Supraleitfähigkeit ist ein Phänomen des genau elektrischen Nullwiderstands und Ausweisung von magnetischen Feldern, die in bestimmten Materialien, wenn abgekühlt, unter einer charakteristischen kritischen Temperatur vorkommen. Es wurde von Heike Kamerlingh Onnes am 8. April 1911 in Leiden entdeckt. Wie Ferromagnetismus und geisterhafte Atomlinien ist Supraleitfähigkeit ein Quant mechanisches Phänomen. Es wird durch die Wirkung von Meissner, die ganze Ausweisung von magnetischen Feldlinien vom Interieur des Supraleiters charakterisiert, weil es in den Superleiten-Staat wechselt. Das Ereignis der Wirkung von Meissner zeigt an, dass Supraleitfähigkeit einfach als die Idealisierung des vollkommenen Leitvermögens in der klassischen Physik nicht verstanden werden kann.

Erklärung

Der elektrische spezifische Widerstand eines metallischen Leiters nimmt allmählich ab, weil Temperatur gesenkt wird. In gewöhnlichen Leitern, wie Kupfer oder Silber, wird diese Abnahme durch Unreinheiten und andere Defekte beschränkt. Sogar in der Nähe von der absoluten Null zeigt eine echte Probe eines normalen Leiters etwas Widerstand. In einem Supraleiter fällt der Widerstand plötzlich zur Null, wenn das Material unter seiner kritischen Temperatur abgekühlt wird. Ein elektrischer Strom, der in einer Schleife fließt, Leitung superzuführen, kann unbestimmt ohne Macht-Quelle andauern.

1986 wurde es entdeckt, dass einige cuprate-perovskite keramische Materialien eine kritische Temperatur oben haben. Solch eine hohe Übergangstemperatur ist für einen herkömmlichen Supraleiter theoretisch unmöglich, die Materialien dazu bringend, Hoch-Temperatursupraleiter genannt zu werden. Flüssiger Stickstoff kocht an 77 K, viele Experimente und Anwendungen erleichternd, die bei niedrigeren Temperaturen weniger praktisch sind. In herkömmlichen Supraleitern werden Elektronen in Paaren durch eine Anziehungskraft zusammengehalten, die durch das Gitter phonons vermittelt ist. Das beste verfügbare Modell der Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit ist noch etwas grob. Es gibt eine Hypothese, dass Elektron, das sich in Hoch-Temperatursupraleitern paart, durch Drehungswellen für kurze Strecken bekannt als paramagnons vermittelt wird.

Klassifikation

Es gibt nicht nur ein Kriterium, um Supraleiter zu klassifizieren. Die allgemeinsten sind

• Durch ihre Antwort auf ein magnetisches Feld: Sie können Typ I sein, bedeutend, dass sie ein einzelnes kritisches Feld haben, über dem die ganze Supraleitfähigkeit verloren wird; oder sie können Typ II sein, bedeutend, dass sie zwei kritische Felder haben, zwischen denen sie teilweises Durchdringen des magnetischen Feldes erlauben.
• Durch die Theorie, sie zu erklären: Sie können herkömmlich sein (wenn sie durch die BCS Theorie oder seine Ableitungen erklärt werden), oder unkonventionell (wenn nicht).
• Durch ihre kritische Temperatur: Sie können hohe Temperatur sein (allgemein hat in Betracht gezogen, ob sie den Superleiten-Staat erreichen, der sie gerade mit dem flüssigen Stickstoff abkühlt, d. h. wenn T> 77 K) oder niedrige Temperatur (allgemein, wenn sie andere Techniken brauchen, die unter ihrer kritischen Temperatur abzukühlen sind).
• Durch das Material: Sie können chemische Elemente (als Quecksilber oder Leitung), Legierung (als Niobium-Titan oder Germanium-Niobium oder Niobium-Nitrid), Keramik (als YBCO oder das Magnesium diboride), oder organische Supraleiter sein (als fullerenes oder Kohlenstoff nanotubes, obwohl diese Beispiele technisch unter den chemischen Elementen eingeschlossen werden könnten, weil sie völlig Kohlenstoff zusammengesetzt werden).

Elementare Eigenschaften von Supraleitern

Die meisten physikalischen Eigenschaften von Supraleitern ändern sich vom Material bis Material, wie die Hitzekapazität und die kritische Temperatur, das kritische Feld und die kritische aktuelle Dichte, an der Supraleitfähigkeit zerstört wird.

Andererseits gibt es eine Klasse von Eigenschaften, die des zu Grunde liegenden Materials unabhängig sind. Zum Beispiel haben alle Supraleiter genau spezifischen Nullwiderstand zu niedrigen angewandten Strömen, wenn es keine magnetische Feldgegenwart gibt, oder wenn das angewandte Feld keinen kritischen Wert überschreitet. Die Existenz dieser "universalen" Eigenschaften deutet an, dass Supraleitfähigkeit eine thermodynamische Phase ist, und so bestimmte unterscheidende Eigenschaften besitzt, die von mikroskopischen Details größtenteils unabhängig sind.

Elektrischer Nullgleichstrom-Widerstand

Die einfachste Methode, den elektrischen Widerstand einer Probe von einem Material zu messen, soll es in einen elektrischen Stromkreis der Reihe nach mit einer aktuellen Quelle I legen und die resultierende Stromspannung V über die Probe messen. Der Widerstand der Probe wird durch das Gesetz des Ohms als R = V/I gegeben. Wenn die Stromspannung Null ist, bedeutet das, dass der Widerstand Null ist.

Supraleiter sind auch im Stande, einen Strom ohne angewandte Stromspannung überhaupt, ein Eigentum aufrechtzuerhalten, das im Superleiten von Elektromagneten wie diejenigen ausgenutzt ist, die in MRI Maschinen gefunden sind. Experimente haben demonstriert, dass Ströme im Superleiten von Rollen seit Jahren ohne jede messbare Degradierung andauern können. Experimentelle Beweise weisen zu einer aktuellen Lebenszeit von mindestens 100,000 Jahren hin. Theoretische Schätzungen für die Lebenszeit eines beharrlichen Stroms können die geschätzte Lebenszeit des Weltalls, abhängig von der Leitungsgeometrie und der Temperatur überschreiten.

