wakuu wa Aina ya I: zile ambazo zina sehemu moja tu muhimu, Hc, na mabadiliko ya ghafla kutoka hali moja hadi nyingine inapofikiwa.
Waendeshaji wakuu wa Aina ya II: kuwa na sehemu mbili muhimu, Hc1 na Hc2, kuwa viboreshaji bora chini ya sehemu muhimu ya chini (Hc1) na kuacha kabisa hali ya upitishaji juu ya sehemu muhimu ya juu (Hc2), kuwa katika hali mchanganyiko kati nyanja muhimu.
Tunavyowaelewa kuwahusu
Waendeshaji wakuu wa kawaida: wale ambao wanaweza kufafanuliwa kikamilifu na nadharia ya BCS au nadharia zinazohusiana.
Condundukta zisizo za kawaida: zile ambazo hazingeweza kuelezewa kwa kutumia nadharia kama hizo, kwa mfano: fermionic nzito.superconductors.
Kigezo hiki ni muhimu kwa sababu nadharia ya BCS imekuwa ikieleza sifa za superconductors za kawaida tangu 1957, lakini kwa upande mwingine, kumekuwa hakuna nadharia ya kuridhisha ya kueleza watendaji wakuu wasio wa kawaida kabisa. Katika hali nyingi, waendeshaji wakuu wa Aina ya I ni wa kawaida, lakini kuna vighairi vichache, kama vile niobium, ambayo ni ya kawaida na ya Aina ya II.
Kulingana na halijoto yake mbaya
Viboreshaji vya halijoto ya chini, au LTS: zile ambazo halijoto yao muhimu iko chini ya 30 K.
Viboreshaji vya halijoto ya juu, au HTS: zile ambazo halijoto yao muhimu ni zaidi ya 30 K. Baadhi sasa wanatumia 77 K kama utenganisho ili kusisitiza iwapo tunaweza kupoza sampuli na nitrojeni kioevu (ambayo kiwango chake cha kuchemka ni 77 K), ambacho inawezekana zaidi kuliko heliamu ya kioevu (mbadala ya kufikia viwango vya joto vinavyohitajika ili kuzalisha viboreshaji vya halijoto ya chini).
Maelezo mengine
Kondakta mkuu inaweza kuwa aina ya I, ambayo ina maana kwamba ina sehemu moja muhimu, ambayo juu yake ugavi wa hali ya juu hupotea, na chini yake uga wa sumaku umeondolewa kabisa kutoka kwa kiboreshaji kikuu. Aina ya II, ikimaanisha kuwa ina sehemu mbili muhimu kati ya ambayo inaruhusu kupenya kwa sehemu ya uga wa sumaku kupitia sehemu zilizotengwa. Pointi hizi huitwa vortices. Kwa kuongeza, katika superconductors multicomponent, mchanganyiko wa tabia mbili inawezekana. Katika kesi hii, superconductor ni ya aina 1, 5.
Mali
Nyingi za sifa za kimaumbile za kondakta mkuu hutofautiana kutoka nyenzo hadi nyenzo, kama vile uwezo wa joto na halijoto muhimu, sehemu muhimu na msongamano wa sasa ambapo upitishaji wa nguvu zaidi huharibika.
Kwa upande mwingine, kuna aina ya sifa ambazo hazitegemei nyenzo za msingi. Kwa mfano, superconductors zote hazina uwezo wa kustahimili sifuri katika mikondo ya chini inayotumika, wakati hakuna uga sumaku, au sehemu inayotumika isipozidi thamani muhimu.
Kuwepo kwa sifa hizi za ulimwengu wote kunamaanisha kuwa upitishaji hewa ni awamu ya halijoto na kwa hivyo ina sifa bainifu ambazo kwa sehemu kubwa hazitegemei maelezo ya hadubini.
Hali ni tofauti katika kondakta mkuu. Katika superconductor ya kawaida, kioevu cha elektroni hawezi kugawanywa katika elektroni binafsi. Badala yake, inajumuisha jozi zilizofungwa za elektroni zinazojulikana kama jozi za Cooper. Uoanishaji huu husababishwa na nguvu ya kuvutia kati ya elektroni inayotokana na ubadilishanaji wa phononi. Kutokana na mechanics ya quantum, wigo wa nishati ya kioevu hiki cha jozi ya Cooper ina pengo la nishati, yaani, kuna kiwango cha chini cha nishati ΔE ambacho lazima kitolewe ili kusisimua kioevu.
Kwa hivyo, ikiwa ΔE ni kubwa kuliko nishati ya joto ya wavu unaotolewa na kT, ambapo k ni kiwango kisichobadilika cha Boltzmann na T ni halijoto, kioevu hicho hakitatawanywa kwa wavu. Kwa hiyoKwa hivyo, kioevu cha mvuke cha Cooper ni cha maji kupita kiasi, ambayo ina maana kwamba kinaweza kutiririka bila kutawanya nishati.
Sifa za superconductivity
Katika nyenzo za upitishaji ubora zaidi, sifa za upitishaji hewa huonekana halijoto T inaposhuka chini ya halijoto muhimu Tc. Thamani ya joto hili muhimu inatofautiana kutoka kwa nyenzo hadi nyenzo. Kondakta bora za kawaida kwa kawaida huwa na halijoto muhimu kuanzia takriban K 20 hadi chini ya K 1.
