Superprevodnost kovin, odkritje Heike Kamerling-Onnes

Prvi, ki je naletel na pojav superprevodnosti Heike Kamerling Onnes — nizozemski fizik in kemik. Leto odkritja pojava je bilo 1911. In že leta 1913 bo znanstvenik za svoje raziskave prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

S študijo električnega upora živega srebra pri ultra nizkih temperaturah je želel ugotoviti, do katere stopnje bi lahko padel upor snovi proti električnemu toku, če bi jo očistili nečistoč, in čim bolj zmanjšati, kar je mogoče klical. »termični šum«, torej znižati temperaturo teh snovi. Rezultati so bili nepričakovani in osupljivi. Pri temperaturah pod 4,15 K je upor živega srebra nenadoma popolnoma izginil!

Spodaj je graf opazovanega Onnesa.

V tistih časih je znanost že vedela vsaj toliko tok v kovinah je tok elektronov, ki se ločijo od svojih atomov in jih kot naelektreni plin odnese električno polje.To je kot veter, ko se zrak premika iz območja visokega tlaka v območje nizkega tlaka. Samo zdaj so pri toku namesto zraka prosti elektroni, potencialna razlika med koncema žice pa je analogna razliki tlakov za primer zraka.

Pri dielektrikih je to nemogoče, ker so elektroni tesno vezani na svoje atome in jih je zelo težko iztrgati iz njihovih mest. In čeprav se v kovinah elektroni, ki tvorijo tok, gibljejo razmeroma prosto, občasno trčijo ob ovire v obliki vibrirajočih atomov in pride do neke vrste trenja, imenovanega električni upor.

Toda pri ultra nizki temperaturi se začne manifestirati superprevodnost, učinek trenja iz nekega razloga izgine, upor prevodnika pade na nič, kar pomeni, da se elektroni gibljejo popolnoma prosto, neovirano. Toda kako je to mogoče?

Da bi našli odgovor na to vprašanje, so fiziki desetletja raziskovali. In še danes navadne žice imenujemo "normalne" žice, medtem ko prevodnike v stanju ničelnega upora imenujemo "superprevodniki".

Treba je opozoriti, da čeprav običajni prevodniki z nižanjem temperature zmanjšajo svojo upornost, baker tudi pri temperaturi nekaj kelvinov ne postane superprevodnik, živo srebro, svinec in aluminij pa postanejo, njihova upornost pa se izkaže za najmanj sto bilijonov krat manjša kot pri bakru pod enakimi pogoji.

Treba je omeniti, da Onnes ni podal neutemeljenih trditev, da je upor živega srebra med prehodom toka postal natanko nič, in ni preprosto tako padel, da bi ga postalo nemogoče izmeriti s takratnimi instrumenti.

Postavil je eksperiment, v katerem je tok v superprevodni tuljavi, potopljeni v tekoči helij, še naprej krožil, dokler duh ni izhlapel. Igla kompasa, ki je sledila magnetnemu polju tuljave, ni nič odstopala! Leta 1950 bo natančnejši tovrsten poskus trajal leto in pol, tok pa se kljub tako dolgemu obdobju ne bo v ničemer zmanjšal.

Na začetku je znano, da je električni upor kovine močno odvisen od temperature, lahko sestavite tak graf za baker.

Višja kot je temperatura, bolj atomi vibrirajo. Bolj kot atomi vibrirajo, večja ovira postanejo na poti elektronov, ki tvorijo tok. Če se temperatura kovine zmanjša, se bo njen upor zmanjšal in se približal določenemu preostalemu uporu R0. In ta preostali upor je, kot se je izkazalo, odvisen od sestave in "popolnosti" vzorca.

Dejstvo je, da se napake in nečistoče nahajajo v vsakem vzorcu iz kovine. Ta odvisnost je leta 1911 zanimala predvsem Onesa, ki sprva ni težil k superprevodnosti, ampak je želel le doseči takšno frekvenco prevodnika, da bi zmanjšal njegov preostali upor.

Živo srebro se je v tistih letih lažje čistilo, zato je raziskovalec nanj naletel po naključju, kljub temu da so platina, zlato in baker pri običajnih temperaturah boljši prevodniki od živega srebra, jih je le težje očistiti.

Ko se temperatura zniža, se superprevodno stanje nenadoma pojavi v določenem trenutku, ko temperatura doseže določeno kritično raven. Ta temperatura se imenuje kritična, ko temperatura pade še nižje, upor močno pade na nič.

Čistejši kot je vzorec, ostrejši je padec in pri najčistejših vzorcih se ta padec pojavi v intervalu, manjšem od stotinke stopinje, bolj ko je vzorec onesnažen, daljši je padec in doseže več deset stopinj, to je še posebej opazen v visokotemperaturni superprevodniki.

Kritična temperatura vzorca je izmerjena na sredini intervala strmega padca in je individualna za vsako snov: za živo srebro 4,15K, za niobij 9,2K, za aluminij 1,18K itd. Zlitine so posebna zgodba, njihovo superprevodnost je pozneje odkril Onnes: živo srebro z zlatom in živo srebro s kositrom sta bili prvi superprevodni zlitini, ki ju je odkril.

Kot je navedeno zgoraj, je znanstvenik izvedel hlajenje s tekočim helijem. Mimogrede, Onnes je pridobival tekoči helij po lastni metodi, razviti v lastnem posebnem laboratoriju, ustanovljenem tri leta pred odkritjem pojava superprevodnosti.

Da bi nekoliko razumeli fiziko superprevodnosti, ki se pojavi pri kritični temperaturi vzorca, tako da upor pade na nič, je treba omeniti fazni prehod… Normalno stanje, ko ima kovina normalen električni upor, je normalna faza. Superprevodna faza — to je stanje, ko ima kovina ničelni upor. Ta fazni prehod se zgodi takoj po kritični temperaturi.

Zakaj pride do faznega prehoda? V začetnem "normalnem" stanju se elektroni udobno počutijo v svojih atomih in ko tok teče skozi žico v tem stanju, se energija vira porabi, da prisili nekaj elektronov, da zapustijo svoje atome in se začnejo premikati vzdolž električnega polja, čeprav na svojih poteh naletijo na utripajoče ovire.

Ko se žica ohladi na temperaturo pod kritično temperaturo in se hkrati skozi njo vzpostavi tok, postane elektronom bolj priročno (energijsko ugodno, energijsko poceni) biti v tem toku in se vrniti v prvotno "normalno" stanje, bi bilo v tem primeru potrebno od nekje dobiti dodatno energijo, ki pa je ne pride od nikoder. Zato je superprevodno stanje tako stabilno, da ga snov ne more zapustiti, razen če se ponovno segreje.

Poglej tudi:Meissnerjev učinek in njegova uporaba