In einem normalen Leiter kann ein elektrischer Strom als eine Flüssigkeit von Elektronen vergegenwärtigt werden, die ein schweres ionisches Gitter bewältigen. Die Elektronen kollidieren ständig mit den Ionen im Gitter, und während jeder Kollision ist etwas von der durch den Strom getragenen Energie vom Gitter gefesselt und in die Hitze umgewandelt, die im Wesentlichen die kinetische Schwingenergie der Gitter-Ionen ist. Infolgedessen wird die durch den Strom getragene Energie ständig zerstreut. Das ist das Phänomen des elektrischen Widerstands.

Die Situation ist in einem Supraleiter verschieden. In einem herkömmlichen Supraleiter kann die elektronische Flüssigkeit nicht in individuelle Elektronen aufgelöst werden. Statt dessen besteht es aus bestimmten Paaren von als Paare von Cooper bekannten Elektronen. Diese Paarung wird durch eine attraktive Kraft zwischen Elektronen vom Austausch von phonons verursacht. Wegen der Quant-Mechanik besitzt das Energiespektrum dieser Paar-Flüssigkeit von Cooper eine Energielücke, bedeutend, dass es einen minimalen Betrag der Energie ΔE gibt, der geliefert werden muss, um die Flüssigkeit zu erregen. Deshalb, wenn ΔE größer ist als die Thermalenergie des Gitters, das durch kT gegeben ist, wo k die Konstante von Boltzmann ist und T die Temperatur ist, wird die Flüssigkeit durch das Gitter nicht gestreut. Die Paar-Flüssigkeit von Cooper ist so eine Superflüssigkeit, bedeutend, dass sie energielos Verschwendung überfluten kann.

In einer Klasse von Supraleitern, die als Supraleiter des Typs II einschließlich aller bekannten Hoch-Temperatursupraleiter bekannt sind, erscheint ein äußerst kleiner Betrag des spezifischen Widerstands bei Temperaturen nicht zu weit unter dem nominellen Superleiten-Übergang, wenn ein elektrischer Strom in Verbindung mit einem starken magnetischen Feld angewandt wird, das durch den elektrischen Strom verursacht werden kann. Das ist wegen der Bewegung von Wirbelwinden in der elektronischen Superflüssigkeit, die etwas von der durch den Strom getragenen Energie zerstreut. Wenn der Strom genug klein ist, sind die Wirbelwinde stationär, und der spezifische Widerstand verschwindet. Der Widerstand wegen dieser Wirkung ist im Vergleich zu diesem des Nichtsuperleitens von Materialien winzig, aber muss in empfindlichen Experimenten in Betracht gezogen werden. Jedoch, weil die Temperatur weit genug unter dem nominellen Superleiten-Übergang abnimmt, können diese Wirbelwinde eingefroren in eine unordentliche, aber stationäre als ein "Wirbelwind-Glas bekannte Phase" werden. Unter dieser Wirbelwind-Glasübergangstemperatur wird der Widerstand des Materials aufrichtig Null-.

Das Superleiten des Phase-Übergangs

Im Superleiten von Materialien erscheinen die Eigenschaften der Supraleitfähigkeit, wenn die Temperatur T unter einer kritischen Temperatur T gesenkt wird. Der Wert dieser kritischen Temperatur ändert sich vom Material bis Material. Herkömmliche Supraleiter haben gewöhnlich kritische Temperaturen im Intervall von ungefähr 20 K zu weniger als 1 K. Festes Quecksilber hat zum Beispiel eine kritische Temperatur von 4.2 K., die höchste kritische für einen herkömmlichen Supraleiter gefundene Temperatur ist 39 K für Magnesium diboride (MgB), obwohl dieses Material genug exotische Eigenschaften zeigt, dass es einige Zweifel über das Klassifizieren davon als ein "herkömmlicher" Supraleiter gibt. Supraleiter von Cuprate können viel höhere kritische Temperaturen haben: YBaCuO, einer der ersten cuprate zu entdeckenden Supraleiter, hat eine kritische Temperatur von 92 K, und quecksilberbasierte cuprates sind mit kritischen Temperaturen über 130 K gefunden worden. Die Erklärung für diese hohen kritischen Temperaturen bleibt unbekannt. Elektron, das sich wegen des Phonon-Austausches paart, erklärt Supraleitfähigkeit in herkömmlichen Supraleitern, aber es erklärt Supraleitfähigkeit in den neueren Supraleitern nicht, die eine sehr hohe kritische Temperatur haben.

Ähnlich bei einer festen Temperatur unter der kritischen Temperatur hören superführende Materialien auf superzuführen, wenn ein magnetisches Außenfeld angewandt wird, der größer ist als das kritische magnetische Feld. Das ist, weil der Gibbs, den die freie Energie der Superleiten-Phase quadratisch mit dem magnetischen Feld vergrößert, während die freie Energie der normalen Phase des magnetischen Feldes grob unabhängig ist. Wenn das materielle Superverhalten ohne ein Feld, dann ist die Superleiten-Phase freie Energie niedriger als diese der normalen Phase und so für einen begrenzten Wert des magnetischen Feldes (proportional zur Quadratwurzel des Unterschieds der freien Energien am magnetischen Nullfeld) die zwei freien Energien, gleich sein wird und ein Phase-Übergang zur normalen Phase vorkommen wird. Mehr allgemein führen eine höhere Temperatur und ein stärkeres magnetisches Feld zu einem kleineren Bruchteil der Elektronen im Superleiten-Band und folglich einer längeren Londoner Durchdringen-Tiefe von magnetischen Außenfeldern und Strömen. Die Durchdringen-Tiefe wird unendlich beim Phase-Übergang.

