Tanpa sebarang rintangan

Tanpa sebarang rintangan

Alexey Levin
"Mekanik Popular" №8, 2011

Tahun ini menandakan 100 tahun sejak penemuan superkonduktiviti.

Fizik pada penghujung abad ke-19 sangat berminat dengan bagaimana konduktiviti elektrik logam bertindak pada suhu ultra rendah. Pada akaun ini terdapat teori-teori yang berbeza, tetapi kebolehgunaan mereka berhampiran sifar mutlak kelihatan ragu. Pada Disember 1910, Kamerlingh Onnes, bersama dengan Cornelis Dorsman dan Gilles Holst, memulakan eksperimen. Pertama sekali, mereka mengukur ketergantungan suhu rintangan wayar platinum yang disejukkan oleh helium cair. Ternyata ia berkurang dengan suhu, tetapi di bawah 4.25 K ia menjadi malar. Kamerlingh Onnes percaya bahawa logam tulen logam berhampiran sifar mutlak mesti mengalir dengan bebas, dan menjelaskan ketahanan sisa terhadap pengaruh kekotoran. Di masa depan, beliau memutuskan untuk menggunakan merkuri, yang boleh dibersihkan dengan penyulingan berulang dalam vakum. Raksa merkuri dicurahkan ke dalam kapilari nipis pada suhu bilik dan disejukkan dalam cryostat helium, selepas itu rintangannya diukur. Pada hari yang menakjubkan pada 8 April 1911, Kamerlingh Onnes hanya yakin bahawa apabila disejukkan pada 4.3 hingga 3 K, rintangan merkuri turun hampir kepada sifar.Dalam eksperimen berulang pada 11 Mei, dia mendapati bahawa raksa meruntuhkan rintangan apabila disejukkan kepada 4.2 K (sebenarnya, skala suhunya tidak sepenuhnya betul, malah merkuri tulen menjadi superkonduktor pada 4.15 K).

Kamerlingh Onnes menyedari bahawa kehilangan secara tiba-tiba rintangan elektrik merkuri (atau, sekurang-kurangnya, kejatuhannya kepada nilai yang tidak dapat dikira) tidak mempunyai penjelasan teoritis. Dia sampai pada kesimpulan bahawa raksa melewati keadaan baru, yang dipanggil superconducting (suhu peralihan itu sekarang disebut kritikal, Tc).

Kemudian, di bawah pimpinan Kamerlingh Onnes di Leiden, empat lagi superkonduktor ditemui – tin dan plumbum (1912), thallium (1919), dan indium (1923). Tapi penemuan yang paling menarik makmalnya tidak begitu. Seawal kejatuhan tahun 1911, diperhatikan bahawa superkonduktiviti merkuri runtuh kerana ketumpatan semasa meningkat di atas had tertentu, yang meningkat apabila suhu berkurangan. Eksperimen selanjutnya telah menunjukkan bahawa apabila kawat superconducting dilipat ke dalam lingkaran, ambang ini berkurang beberapa kali. Gelung dawai tin dan plumbum yang dibuat untuk eksperimen ini adalah magnet superkonduktor pertama di dunia.

Keputusan ini menunjukkan bahawa superkonduktiviti dimusnahkan oleh medan magnet (yang, pada kekuatan arus yang sama di dalam solenoid, jauh lebih kuat daripada dalam konduktor linear). Secara luar biasa, Kamerlingh Onnes tidak berfikir mengenai kemungkinan ini, menjelaskan kehilangan superkonduktiviti oleh penyejukan yang kurang dari gegelung. Walau bagaimanapun, beliau sangat berminat dengan pengaruh medan magnet luar terhadap tingkah laku superkonduktor. Memulakan pengajian pada tahun 1914, dia tidak lama lagi menjadi yakin bahawa satu bidang ketegangan hanya beberapa ratus oersted menyebabkan kesan yang sama seperti pemanasan, iaitu, menghapuskan superkonduktiviti. Walaupun Kamerlingh Onnes secara tidak sengaja merumuskan kesimpulan ini dan menunjukkan bahawa nilai ambang medan magnet (dalam istilah moden, medan kritikal Hc) meningkat dengan suhu berkurang seperti nilai ambang kepadatan arus, dia tidak melihat hubungan antara fenomena ini. Dan hanya pada tahun 1916, ahli fizik Amerika Francis Brigg Silsby menyatakan hipotesis bahawa dalam kedua-dua kes, superkonduktivitas dimusnahkan oleh medan magnet, tanpa mengira sumbernya.

