rukav22.ru
Сверхпроводимость – это феномен, при котором некоторые вещества обладают нулевым сопротивлением электрическому току при очень низкой температуре. Этот удивительный эффект был открыт в 1911 году голландским физиком Хейком Камерлингом-Оннесом, и с тех пор представляет собой одну из основ физики твердого тела и квантовой механики.
Однако, на протяжении долгого времени сверхпроводимость была изучена только в металлах и сплавах. В 1962 году американский физик Джон Бардонс описал возможность существования сверхпроводимости и в полупроводниках, что привело к множеству исследований и открытий в этой области.
Почему сверхпроводимость возникает в полупроводниках? Главной причиной является взаимодействие электронов в кристаллической решетке материала. В обычном состоянии электроны рассеиваются на атомах кристалла, что вызывает сопротивление электрическому току. Однако, при очень низких температурах электроны вступают в сильное взаимодействие друг с другом и образуют так называемые «пары Купера». Эти пары обладают нулевым спином и зарядом, что позволяет им двигаться без рассеивания и вызывает сверхпроводимость.
Сверхпроводимость полупроводников
Одними из основных типов сверхпроводников являются полупроводники. Полупроводники обладают электрическими свойствами между проводниками и диэлектриками. Они имеют запрещенную зону, у которой есть энергетическая щель между заполненными энергетическими уровнями и незаполненными уровнями энергии. Чтобы электрон мог двигаться через полупроводник, ему нужно преодолеть энергетический барьер.
Сверхпроводимость в полупроводниках достигается путем снижения температуры до очень низких значений, близких к абсолютному нулю (-273.15°C или 0K). На этой низкой температуре электроны в полупроводнике образуют пары, называемые Куперовскими парами. Куперовские пары имеют спин 0 и образуются благодаря взаимодействию электронов с кристаллической решеткой полупроводника.
Когда электроны образуют Куперовские пары, они становятся связанными между собой и двигаются совместно через полупроводник без сопротивления. Они образуют сверхпроводящие каналы, которые позволяют электрическому току течь свободно. Это явление называется когерентностью, и оно является одной из ключевых характеристик сверхпроводимости.
Сверхпроводимость полупроводников имеет множество потенциальных применений в технологии. Она может быть использована в создании суперчувствительных датчиков, усовершенствованных компьютеров, энергоэффективных передачи энергии и многих других областях. Однако достижение сверхпроводимости при комнатной температуре все еще представляет большую научную и техническую задачу, над которой работают ученые и инженеры по всему миру.
| Сверхпроводимость | — | фундаментальное явление, при котором материал становится способным проводить электрический ток без сопротивления при очень низкой температуре |
| Полупроводники | — | материалы, обладающие электрическими свойствами между проводниками и диэлектриками |
| Куперовские пары | — | пары электронов, образующиеся в полупроводнике при очень низкой температуре и перемещающиеся без сопротивления |
| Когерентность | — | связь и совместное движение Куперовских пар электронов через полупроводник |
Причины и явления
- Электронный механизм сверхпроводимости. В некоторых полупроводниковых материалах, таких как некоторые металлы и сплавы, электроны образуют спаренные состояния с противоположной спиновой ориентацией. В этом состоянии электроны образуют своеобразные пары — «кооперативные пары». В результате образования этих пар происходит сильное подавление колебаний решётки, которые обычно вызывают сопротивление. Электроны могут двигаться свободно и без рассеяния с другими частицами.
- Фононный механизм сверхпроводимости. Фононы — это кванты колебаний решётки в полупроводниковом материале. В некоторых материалах, таких как некоторые полупроводники и суперкондукторы с орто- и парамагнетизмом, фононы оказываются связанными с электронами, формируя электрон-фононные пары. Эти пары прокладывают электрический ток с минимальным сопротивлением. Пары электрон-фонон отправляются через решётку, не рассеиваясь со структурой материала.
Другим явлением, связанным со сверхпроводимостью полупроводников, является Кулоновский барьер. При низких температурах, эффект Кулоновского барьера может наблюдаться в сверхпроводящих полупроводниках, которые имеют очень тонкий слой нормального полупроводника. Этот тонкий слой создает высокое электрическое поле, что ограничивает проникновение сверхпроводящих электронов и облегчает их течение через полупроводниковый материал.