Der Anfall der Supraleitfähigkeit wird durch plötzliche Änderungen in verschiedenen physikalischen Eigenschaften begleitet, der der Gütestempel eines Phase-Übergangs ist. Zum Beispiel ist die elektronische Hitzekapazität zur Temperatur im normalen (das Nichtsuperleiten) Regime proportional. Beim Superleiten-Übergang erträgt es einen diskontinuierlichen Sprung und hört danach auf, geradlinig zu sein. Bei niedrigen Temperaturen ändert es sich stattdessen als e für eine Konstante, α. Dieses Exponentialverhalten ist eines der Stücke von Beweisen für die Existenz der Energielücke.

Die Ordnung des Superleiten-Phase-Übergangs war eine Sache der Debatte lang. Experimente zeigen an, dass der Übergang zweite Ordnung ist, bedeutend, dass es keine latente Hitze gibt. Jedoch in Gegenwart von einem magnetischen Außenfeld gibt es latente Hitze, weil die Superleiten-Phase ein niedrigeres Wärmegewicht unter der kritischen Temperatur hat als die normale Phase. Es ist experimentell demonstriert worden, dass, demzufolge, wenn das magnetische Feld außer dem kritischen Feld vergrößert wird, der resultierende Phase-Übergang zu einer Abnahme in der Temperatur des Superleiten-Materials führt.

Berechnungen haben in den 1970er Jahren darauf hingewiesen, dass es wirklich schwach erste Ordnung wegen der Wirkung von Langstreckenschwankungen im elektromagnetischen Feld sein kann. In den 1980er Jahren wurde es theoretisch mit der Hilfe einer Unordnungsfeldtheorie gezeigt, in der die Wirbelwind-Linien des Supraleiters eine Hauptrolle spielen, dass der Übergang der zweiten Ordnung innerhalb des Regimes des Typs II und der ersten Ordnung (d. h., latente Hitze) innerhalb des Regimes des Typs I ist, und dass die zwei Gebiete durch einen Tricritical-Punkt getrennt werden. Die Ergebnisse wurden durch Computersimulationen von Monte Carlo bestätigt.

Wirkung von Meissner

Wenn ein Supraleiter in ein schwaches äußerliches magnetisches Feld H gelegt, und unter seiner Übergangstemperatur abgekühlt wird, wird das magnetische Feld vertrieben. Die Meissner Wirkung veranlasst das Feld nicht, völlig vertrieben zu werden, aber stattdessen dringt das Feld in den Supraleiter, aber nur zu einer sehr kleinen Entfernung ein, die durch einen Parameter λ charakterisiert ist, genannt die Londoner Durchdringen-Tiefe, exponential zur Null innerhalb des Hauptteils des Materials verfallend. Die Meissner Wirkung ist eine Definieren-Eigenschaft der Supraleitfähigkeit. Für die meisten Supraleiter ist die Londoner Durchdringen-Tiefe auf der Ordnung von 100 nm.

Die Meissner Wirkung ist manchmal mit der Art von diamagnetism verwirrt, den man in einem vollkommenen elektrischen Leiter erwarten würde: Gemäß dem Gesetz von Lenz, wenn ein sich änderndes magnetisches Feld auf einen Leiter angewandt wird, wird es einen elektrischen Strom im Leiter veranlassen, der ein gegenüberliegendes magnetisches Feld schafft. In einem vollkommenen Leiter kann ein willkürlich großer Strom veranlasst werden, und das resultierende magnetische Feld annulliert genau das angewandte Feld.

Die Meissner Wirkung ist davon verschieden — es ist die spontane Ausweisung, die während des Übergangs zur Supraleitfähigkeit vorkommt. Nehmen Sie an, dass wir ein Material in seinem normalen Staat haben, ein unveränderliches inneres magnetisches Feld enthaltend. Wenn das Material unter der kritischen Temperatur abgekühlt wird, würden wir die plötzliche Ausweisung des inneren magnetischen Feldes beobachten, das wir gestützt auf dem Gesetz von Lenz nicht erwarten würden.

Die Meissner Wirkung wurde eine phänomenologische Erklärung von den Brüdern Fritz und Heinz London gegeben, wer gezeigt hat, dass die elektromagnetische freie Energie in einem Supraleiter zur Verfügung gestellter minimiert wird

:

wo H das magnetische Feld ist und λ die Londoner Durchdringen-Tiefe ist.

Diese Gleichung, die als die Londoner Gleichung bekannt ist, sagt voraus, dass das magnetische Feld in einem Supraleiter exponential von beliebigem Wert verfällt, den es an der Oberfläche besitzt.

Wie man

sagt, ist ein Supraleiter mit wenig oder keinem magnetischen Feld innerhalb seiner im Staat Meissner. Der Staat Meissner bricht zusammen, wenn das angewandte magnetische Feld zu groß ist. Supraleiter können in zwei Klassen gemäß geteilt werden, wie diese Depression vorkommt. In Supraleitern des Typs I wird Supraleitfähigkeit plötzlich zerstört, wenn sich die Kraft des angewandten Feldes über einem kritischen Wert H erhebt. Abhängig von der Geometrie der Probe kann man einen Zwischenstaat erhalten, der aus einem barocken Muster von Gebieten des normalen Materials besteht, das ein magnetisches Feld trägt, das mit Gebieten gemischt ist, Material superzuführen, das kein Feld enthält. In Supraleitern des Typs II, das angewandte Feld vorbei an einem kritischen Wert erhebend, führt H zu einem Mischstaat (auch bekannt als der Wirbelwind-Staat), in dem ein zunehmender Betrag des magnetischen Flusses ins Material eindringt, aber dorthin kein Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stroms bleibt, so lange der Strom nicht zu groß ist. An einer zweiten kritischen Feldkraft H wird Supraleitfähigkeit zerstört. Der Mischstaat wird wirklich durch Wirbelwinde in der elektronischen Superflüssigkeit, manchmal genannt fluxons verursacht, weil der durch diese Wirbelwinde getragene Fluss gequantelt wird. Reinste elementare Supraleiter, außer Niobium, Technetium, Vanadium und Kohlenstoff nanotubes, sind Typ I, während fast alle unreinen und zusammengesetzten Supraleiter Typ II sind.