Pada tahun 1914, Kamerlingh Onnes mentakrifkan kemunculan arus superconducting.Pada suhu bilik, gegelung dawai utama disejukkan dalam medan magnet kepada kira-kira 2 K, selepas itu medan yang dihasilkan oleh elektromagnet dimatikan. Arus induksi muncul di gegelung, yang, dengan medan magnetnya, memegang jarum magnet yang digantung di atas gegelung. Menurut pemerhatian, selama satu setengah jam, di mana gegelung disimpan dalam cryostat, kekuatan semasa hampir tidak berkurang. Sekiranya ia bukan superkonduktor, arus ini, tentu saja, akan dilemahkan dalam pecahan yang tidak penting sesaat.

Superconductivity and magnetism

Selepas Kamerlingh Onnes, makmal itu diketuai oleh Willem Keez dan Vander de Haas. Pada akhir 1920-an, mereka mendapati bahawa bukan sahaja logam menjadi superkonduktor, tetapi juga sebatian bimetal, dan medan magnet ambang mereka boleh beribu-ribu Oersteds, yang sepuluh kali lebih tinggi daripada logam tulen. Mereka juga membuktikan bahawa penggunaan medan magnet luaran menurunkan suhu kritikal.

Menjelang masa itu, kajian tentang superkonduktivitas tidak hanya terlibat di Belanda. Kompleks pencair helium kedua dilancarkan di University of Toronto pada tahun 1923, yang ketiga dua tahun kemudian di makmal kriogenik Pusat Fisika dan Teknologi Imperial di pinggir Charlottenburg di Berlin.Dari tahun 1928 hingga 1930, superkonduktiviti tantalum, thorium dan niobium diturunkan di sana. Dan pada tahun 1933, pengarah makmal Walter Meissner dan pembantunya, Robert Oxenfeld, mendapati ciri paradoks dalam superkonduktor, yang kini dianggap lebih asas daripada keupayaan untuk lulus arus elektrik tanpa gangguan.

Kesan Meissner-Oxenfeld, seperti superkonduktiviti, dijumpai secara kebetulan. Pada masa itu, superkonduktor dilihat hanya sebagai konduktor yang ideal dengan rintangan sifar. Pada tahun 1925, Gertrud de Haaz-Lorenz (isteri Vander de Haas dan anak perempuan ahli fizik Belanda yang terkenal, Hendrik Lorenz) secara teoritis mendapati bahawa dalam arus elektrik, arus elektrik hanya mengalir pada lapisan permukaan kira-kira 50 nm tebal (anggarannya ternyata sangat tepat – angka ini ialah 40 nm). Beberapa tahun kemudian, ahli fizik Jerman mendapat keputusan yang sama. Meissner ingin menguji teori ini melalui eksperimen. Oleh kerana mustahil untuk melihat di dalam sebuah superkonduktor, dia memutuskan untuk mengkaji medan magnet yang dihasilkan oleh arus superconducting. Di sini dia terkejut. Ternyata superkonduktor berinteraksi dengan medan magnet dengan cara yang sama sekali berbeda daripada konduktor ideal harus berinteraksi dengannya (lihat sidebar).Eksperimen Meissner dan Oxenfeld menunjukkan bahawa di dalam superkonduktor medan magnet menjadi sifar, iaitu peralihan ke keadaan superconducting menimbulkan diamagnetisme yang sempurna (bahan-bahan di dalamnya medan magnet luaran yang lemah dipanggil diamagnetik). Hasil ini kelihatan sepenuhnya paradoks. Eksperimen berulang berulang mengesahkan bahawa medan magnet yang lemah tidak menembusi ke superkonduktor pepejal, walaupun mereka melewati cincin dan silinder berongga.

Kesan Meissner-Oxenfeld

Bagaimanakah konduktor yang sesuai akan bertindak dalam medan magnet? Ambil sampel logam dengan geometri mudah (bola atau silinder panjang nipis) dan letakkannya dalam medan magnet seragam yang berterusan pada suhu bilik. Seperti yang diketahui dari kursus fizik sekolah, bidang itu akan menembusi sampel dalam ketebalannya. Kurangkan suhu di bawah kritikal, supaya sampel berada dalam konduktor yang ideal. Peralihan sedemikian sama sekali tidak menjejaskan medan magnet, yang masih menembusi sampel. Selepas melepaskan medan di dalam konduktor yang ideal, daya magnet dipelihara kerana penampilan arus induksi (ingat kaedah Lenz), tetapi medan luar secara semula jadi berubah.