Физические основы сверхпроводимости
Основополагающим для сверхпроводимости является квантовая механика. В основе сверхпроводимости лежит так называемый эффект Купера — образование так называемых «Куперовских пар» электронов. При низких температурах, электроны в веществе могут образовывать такие пары, которые существуют благодаря явлению, называемому «квантовой флуктуацией». Когда эти пары образуются, электрическое сопротивление исчезает и материал становится сверхпроводником.
Наиболее распространенными сверхпроводниками являются некоторые металлы, такие как алюминий, свинец и ртуть, а также некоторые полупроводники, такие как кремний и германий. Однако, у каждого материала есть своя критическая температура, при которой сверхпроводимость проявляется. Если температура поднимается выше этой критической точки, сверхпроводимость исчезает.
Сверхпроводники имеют огромный потенциал в различных областях, таких как энергетика, электромагнетизм и квантовые вычисления. Они могут быть использованы для создания суперсильных магнитов, что в свою очередь позволяет разрабатывать более мощные электрические моторы и генераторы. Кроме того, сверхпроводники имеют большую пропускную способность для электрического тока, что делает их идеальными материалами для создания мощных кабелей и проводов.
Однако, работа с материалами, обладающими свойствами сверхпроводников, до сих пор остается сложной задачей, так как они требуют очень низких температур, что делает их эксплуатацию и применение дорогостоящими. Несмотря на это, исследования в области сверхпроводимости продолжаются, и в будущем мы можем ожидать новых открытий и применений этого удивительного физического явления.
Теория БКШ
В соответствии с теорией БКШ, сверхпроводник представляет собой систему электронов со слабым взаимодействием, в которой возможны парные переходы между электронами с противоположным спином и импульсом. Эти пары, называемые парами Купера, образуют Бозе-конденсат и приобретают свойства одной взаимодействующей частицы.
Теория БКШ также объясняет явление сильной подавленности нормального состояния полупроводника при понижении температуры ниже критической. При этом происходит образование сверхтекучего состояния, в котором электроны свободно движутся без потерь энергии.
Теория БКШ также предсказывает существование различных типов сверхпроводников на основе их свойств и структуры. Например, суперпроводимость первого рода характеризуется полным проникновением магнитного поля внутрь материала, тогда как суперпроводимость второго рода обладает свойством идеального отражения магнитного поля.
| Тип сверхпроводника | Описание |
|---|---|
| Суперпроводимость первого рода | Полное проникновение магнитного поля |
| Суперпроводимость второго рода | Идеальное отражение магнитного поля |
Экспериментальные наблюдения
Сверхпроводимость в полупроводниках была обнаружена впервые в ходе эксперимента, проведенного в 1911 году нидерландским физиком Хайке Камерлингх Оннеземсом. Он обнаружил, что некоторые металлы обладают сверхнизкой электропроводностью при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю.
С тех пор было проведено множество экспериментов для изучения сверхпроводимости полупроводников. В 1957 году Шокли и Джаппи наблюдали эффект туннелирования сверхпроводникового электрона через барьер. Также были проведены эксперименты с магнитным полем, которое сильно влияет на сверхпроводник. Оказалось, что при наступлении типа II сверхпроводимости, в материале образуются нормальные области, которые содержат магнитный поток.
Сверхпроводимость полупроводников демонстрирует различные эффекты в электрических и магнитных полях, такие как эффект Мейсснера, квантование магнитного потока, различные магнитные вихри и другие явления.
- В 2008 году исследователи наблюдали сверхпроводимость в кремниевых наножирах при очень низких температурах. Это открытие обеспечивает возможность создания новых суперпроводников с более высокими значениями критической температуры.
- В 2012 году группа ученых открыла новый тип сверхпроводимости в топологической изоляторной материи. Это открытие открывает новые перспективы для разработки квантовых компьютеров и узкополосных электронных устройств.
- В 2020 году было проведено экспериментальное исследование сверхпроводимости в графене, которое является одним из самых тонких и прочных материалов. Это открытие может привести к созданию сверхпроводниковых устройств с очень высокой производительностью.
Типы сверхпроводников
Сверхпроводниками называют материалы, способные проявлять свойства сверхпроводимости при пониженных температурах. Существуют различные типы сверхпроводников, которые можно классифицировать по различным характеристикам. Вот несколько примеров:
- Металлические сверхпроводники: это самый распространенный тип сверхпроводников. Они обладают высокой электропроводностью при низких температурах и демонстрируют свойства сверхпроводимости в диапазоне нижних температур. Примерами металлических сверхпроводников являются свинец, ртуть и ниобий.