Londoner Moment

Umgekehrt erzeugt ein spinnender Supraleiter ein magnetisches Feld, das genau nach der Drehungsachse ausgerichtet ist. Die Wirkung, der Londoner Moment, wurde zum guten Gebrauch in der Ernst-Untersuchung B gestellt. Dieses Experiment hat die magnetischen Felder von vier Superleiten-Gyroskopen gemessen, um ihre Drehungsäxte zu bestimmen. Das war zum Experiment kritisch, da es eine der wenigen Weisen ist, die Drehungsachse eines sonst nichts sagenden Bereichs genau zu bestimmen.

Theorien der Supraleitfähigkeit

Seit der Entdeckung der Supraleitfähigkeit sind große Anstrengungen dem Herausfinden gewidmet worden, wie und warum es arbeitet. Während der 1950er Jahre haben theoretische kondensierte Sache-Physiker ein festes Verstehen "der herkömmlichen" Supraleitfähigkeit durch ein Paar von bemerkenswerten und wichtigen Theorien erreicht: die phänomenologische Ginzburg-Landauer-Theorie (1950) und die mikroskopische BCS Theorie (1957). Generalisationen dieser Theorien bilden die Basis, für das nah zusammenhängende Phänomen der Superflüssigkeit zu verstehen, weil sie in die Lambda-Übergang-Allgemeinheitsklasse fallen, aber das Ausmaß, in dem ähnliche Generalisationen auf unkonventionelle Supraleiter ebenso angewandt werden können, ist noch umstritten. Die vierdimensionale Erweiterung der Ginzburg-Landauer-Theorie, des Modells von Coleman-Weinberg, ist in der Quant-Feldtheorie und Kosmologie wichtig. Die Superflüssigkeit von Helium und Supraleitfähigkeit beide ist makroskopische Quant-Phänomene.

Londoner Theorie

Die erste phänomenologische Theorie der Supraleitfähigkeit war Londoner Theorie. Es wurde von den Brüdern Fritz und Heinz London 1935 kurz nach der Entdeckung vorgebracht, dass magnetische Felder von Supraleitern vertrieben werden. Ein Haupttriumph der Gleichungen dieser Theorie ist ihre Fähigkeit, die Wirkung von Meissner zu erklären, worin ein Material exponential alle inneren magnetischen Felder vertreibt, weil es die Superleiten-Schwelle durchquert. Indem man die Londoner Gleichung verwendet, kann man die Abhängigkeit des magnetischen Feldes innerhalb des Supraleiters auf der Entfernung zur Oberfläche erhalten.

Es gibt zwei Londoner Gleichungen:

:

Die erste Gleichung folgt aus dem zweiten Gesetz des Newtons, um Elektronen superzuführen.

Geschichte der Supraleitfähigkeit

Supraleitfähigkeit wurde am 8. April 1911 von Heike Kamerlingh Onnes entdeckt, der den Widerstand von festem Quecksilber bei kälteerzeugenden Temperaturen mit dem kürzlich erzeugten flüssigen Helium als ein Kühlmittel studierte. Bei der Temperatur von 4.2 K hat er bemerkt, dass der Widerstand plötzlich verschwunden ist. In demselben Experiment hat er auch den superflüssigen Übergang von Helium an 2.2 K beobachtet, ohne seine Bedeutung anzuerkennen. (Das genaue Datum und die Verhältnisse der Entdeckung wurden nur ein Jahrhundert später wieder aufgebaut, als das Notizbuch von Onnes gefunden wurde.) In nachfolgenden Jahrzehnten wurde Supraleitfähigkeit in mehreren anderen Materialien beobachtet. 1913, wie man fand, hat Leitung an 7 K supergeführt, und 1941, wie man fand, hat Niobium-Nitrid an 16 K supergeführt.

Der folgende wichtige Schritt im Verstehen der Supraleitfähigkeit ist 1933 vorgekommen, als Meissner und Ochsenfeld entdeckt haben, dass Supraleiter angewandte magnetische Felder, ein Phänomen vertrieben haben, das gekommen ist, um als die Wirkung von Meissner bekannt zu sein. 1935 haben F. und H. London gezeigt, dass die Wirkung von Meissner eine Folge der Minimierung der elektromagnetischen freien getragenen Energie durch das Superleiten des Stroms war.

1950 wurde die phänomenologische Ginzburg-Landauer-Theorie der Supraleitfähigkeit von Landau und Ginzburg ausgedacht. Diese Theorie, die die Theorie von Landau von Phase-Übergängen der zweiten Ordnung mit einer Schrödinger ähnlichen Wellengleichung verbunden hat, hatte großen Erfolg im Erklären der makroskopischen Eigenschaften von Supraleitern. Insbesondere Abrikosov hat gezeigt, dass Ginzburg-Landauer-Theorie die Abteilung von Supraleitern in die zwei Kategorien jetzt gekennzeichnet als Typ I und Typ II voraussagt. Abrikosov und Ginzburg wurden dem 2003-Nobelpreis für ihre Arbeit zuerkannt (Landau hatte den 1962-Nobelpreis für andere Arbeit erhalten, und war 1968 gestorben).

Auch 1950, Maxwell und Reynolds u. a. gefunden, dass die kritische Temperatur eines Supraleiters von der isotopic Masse des konstituierenden Elements abhängt. Diese wichtige Entdeckung hat zur Elektron-Phonon-Wechselwirkung als der mikroskopische für die Supraleitfähigkeit verantwortliche Mechanismus hingewiesen.

Die ganze mikroskopische Theorie der Supraleitfähigkeit wurde schließlich 1957 von Bardeen, Cooper und Schrieffer vorgeschlagen. Unabhängig wurde das Supraleitfähigkeitsphänomen von Nikolay Bogolyubov erklärt. Diese BCS Theorie hat den Superleiten-Strom als eine Superflüssigkeit von Paaren von Cooper, Paaren von Elektronen erklärt, die durch den Austausch von phonons aufeinander wirken. Für diese Arbeit wurden die Autoren dem Nobelpreis 1972 zuerkannt.