Kwa mfano, zebaki ngumu ina halijoto muhimu ya 4.2 K. Kufikia mwaka wa 2015, halijoto muhimu zaidi iliyopatikana kwa superconductor ya kawaida ni 203 K kwa H2S, ingawa shinikizo la juu la takriban gigapascals 90 lilihitajika. Superconductors ya Cuprate inaweza kuwa na viwango vya juu zaidi vya halijoto muhimu: YBa2Cu3O7, mojawapo ya waendeshaji wa superconductors wa kwanza kugunduliwa, ina halijoto muhimu ya 92 K, na vikombe vinavyotokana na zebaki vilivyo na halijoto ya juu zaidi ya 130 K vimepatikana. Maelezo ya halijoto hii ya juu sana bado haijulikani.
Uoanishaji wa elektroni kwa sababu ya ubadilishanaji wa phonon hufafanua utendakazi bora katika kondokta kuu za kawaida, lakini haifafanui upitishaji utendakazi katika kondakta kuu mpya zaidi ambazo zina halijoto ya juu sana muhimu.
Nyumba za sumaku
Vile vile, katika halijoto isiyobadilika chini ya halijoto muhimu, nyenzo za upitishaji wa juu zaidi huacha upitishaji uga wa sumaku wa nje unapowekwa ambao ni mkubwa kulikouwanja muhimu wa sumaku. Hii ni kwa sababu nishati isiyolipishwa ya Gibbs ya awamu ya upitishaji sumaku huongezeka mara nne kwa uga wa sumaku, ilhali nishati ya bure ya awamu ya kawaida inakaribia kutotegemea uga wa sumaku.
Ikiwa nyenzo ni ya upitishaji maji kwa kukosekana kwa uga, basi nishati ya bure ya awamu ya upitishaji wa juu ni chini ya ile ya awamu ya kawaida, na kwa hivyo, kwa thamani fulani ya kikomo ya uga wa sumaku (sawia na mraba. mzizi wa tofauti katika nishati za bure kwa sifuri), nguvu mbili za bure zitakuwa sawa, na kutakuwa na mpito wa awamu kwa awamu ya kawaida. Kwa ujumla zaidi, halijoto ya juu na uga wenye nguvu zaidi wa sumaku husababisha sehemu ndogo ya elektroni zinazopitisha upitishaji kupita kiasi na kwa hivyo kina zaidi cha kupenya London cha uga na mikondo ya sumaku ya nje. Kina cha kupenya kinakuwa kisicho na kikomo katika mpito wa awamu.
Ya kimwili
Mwanzo wa utendakazi bora huambatana na mabadiliko ya ghafla katika sifa mbalimbali za kimwili, ambayo ni alama mahususi ya mpito wa awamu. Kwa mfano, uwezo wa joto wa elektroni ni sawia na hali ya joto katika utawala wa kawaida (sio superconducting). Katika mpito wa superconducting, hupata kuruka na baada ya hapo huacha kuwa mstari. Kwa halijoto ya chini, hubadilika badala ya e−α/T kwa α fulani isiyobadilika. Tabia hii ya kielelezo ni mojawapo ya ushahidi wa kuwepo kwa pengo la nishati.
Mpito wa awamu
Maelezo ya hali ya utendakazi bora ni sawadhahiri. Utaratibu wa mpito wa awamu ya superconducting umejadiliwa kwa muda mrefu. Majaribio yanaonyesha kuwa hakuna mpito wa pili, yaani, joto la siri. Hata hivyo, katika uwepo wa uga wa sumaku wa nje, kuna joto fiche kwa sababu awamu ya upitishaji maji ina sehemu ya chini, chini ya halijoto muhimu, kuliko awamu ya kawaida.
Imedhihirishwa kwa majaribio yafuatayo: uga wa sumaku unapoongezeka na kwenda zaidi ya uga muhimu, mpito wa awamu unaotokana husababisha kupungua kwa halijoto ya nyenzo ya upitishaji maji. Jambo la superconductivity limeelezwa kwa ufupi hapo juu, sasa ni wakati wa kukuambia kitu kuhusu nuances ya athari hii muhimu.
Hesabu zilizofanywa katika miaka ya 1970 zilionyesha kuwa kwa kweli inaweza kuwa dhaifu kuliko mpangilio wa kwanza kutokana na ushawishi wa kushuka kwa thamani kwa masafa marefu katika uwanja wa sumakuumeme. Katika miaka ya 1980, ilionyeshwa kinadharia kwa kutumia nadharia ya uwanja wa machafuko, ambapo mistari ya vortex ya superconductor ina jukumu kubwa, kwamba mpito ni wa pili katika hali ya aina ya II na utaratibu wa kwanza (yaani, joto la siri) katika aina ya I, na kwamba maeneo haya mawili yametenganishwa kwa nukta muhimu.
Matokeo yalithibitishwa kwa nguvu na uigaji wa kompyuta huko Monte Carlo. Hii ilichukua jukumu muhimu katika utafiti wa uzushi wa superconductivity. Kazi inaendelea kwa sasa. Kiini cha uzushi wa superconductivity hakielewi kikamilifu na kuelezewa kutoka kwa mtazamo wa sayansi ya kisasa.