- Сверхпроводники на основе межметаллического соединения: эти сверхпроводники образуются путем объединения различных металлических элементов или соединений металлов. Процесс образования таких сверхпроводников часто происходит при высоких давлениях. Примером такого типа сверхпроводников является соединение меди и кислорода, известное как медьоксид (CuO).
- Сверхпроводники на основе интерметаллического соединения: эти материалы образуются путем соединения различных металлических элементов. Они обычно имеют сложную кристаллическую структуру и могут демонстрировать сверхпроводимость при очень низких температурах. Примером такого типа сверхпроводников является магниевый борид (MgB2).
- Сверхпроводники на основе органических соединений: это новый исследуемый класс сверхпроводников, образованный путем комбинирования органических и неорганических материалов. Они обладают интересными свойствами и потенциалом для применения в электронике и других областях. Примером такого типа сверхпроводников является органическое соединение C60 (фуллерен).
Это лишь несколько примеров различных типов сверхпроводников, и исследования в этой области продолжаются. Понимание особенностей каждого типа сверхпроводников позволяет углубить наше знание о сверхпроводимости и открыть новые возможности для применения этого феномена в различных технологиях и наукоемких областях.
Классификация материалов
Материалы, проявляющие сверхпроводимость при высоких температурах, можно разделить на несколько классов:
- Сверхпроводники I класса, такие как металлы и сплавы, которые обладают сверхпроводимостью при очень низких температурах и в условиях высокого магнитного поля.
- Сверхпроводники II класса, такие как некоторые керамические материалы, которые сохраняют сверхпроводимость при более высоких температурах и магнитных полях.
- Сверхпроводники III класса, которые относятся к суперкондукторам, обладающим сверхпроводимостью при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю.
Кроме того, материалы могут быть классифицированы по структуре:
- Классические сверхпроводники, которые имеют металлическую структуру и проявляют сверхпроводимость при очень низких температурах.
- Сверхпроводники на основе оксидов и керамики, которые имеют сложную кристаллическую структуру и могут проявлять сверхпроводимость при более высоких температурах.
- Органические сверхпроводники, которые состоят из органических молекул и обладают свойствами сверхпроводников.
Каждый класс материалов имеет свои уникальные свойства и потенциал для применения в различных областях науки и техники.
Эффект Мейсснера
Эффект Мейсснера проявляется при понижении температуры сверхпроводника ниже его критической температуры, которая для каждого материала сверхпроводника своя. Когда сверхпроводник находится в сверхпроводящем состоянии, он обладает нулевым электрическим сопротивлением и исключает магнитные поля из своего объема.
Магнитные поля выталкиваются из сверхпроводника благодаря эффекту двух видов токов. Один из них — это ток зарядов, который образуется в объеме сверхпроводника и компенсирует внешнее магнитное поле. Второй вид тока — это ток экранировки, который протекает по поверхности сверхпроводника и исключает магнитное поле из его объема.
Эффект Мейсснера имеет важное практическое применение, например, в магнитных левитационных системах, где сверхпроводящие материалы используются для создания подвески над магнитной трассой. Также он находит применение в магнитных сепараторах и магнитных резонансных томографах.
Кооперативность электронов
В сверхпроводимости полупроводников ключевую роль играют кооперативные эффекты между электронами. В отличие от обычного состояния, когда электроны ведут себя независимо, в сверхпроводящем состоянии электроны совместно формируют пары.
Основное явление, которое обеспечивает кооперативность электронов, — это возникновение парамагнитного взаимодействия, называемого связью Купера. Это взаимодействие базируется на обмене фононами, квантами колебаний решетки материала. Фононы служат своего рода «посредниками» между электронами и создают условия для образования связанных состояний, в которых электроны двигаются без сопротивления.
Связь Купера обладает двумя ключевыми свойствами. Во-первых, она сильно зависит от энергетической щели — разницы в энергии между зоной запрещенных состояний и зоной занятости. Чем больше энергетическая щель, тем более значимо взаимодействие между электронами. Во-вторых, связь Купера обладает амплитудной зависимостью, которая сильно возрастает при понижении температуры.
В результате, электроны образуют пары, называемые кооперативными парочками Купера, которые способны двигаться по материалу без каких-либо потерь энергии. Это и обеспечивает сверхпроводимость полупроводников — электрический ток может протекать без сопротивления, что позволяет использовать эти материалы для создания эффективных электронных устройств.