Die BCS Theorie wurde auf einem festeren Stand 1958 gesetzt, als Bogolyubov gezeigt hat, dass der BCS wavefunction, der aus einem abweichenden Argument ursprünglich abgeleitet worden war, mit einer kanonischen Transformation elektronischen Hamiltonian erhalten werden konnte. 1959 hat Lev Gor'kov gezeigt, dass die BCS Theorie zur Ginzburg-Landauer-Theorie in der Nähe von der kritischen Temperatur abgenommen ist.

Die erste praktische Anwendung der Supraleitfähigkeit wurde 1954 mit der Erfindung von Dudley Allen Buck des cryotron entwickelt. Zwei Supraleiter mit sehr verschiedenen Werten des kritischen magnetischen Feldes werden verbunden, um einen schnellen, einfaches, Schalter für Computerelemente zu erzeugen.

1962 wurde die erste kommerzielle Superleiten-Leitung, eine Legierung des Niobium-Titans, von Forschern an Westinghouse entwickelt, den Aufbau der ersten praktischen Superleiten-Magnete erlaubend. In demselben Jahr hat Josephson die wichtige theoretische Vorhersage gemacht, dass ein Superstrom zwischen zwei Stücken von durch eine dünne Schicht des Isolators getrenntem Supraleiter fließen kann. Dieses Phänomen, jetzt genannt die Wirkung von Josephson, wird durch das Superleiten von Geräten wie TINTENFISCHE ausgenutzt. Es wird in den genauesten verfügbaren Maßen des magnetischen Fluss-Quants, und so (verbunden mit dem spezifischen Quant-Saal-Widerstand) für den unveränderlichen h von Planck verwendet. Josephson wurde dem Nobelpreis für diese Arbeit 1973 zuerkannt.

2008 wurde es vorgeschlagen, dass derselbe Mechanismus, der Supraleitfähigkeit erzeugt, einen Superisolator-Staat in einigen Materialien mit fast dem unendlichen elektrischen Widerstand erzeugen konnte.

Eine Übersicht der Vergangenheit und Gegenwart der Supraleitfähigkeit kann in den Jahren des Buches 100 der Supraleitfähigkeit gefunden werden.

Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit

Bis 1986 hatten Physiker geglaubt, dass BCS Theorie Supraleitfähigkeit bei Temperaturen über ungefähr 30 K verboten hat. In diesem Jahr haben Bednorz und Müller Supraleitfähigkeit in einem Lanthan-basierten cuprate perovskite Material entdeckt, das eine Übergangstemperatur von 35 K (Nobelpreis in der Physik, 1987) hatte. Es wurde bald gefunden, dass das Ersetzen des Lanthans mit Yttrium (d. h., das Bilden von YBCO) die kritische Temperatur zu 92 K erhoben haben, die wichtig war, weil flüssiger Stickstoff dann als ein Kühlmittel verwendet werden konnte (der Siedepunkt des Stickstoffs ist 77 K am atmosphärischen Druck). Das ist gewerblich wichtig, weil flüssiger Stickstoff preiswert vor Ort von Luft erzeugt werden kann, und für einige der Probleme (zum Beispiel feste Luftstecker) Heliums in der Rohrleitung nicht anfällig ist. Viele andere cuprate Supraleiter sind seitdem entdeckt worden, und die Theorie der Supraleitfähigkeit in diesen Materialien ist eine der hervorragenden Hauptherausforderungen der theoretischen kondensierten Sache-Physik.

Ungefähr von 1993 war der höchste Temperatursupraleiter ein keramisches Material, das aus Thallium, Quecksilber, Kupfer, Barium, Kalzium und Sauerstoff (HgBaCaCuO) mit T = 138 K besteht.

Im Februar 2008 wurde eine eisenbasierte Familie von Hoch-Temperatursupraleitern entdeckt. Hideo Hosono, des Instituts von Tokio für die Technologie und der Kollegen hat Lanthan-Sauerstoff-Fluor-Eisen arsenide (LaOFFeAs), ein oxypnictide gefunden, der unter 26 K superführt. Das Ersetzen des Lanthans in LaOFFeAs mit dem Samarium führt zu Supraleitern, die an 55 K arbeiten.

Kristallstruktur von keramischen Hoch-Temperatursupraleitern

Die Struktur eines hohen-T Supraleiters ist nah mit der perovskite Struktur verbunden, und die Struktur dieser Zusammensetzungen ist als ein verdrehter, Sauerstoff unzulänglicher multi-layered perovskite Struktur beschrieben worden. Einer der Eigenschaften der Kristallstruktur von Oxydsupraleitern ist eine Wechselmehrschicht von Flugzeugen von CuO mit der Supraleitfähigkeit, die zwischen diesen Schichten stattfindet. Mehr Schichten von CuO höher T. Diese Struktur verursacht einen großen anisotropy im normalen Leiten und Superleiten von Eigenschaften, da elektrische Ströme durch in den Sauerstoff-Seiten der Platten von CuO veranlasste Löcher getragen werden. Die elektrische Leitfähigkeit ist hoch anisotropic mit einer viel höheren Leitvermögen-Parallele zum Flugzeug von CuO als in der rechtwinkligen Richtung. Allgemein hängen Kritische Temperaturen von den chemischen Zusammensetzungen, cations Ersetzungen und Sauerstoff-Inhalt ab. Sie können als Superstreifen klassifiziert werden; d. h. Besondere Verwirklichungen von Supergittern an der Atomgrenze haben gemacht, Atomschichten, Leitungen, durch Distanzscheibe-Schichten getrennte Punkte superzuführen, der Mehrband und Mehrlücke-Supraleitfähigkeit gibt.

Supraleiter von YBaCuO

Der erste Supraleiter, der mit T> gefunden ist, 77 K (flüssiger Stickstoff-Siedepunkt) sind Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBaCuO), die Verhältnisse von den 3 verschiedenen Metallen im Supraleiter von YBaCuO, ist im Maulwurf-Verhältnis 1 bis 2 bis 3 für Yttrium zu Barium zu Kupfer beziehungsweise. So wird dieser besondere Supraleiter häufig den 123 Supraleiter genannt.

Die Einheitszelle von YBaCuO besteht aus drei perovskite elementaren Pseudokubikeinheitszellen. Jede perovskite Einheitszelle enthält ein Atom von Y oder Ba am Zentrum: Ba in der untersten Einheitszelle, Y in der mittleren und Ba in der Spitzeneinheitszelle. So werden Y und Ba in der Folge [Ba-Y-Ba] entlang der C-Achse aufgeschobert. Alle Eckseiten der Einheitszelle werden von Cu besetzt, der zwei verschiedene Koordinationen, Cu (1) und Cu (2), in Bezug auf Sauerstoff hat. Es gibt vier mögliche crystallographic Seiten für Sauerstoff: O (1), O (2), O (3) und O (4). Die Koordinationspolyeder von Y und Ba in Bezug auf Sauerstoff sind verschieden. Die Verdreifachung der perovskite Einheitszelle führt zu neun Sauerstoff-Atomen, wohingegen YBaCuO sieben Sauerstoff-Atome hat und deshalb eine am Sauerstoff unzulängliche perovskite Struktur genannt wird. Die Struktur hat ein Stapeln von verschiedenen Schichten: (CuO) (BaO) (CuO) (Y) (CuO) (BaO) (CuO). Eines des Hauptmerkmals der Einheitszelle von YBaCuO (YBCO) ist die Anwesenheit von zwei Schichten von CuO. Die Rolle des Y Flugzeugs soll als eine Distanzscheibe zwischen zwei Flugzeugen von CuO dienen. In YBCO, wie man bekannt, spielen die Cu-O Ketten eine wichtige Rolle für die Supraleitfähigkeit. T ist maximale nahe 92 K, wenn x  0.15 und die Struktur orthorhombic ist. Supraleitfähigkeit verschwindet an x  0.6, wo die Strukturtransformation von YBCO von orthorhombic bis tetragonal vorkommt.

Bi-, Tl- und mit Sitz in Hg hohe-T Supraleiter

Die Kristallstruktur von Bi-, Tl- und mit Sitz in Hg hohen-T Supraleitern ist sehr ähnlich. Wie YBCO bestehen die Perovskite-Typ-Eigenschaft und die Anwesenheit von Schichten von CuO auch in diesen Supraleitern. Jedoch, verschieden von YBCO, sind Cu-O Ketten in diesen Supraleitern nicht da. Der YBCO Supraleiter hat eine orthorhombic Struktur, wohingegen die anderen hohen-T Supraleiter eine tetragonal Struktur haben.

Der Bi Sr Ca Cu O System hat drei Superleiten-Phasen, die eine homologe Reihe als BiSrCaCuO (n = 1, 2 und 3) bilden. Diese drei Phasen sind Bi-2201, Bi-2212 und Bi-2223, Übergangstemperaturen 20, 85 und 110 K beziehungsweise habend, wo das numerierende System Zahl von Atomen für Bi, Sr, Kalifornien und Cu beziehungsweise vertritt. Die zwei Phasen haben eine tetragonal Struktur, die aus zwei besteht, hat crystallographic Einheitszellen geschert. Die Einheitszelle dieser Phasen hat doppelte LEBENS-Flugzeuge, die in einer Weise aufgeschobert werden, wie das Atom von Bi eines Flugzeugs unter dem Sauerstoff-Atom des folgenden Konsekutivflugzeugs sitzt. Das Ca Atom bildet eine Schicht innerhalb des Interieurs der Schichten von CuO sowohl in Bi-2212 als auch in Bi-2223; es gibt keine Schicht von Ca in der Bi-2201 Phase. Die drei Phasen unterscheiden sich mit einander in der Zahl von Flugzeugen von CuO; Bi-2201, Bi-2212 und Bi-2223 Phasen haben ein, zwei und drei Flugzeuge von CuO beziehungsweise. Die c Achse dieser Phase-Zunahmen mit der Zahl von Flugzeugen von CuO (sieh Tisch unten). Die Koordination des Atoms von Cu ist in den drei Phasen verschieden. Das Cu Atom bildet eine octahedral Koordination in Bezug auf Sauerstoff-Atome in der 2201 Phase, wohingegen in 2212 das Atom von Cu durch fünf Sauerstoff-Atome in einer pyramidalen Einordnung umgeben wird. In der 2223 Struktur hat Cu zwei Koordinationen in Bezug auf Sauerstoff: Ein Atom von Cu wird mit vier Sauerstoff-Atomen in der planaren Quadratkonfiguration verpfändet, und ein anderes Atom von Cu wird mit fünf Sauerstoff-Atomen in einer pyramidalen Einordnung koordiniert.

Tl Ba Ca Cu O Supraleiter: Die erste Reihe von mit Sitz in Tl Supraleiter, der eine Tl-O Schicht enthält, hat die allgemeine Formel TlBaCaCuO, wohingegen die zweite Reihe, die zwei Tl-O Schichten enthält, eine Formel von TlBaCaCuO mit n = 1, 2 und 3 hat. In der Struktur von TlBaCuO (Tl-2201) gibt es eine Schicht von CuO mit der Stapeln-Folge (Tl-O) (Tl-O) (Ba-O) (Cu-O) (Ba-O) (Tl-O) (Tl-O). In TlBaCaCuO (Tl-2212) gibt es zwei Cu-O Schichten mit einer Schicht von Ca zwischen. Ähnlich der Struktur von TlBaCuO sind Tl-O Schichten außerhalb der Ba-O Schichten da. In TlBaCaCuO (Tl-2223) gibt es das drei Schicht-Umgeben von CuO Schichten von Ca zwischen jedem von diesen. In mit Sitz in Tl Supraleitern, wie man findet, nimmt T mit der Zunahme in Schichten von CuO zu. Jedoch, der Wert von T-Abnahmen nach vier Schichten von CuO in TlBaCaCuO, und in der Zusammensetzung von TlBaCaCuO, nimmt es nach drei Schichten von CuO ab.

Hg Ba Ca Cu O Supraleiter: Die Kristallstruktur von HgBaCuO (Hg-1201), HgBaCaCuO (Hg-1212) und HgBaCaCuO (Hg-1223) ist diesem von Tl-1201, Tl-1212 und Tl-1223 mit Hg im Platz von Tl ähnlich. Es ist beachtenswert, dass der T der Zusammensetzung von Hg (Hg-1201), der eine Schicht von CuO enthält, verglichen mit der one-CuO-layer Zusammensetzung des Thalliums (Tl-1201) viel größer ist. Im mit Sitz in Hg Supraleiter, wie man auch findet, nimmt T zu, als die Schicht von CuO zunimmt. Für Hg-1201, Hg-1212 und Hg-1223, sind die Werte von T 94, 128 und 134 K beziehungsweise, wie gezeigt, im Tisch unten. Die Beobachtung, dass der T von Hg-1223 zu 153 K unter dem Hochdruck zunimmt, zeigt an, dass der T dieser Zusammensetzung zur Struktur der Zusammensetzung sehr empfindlich ist.

Vorbereitung von hohen-T Supraleitern

Die einfachste Methode, um hohe-T Supraleiter vorzubereiten, ist ein thermochemical Halbleiterreaktionsbeteiligen-Mischen, Kalzinierung und sintering. Die passenden Beträge von Vorgänger-Pudern, gewöhnlich Oxyden und Karbonaten, werden gründlich mit einer Kugelmühle gemischt. Lösungschemie-Prozesse wie coprecipitation, das Gefriertrocknen und die Methoden des Sol-Gels sind alternative Wege, für eine homogenous Mischung vorzubereiten. Diese Puder werden in der Temperaturreihe von 800 °C bis 950 °C seit mehreren Stunden kalziniert. Die Puder werden abgekühlt, gründen sich wieder und kalziniert wieder. Dieser Prozess wird mehrere Male wiederholt, um homogenous Material zu bekommen. Die Puder werden nachher zu Kügelchen und sintered zusammengepresst. Die sintering Umgebung wie Temperatur, Zeit, Atmosphäre ausglühend und Rate abkühlend, spielt eine sehr wichtige Rolle im Bekommen guter hoher-T Superleiten-Materialien. Die Zusammensetzung von YBaCuO ist durch die Kalzinierung und sintering von homogenous Mischung von YO, BaCO und CuO im passenden Atomverhältnis bereit. Kalzinierung wird an 900-950 °C getan, wohingegen sintering an 950 °C in einer Sauerstoff-Atmosphäre getan wird. Die Sauerstoff-Stöchiometrie in diesem Material ist sehr entscheidend, für ein Superleiten Zusammensetzung von YBaCuO zu erhalten. Zur Zeit von sintering wird das Halbleiten tetragonal Zusammensetzung von YBaCuO gebildet, der sich auf dem langsamen Abkühlen in der Sauerstoff-Atmosphäre, ins Superleiten von YBaCuO verwandelt. Das Auffassungsvermögen und der Verlust von Sauerstoff sind in YBaCuO umkehrbar. Eine völlig oxidierte orthorhombic Probe von YBaCuO kann in tetragonal YBaCuO durch die Heizung in einem Vakuum bei der Temperatur über 700 °C umgestaltet werden.

Die Vorbereitung von Bi-, Tl- und mit Sitz in Hg hohen-T Supraleitern ist im Vergleich zu YBCO schwierig. Probleme in diesen Supraleitern entstehen wegen der Existenz von drei oder mehr Phasen, die eine ähnliche layered Struktur haben. So kommen syntaktisches Zwischenwachstum und Defekte wie das Stapeln von Schulden während der Synthese vor, und es wird schwierig, eine einzelne Superleiten-Phase zu isolieren. Für Bi Sr Ca Cu O ist es relativ einfach, den Bi-2212 (T  85 K) Phase vorzubereiten, wohingegen es sehr schwierig ist, eine einzelne Phase von Bi-2223 (T  110 K) vorzubereiten. Die Bi-2212 Phase erscheint nur nach wenigen Stunden von sintering an 860-870 °C, aber der größere Bruchteil der Bi-2223 Phase wird nach einer langen Reaktionszeit mehr als einer Woche an 870 °C gebildet. Obwohl, wie man gefunden hat, der Ersatz von Pb im Bi Sr Ca Cu O Zusammensetzung das Wachstum der hohen-T Phase gefördert hat, ist eine lange sintering Zeit noch erforderlich.

Mögliche Supraleitfähigkeit des Vakuums

Maxim Chernodub vom französischen Nationalen Zentrum für die Wissenschaftliche Forschung hat verlangt, dass das Vakuum als eine Quelle der Supraleitung in Gegenwart von unermesslich starken magnetischen Feldern von 10 Tesla oder mehr, und bei Temperaturen von mindestens einer Milliarde, vielleicht Milliarden von Graden mit rho Mesonen verwendet werden kann, die vom virtuellen Vakuum ziehen werden, das Raum durchdringt, um Supraleitung zu verursachen.

Anwendungen

Superführende Magnete sind einige der stärksten bekannten Elektromagneten. Sie werden in MRI/NMR Maschinen, Massenspektrometern und den Balken steuernden in Partikel-Gaspedalen verwendeten Magneten verwendet. Sie können auch für die magnetische Trennung verwendet werden, wo schwach magnetische Partikeln aus einem Hintergrund weniger oder nichtmagnetische Partikeln, als in den Pigment-Industrien herausgezogen werden.

In den 1950er Jahren und 1960er Jahren wurden Supraleiter verwendet, um experimentelle Digitalcomputer mit cryotron Schalter zu bauen. Mehr kürzlich sind Supraleiter verwendet worden, um Digitalstromkreise gestützt auf der schnellen einzelnen Fluss-Quant-Technologie und RF und den Mikrowellenfiltern für Mobiltelefongrundstationen zu machen.

Supraleiter werden verwendet, um Verbindungspunkte von Josephson zu bauen, die die Bausteine von TINTENFISCHEN sind (Quant-Einmischungsgeräte superführend), die empfindlichsten bekannten Magnetometer. TINTENFISCHE werden in der Abtastung von TINTENFISCH-Mikroskopen und magnetoencephalography verwendet. Reihen von Geräten von Josephson werden verwendet, um das SI-Volt zu begreifen. Abhängig von der besonderen Verfahrensweise ein Isolator-Supraleiter des Supraleiters kann Verbindungspunkt von Josephson als ein Foton-Entdecker oder als ein Mixer verwendet werden. Die große Widerstand-Änderung beim Übergang vom normalen - zum Superleiten-Staat wird verwendet, um Thermometer in kälteerzeugenden Mikrowärmemengenzähler-Foton-Entdeckern zu bauen. Dieselbe Wirkung wird in ultraempfindlichem bolometers verwendet, der davon gemacht ist, Materialien superzuführen.