Sekarang kita akan melakukan operasi yang sama dalam susunan yang terbalik: pertama menyejukkan sampel dan kemudian menghidupkan medan magnet. Konduktor yang ideal akan benar-benar menolak garis magnetik daya dan menghasilkan arus induksi perisai di permukaannya. Walau bagaimanapun, selepas kita menaikkan suhu dan mengubah konduktor ideal menjadi logam biasa, medan magnet akan sekali lagi menembusi sampel.

Meissner dan Oxenfeld dalam eksperimen dengan silinder timah dan timah mendapati bahawa ramalan ini hanya separuh dipenuhi. Dalam versi kedua pengalaman itu, superkonduktor benar-benar berkelakuan sebagaimana mestinya untuk konduktor yang ideal. Walau bagaimanapun, versi pertama (pendinginan dalam medan magnet yang berterusan) membawa kepada hasil yang tidak dijangka sepenuhnya. Selepas peralihan ke keadaan superconducting, sampel itu sepenuhnya menolak fluks magnet, supaya induksi magnet di dalamnya ternyata menjadi sifar. Sepertinya dalam kes ini, arus bukan redaman juga muncul di permukaan superkonduktor, yang melindungi bahagian dalamannya dari medan magnet luaran. Pengeksperimen juga dijumpaibahawa selepas pemotongan seterusnya bidang, sampel kehilangan magnetisasinya. Ia mengikuti arus yang hilang, walaupun ia mesti dipelihara dalam konduktor yang ideal.

Akhir mati klasik

Selepas kematian Onnes, teori kuantum logam dan aloi telah dibangunkan, yang menjanjikan harapan untuk penjelasan superkonduktivitas. Ahli teori bertaraf dunia seperti Werner Heisenberg dan Wolfgang Pauli, Niels Bor dan Hans Bethe, Lev Landau dan Jacob Frenkel, Neville Mott dan Hendrik Casimir sedang mencari dia, dan ini bukan senarai lengkap. Walau bagaimanapun, superkonduktiviti kekal sebagai misteri yang tidak dapat dikawal untuk masa yang lama. Felix Bloch, salah seorang pencipta teori kuantum pepejal, meramalkan pada awal 1930-an bahawa sebarang teori superkonduktiviti akan disangkal dengan masa. Ramalan ini berlangsung selama 20 tahun.

Pada tahun 1932, ahli teori Belanda Ralph Kronig mencadangkan satu model di mana elektron dalam superkonduktor membentuk sejenis kekisi kristal di mana rantai elektronik satu dimensi yang membawa arus elektrik secara bebas meluncur. Dua tahun kemudian Cornelis Gorter dan Hendrik Casimir mengembangkan idea ini ke dalam teori.Dia berpendapat bahawa berhampiran sifar mutlak dalam superkonduktor hampir semua elektron pengaliran melembapkan ke dalam "fasa kristal," tetapi sebahagian kecilnya tetap dalam bentuk gas bebas. "Crystallized" elektron memindahkan arus pengangkutan tanpa rintangan, dan "gas" masih berselerak dengan getaran haba dan kecacatan kekisi. Apabila dipanaskan, pecahan gas meningkat dan mencapai 100% pada suhu kritikal. Model Gorter dan Casimir didasarkan pada termodinamik klasik dan elektrodinamika, dan mekanik kuantum tidak digunakan di dalamnya. Model ini bahkan boleh sebahagiannya konsisten dengan hasil eksperimen, tetapi masih kelihatan sangat tiruan.

Tugas ahli teori dan sebenarnya tidak mudah. Untuk interpretasi yang munasabah terhadap kesan Meissner-Oxenfeld, seseorang harus mengakui bahawa apabila peralihan kepada keadaan superconducting dalam medan magnet yang berterusan, arus permukaan berterusan timbul dalam sampel. Tetapi, menurut persamaan Maxwell klasik, arus elektrik hanya disebabkan oleh perubahan dalam medan magnet.Teori pepejal berpendapat bahawa kesimpulan ini agak benar untuk elektron konduksi dalam logam biasa. Ia tetap mengandaikan bahawa pembawa semasa dalam superkonduktor berada dalam keadaan eksotik, untuk menggambarkan model baru yang diperlukan.