Andere frühe Märkte entstehen, wo die Verhältnisleistungsfähigkeit, Größe und Gewicht-Vorteile von auf der Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit gestützten Geräten die zusätzlichen beteiligten Kosten überwiegen.

Viel versprechende zukünftige Anwendungen schließen klugen Hochleistungsbratrost, elektrische Energieübertragung, Transformatoren, Macht-Speichergeräte, elektrische Motoren (z.B für den Fahrzeugantrieb, als in vactrains oder Maglev-Zügen), magnetische Levitationsgeräte, Schuld-Strombegrenzer, nanoscopic Materialien wie buckyballs, nanotubes, zerlegbare Materialien und das Superleiten magnetischer Kühlung ein. Jedoch ist Supraleitfähigkeit zum Bewegen magnetischer Felder so Anwendungen empfindlich, die Wechselstrom verwenden (z.B, Transformatoren) wird schwieriger sein sich zu entwickeln als diejenigen, die sich auf direkten Strom verlassen.

Nobelpreise für die Supraleitfähigkeit

• Heike Kamerlingh Onnes (1913), "für seine Untersuchungen auf den Eigenschaften der Sache bei niedrigen Temperaturen, die, unter anderem, zur Produktion von flüssigem Helium" geführt

haben

• John Bardeen, Leon N. Cooper und J. Robert Schrieffer (1972), "für ihre gemeinsam entwickelte Theorie der Supraleitfähigkeit, gewöhnlich genannt die BCS-Theorie"
• Leo Esaki, Ivar Giaever und Brian D. Josephson (1973), "für ihre experimentellen Entdeckungen bezüglich tunneling Phänomene in Halbleitern und Supraleitern, beziehungsweise," und "für seine theoretischen Vorhersagen der Eigenschaften eines Superstroms durch eine Tunnel-Barriere, insbesondere jene Phänomene, die als die Effekten von Josephson" allgemein bekannt

sind

• Georg Bednorz und Alex K. Müller (1987), "für ihren wichtigen Durchbruch in der Entdeckung der Supraleitfähigkeit in keramischen Materialien"
• Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg und Anthony J. Leggett (2003), "um für Beiträge zur Theorie von Supraleitern und Superflüssigkeiten" den Weg zu bahnen

Siehe auch

• Nachdenken von Andreev
• Anklage-Übertragungskomplex
• Farbensupraleitfähigkeit in Quarken
• Zerlegbare Reaktion Texturing
• Herkömmlicher Supraleiter
• Supraleiter von Covalent
• Fluss, der pumpt
• Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit
• Das Gesetz von Häusern
• Eisenbasierter Supraleiter
• Wirkung von Kondo
• Liste von Supraleitern
• Wirkung der wenig Parks
• Magnetische Levitation
• Makroskopische Quant-Phänomene
• Magnetisches Segel
• Nationales Superleiten-Zyklotron-Laboratorium
• Oxypnictide
• Beharrlicher Strom
• Nähe-Wirkung
• Raumtemperatursupraleiter
• Kabel von Rutherford
• Spallation Neutronquelle
• Das Superleiten RF
• Supraleiter-Klassifikation
• Superflüssiger Film
• Superstreifen
• Technologische Anwendungen der Supraleitfähigkeit
• Zeitachse der Technologie der niedrigen Temperatur
• Supraleiter des Typs-I
• Supraleiter des Typs-II
• Unkonventioneller Supraleiter
• BCS Theorie
• Das kritische Zustandmodell der Bohne

Weiterführende Literatur

Links

• Alles über die Supraleitfähigkeit: Eigenschaften, Forschung, Anwendungen mit Videos, Zeichentrickfilmen, Spiele
• Video über Supraleiter des Typs I: R=0/transition Temperaturen / B sind eine Zustandsgröße / Wirkung von Meissner / Energielücke (Giaever) / BCS Modell
• Supraleitfähigkeit: Strom in einem Kap und Thermalstrumpfhose. Eine Einführung ins Thema für Nichtwissenschaftler Nationales Hohes Magnetisches Feldlaboratorium
• Einführung in die Supraleitfähigkeit
• Vorträge auf der Supraleitfähigkeit (Reihe von Videos, einschließlich Interviews mit Hauptexperten)
• Supraleitfähigkeit im täglichen Leben: Interaktive Ausstellung
• Videos für verschiedene Typen, Levitation einschließlich Züge und hoolahoops - auch Videos des Gesetzes des Ohms in einem Supraleiter superzuführen
• Video der Wirkung von Meissner vom NJIT Mathclub
• Supraleitfähigkeitsnachrichtenaktualisierung
• Supraleiter-Woche-Rundschreiben - Industrienachrichten, Verbindungen, und so weiter
• Das Superleiten magnetischer Levitation
• Nationales Superleiten-Zyklotron-Laboratorium an der Michiganer staatlichen Universität
• Das hohe Temperatursuperleiten und die Kryogenik in RF Anwendungen
• CERN Supraleiter-Datenbank
• Magnetisierung von Hohen Temperatursupraleitern durch die Fluss-Pumpen-Methode
• Video von YouTube Frei schwebender Magnet
• Isotop-Wirkung in der Supraleitfähigkeit
• Internationale Werkstatt auf der Supraleitfähigkeit in Zusammenhängenden und Diamantmaterialien (Papiere des kostenlosen Downloads)
• Neue Diamant- und Grenzkohlenstoff-Technologiesonderausgabe des Bands 17, Nr. 1 auf der Supraleitfähigkeit im CVD Diamanten
• DoITPoMS lehrend und das Lernen des Pakets - "Supraleitfähigkeit"
• Der Nobelpreis für die Physik, 1901-2008