Langkah kuantum pertama

Model pertama pada 1934 dikembangkan oleh Fritz dan Heinz Londons, ahli fizik Jerman yang berhijrah ke England selepas Hitler berkuasa. Saudara-saudara London bekerja di Makmal Clarendon di Oxford University, di mana pada masa itu pusat kriogenik British pertama dibuka dengan kompleks untuk pencairan helium. Mereka mempostulasikan dua persamaan yang menggambarkan hubungan antara arus superconducting, kekuatan medan elektrik dan induksi magnetik. Dari persamaan-persamaan ini diikuti bahawa medan magnet luar menyebarkan di dalam superkonduktor hanya dalam lapisan yang sangat nipis, yang dikenali sebagai kedalaman penembusan London (50-500 nm).

Jenis I dan Tipe II Superconductors

Hasil yang paling meyakinkan dalam bidang interaksi antara superkonduktor dan medan magnet diperolehi di bawah bimbingan seorang penguji yang luar biasa Lev Shubnikov dalammakmal kriogenik Institut Fizikal-Teknikal Ukraine di Kharkov, di mana pada tahun 1933 liquefier liquefier dipasang. Shubnikov mendapati bahawa, tidak seperti logam tulen, aloi superconducting tidak mempunyai satu, tetapi dua medan magnet yang kritikal – yang lebih rendah dan yang lebih tinggi (kini mereka ditetapkan sebagai Hc1 dan Hc2). Medan magnet luaran yang lebih kecil daripada Hc1, jangan menembusi aloi sama sekali, dan oleh itu ia berkelakuan seperti logam superconducting tulen. Dengan peningkatan intensiti, medan luaran mula menembusi sampel, tetapi rintangan elektriknya tetap sifar. Apabila bidang menjadi Hc2, aloi terhenti menjadi superconducting. Dalam julat bidang luar dari kritikan yang lebih rendah ke kritikal atas, superkonduktor sedemikian berada dalam keadaan perantaraan di mana kesan Meissner-Oxenfeld tidak berfungsi lagi. Dua logam tulen, vanadium dan niobium, bersikap sama. Ia mungkin untuk menerangkan ini hanya 20 tahun kemudian. Superkonduktor sedemikian kini dipanggil superconductors jenis II, dan logam tulen (dan sesetengah aloi), yang mematuhi sepenuhnya kesan Meissner, dikelaskan sebagai jenis superkonduktor I.

Teori London adalah puncak pemahaman sifat superconductivity, dicapai pada separuh pertama abad XX.Ia menggambarkan dengan baik tingkah laku superkonduktor dalam medan magnet luar, yang jauh lebih rendah daripada Hc (atau Hc1). Persamaan London tidak lagi mengandungi konstan Planck dan oleh itu tidak secara rasmi berkaitan dengan fizik kuantum. Tetapi pada tahun 1935, Fritz London menyimpulkan bahawa elektron-elektron dalam superkonduktor berada dalam keadaan kuantum pegun, sedikit sebanyak sama dengan keadaan elektron dalam orbit intra atom. Dia adalah yang pertama di dunia yang melihat dalam superkonduktivitas fenomena murni kuantum skala makroskopik, yang merupakan idea revolusioner untuk masa itu. Pada tahun 1948, beliau menunjukkan bahawa fluks magnetik yang dikkuantisasi, iaitu, menembusi cincin superkonduktor hanya dalam bahagian-bahagian terhingga, selalu sama dengan jumlah keseluruhan kuant arus fluks magnetik. Eksperimen mengesahkan kuantisasi fluks magnet hanya pada tahun 1961.

Perang Dunia Kedua hampir sepenuhnya mengganggu kajian superkonduktiviti. Contohnya, pada tahun 1941 di Jerman, superkonduktivitas niobium nitrida dengan rekod suhu tinggi 15 K telah dijumpai.Tetapi terobosan nyata di kawasan ini berlaku pada tahun 1960-an, apabila bahan-bahan yang menjadi superkonduktor dengan ketara suhu yang lebih tinggi.Tetapi mengenai ini, serta mengenai superkonduktor suhu tinggi, baca salah satu nombor berikut "PM".


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: