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Supercondutividade

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Um ímã levitando acima de um supercondutor de alta temperatura, arrefeceu-se com azoto líquido. Corrente eléctrica persistente flui sobre a superfície do supercondutor, na qualidade de excluir o campo magnético do íman (a Efeito Meissner). Esta corrente constitui efetivamente um eletroímã que repele o íman.

Supercondutividade é um fenômeno que ocorre em certos materiais geralmente muito baixas temperaturas , caracterizadas por exatamente zero resistência elétrica ea exclusão do interior campo magnético (a Efeito Meissner).

A eléctrica resistividade de um metálico condutor diminui gradualmente à medida que a temperatura é reduzida. No entanto, nos condutores comuns, tais como de cobre e prata , impurezas e outros defeitos impor um limite inferior. Mesmo perto do zero absoluto de uma amostra verdadeira de cobre apresenta uma resistência diferente de zero. A resistência de um supercondutor, por outro lado, cai abruptamente para zero, quando o material é arrefecido abaixo do seu "temperatura crítica". Um corrente elétrica que flui em um loop de fio supercondutor pode persistir indefinidamente com nenhuma fonte de energia. Como ferromagnetismo e linhas espectrais atômicas , supercondutividade é uma mecânica quântica fenômeno. Ele não pode ser entendido simplesmente como a idealização do " condutividade perfeita "na física clássica.

A supercondutividade ocorre em uma ampla variedade de materiais, incluindo elementos simples, como estanho e alumínio , vários metálico ligas e alguns heavily- dopados com semicondutores . A supercondutividade não ocorre em metais nobres como ouro e prata , nem em amostras puras de metais ferromagnéticos.

Em 1986, a descoberta de uma família de cuprate- perovskita materiais cerâmicos conhecidos como supercondutores de alta temperatura, com temperaturas críticas em excesso de 90 Kelvin, estimulou o interesse renovado e pesquisa em supercondutividade por várias razões. Como um tema de pesquisa pura, estes materiais representou um novo fenômeno não explicado pela teoria vigente. E, porque o estado supercondutor persiste até temperaturas mais gerenciáveis, passado o economicamente importante ponto de ebulição de nitrogênio líquido (77 Kelvin), as aplicações mais comerciais são viáveis, especialmente se materiais com temperaturas ainda mais altas crítica poderia ser descoberto.

Para a história da supercondutividade ver Aqui.

Propriedades elementares de supercondutores

A maior parte das propriedades físicas dos supercondutores pode variar de material para material, tal como o capacidade de calor e a temperatura crítica, campo crítico, e a densidade de corrente crítica em que a supercondutividade é destruído.

Por outro lado, existe uma classe de propriedades que são independentes do material subjacente. Por exemplo, todos os supercondutores têm exactamente resistividade zero a correntes baixas aplicado quando não estiver presente nenhum campo magnético. A existência dessas propriedades "universais" implica que a supercondutividade é uma fase termodinâmica e, portanto, possuem certas propriedades distintivas que sejam largamente independentes dos detalhes microscópicos.

Zero elétrica "dc" resistência

Cabos eléctricos para aceleradores na CERN: top, cabos regulares para LEP; , cabos supercondutores de fundo para o LHC.

O método mais simples para medir a resistência eléctrica de uma amostra de um material é colocá-lo numa circuito eléctrico em série com uma fonte de corrente I e medir a resultante V de tensão através da amostra. A resistência da amostra é dada pela A lei de Ohm como R = \ frac {V} {I} . Se a tensão é igual a zero, isto significa que a resistência é igual a zero e que a amostra está no estado supercondutor.

Os supercondutores também são capazes de manter uma corrente sem qualquer tensão aplicada, uma propriedade explorada em supercondutor electromagnetos, tais como aqueles encontrados em Aparelhos de ressonância magnética. As experiências demonstraram que as correntes em bobinas supercondutoras podem persistir durante anos sem qualquer degradação mensurável. Evidências apontam experimentais para uma vida atual de pelo menos 100 mil anos, e as estimativas teóricas para a vida útil de uma corrente persistente exceder a vida útil estimada do universo .

Em um condutor normal, uma corrente elétrica pode ser visualizado como um fluido de elétrons movendo-se através de uma pesada iônica treliça. Os electrões são constantemente colidindo com os iões na rede, e durante cada colisão alguma da energia transportada pela corrente é absorvido pela estrutura e convertida em calor , que é essencialmente o vibracional energia cinética dos iões de treliça. Como resultado, a energia transportada pela corrente está constantemente a ser dissipada. Este é o fenômeno da resistência elétrica.

A situação é diferente em um supercondutor. Em um supercondutor convencional, o fluido electrónico não podem ser resolvidos nos electrões individuais. Em vez disso, ele consiste em pares ligados de elétrons conhecidas como Pares de Cooper. Este emparelhamento é causada por uma força atractiva entre electrões a partir da troca de fônons. Devido à mecânica quântica , a espectro de energia deste par de líquidos Cooper possui um abertura de energia, o que significa que é uma quantidade mínima de AE energia que deve ser fornecida de modo a excitar o fluido. Portanto, se AE é maior do que o a energia térmica da estrutura, dada por kT, onde k é A constante de Boltzmann e T é a temperatura , o fluido não vai ser difundida pela rede. O par de fluido Cooper é, assim, uma superfluido, o que significa que pode fluir sem dissipação de energia.

Em uma classe de supercondutores conhecidos como Supercondutores do tipo II, incluindo todos conhecidos supercondutores de alta temperatura, uma quantidade extremamente pequena de resistividade aparece a temperaturas não muito abaixo da transição supercondutora nominal quando uma corrente eléctrica é aplicada em conjunto com um forte campo magnético, que pode ser causada pela corrente eléctrica. Isto é devido ao movimento de vórtices no superfluida electrónico, que dissipa a energia de alguns transportado pela corrente. Se a corrente é suficientemente pequeno, os vórtices são estacionários, e a resistividade desaparece. A resistência devida a este efeito é pequena em comparação com a de materiais não supercondutoras, mas deve ser tomado em consideração nas experiências sensíveis. No entanto, quando a temperatura diminui suficientemente inferior ao nominal transição supercondutora, estes vórtices podem tornar-se congelado para uma fase estacionária desordenada, mas conhecido como um "vidro de vórtice". Abaixo desta temperatura de transição vítrea de vórtice, a resistência do material torna-se realmente zero.

Transição de fase supercondutora

Comportamento de capacidade de calor (c v, azul) e resistividade (ρ, verde) com a transição de fase supercondutora

Em materiais supercondutores, as características de supercondutividade aparecer quando a temperatura T é reduzido abaixo de uma temperatura T c crítica. O valor desta temperatura crítica varia de material para material. Supercondutores convencionais geralmente têm temperaturas críticas que variam de cerca de 20 K ( Kelvin ) para menos de 1 K. sólido de mercúrio , por exemplo, tem uma temperatura crítica de 4,2 K. A partir de 2001 , a mais elevada temperatura crítica encontrado para um supercondutor convencional é de 39 K para diboreto de magnésio (MgB 2), embora esta exibe materiais suficientes Propriedades exóticas que existem dúvidas sobre classificando-o como um supercondutor "convencional". Supercondutores cuprato pode ter temperaturas críticas muito mais elevadas: YBa 2 Cu 3 O 7, um dos primeiros supercondutores cuprate a ser descoberto, tem uma temperatura crítica de 92 ° K, e cupratos à base de mercúrio foram encontrados com temperaturas críticas em excesso de 130 K. A explicação para estas altas temperaturas críticas restos desconhecido. Electron emparelhamento devido a intercâmbios fônons explica supercondutividade em supercondutores convencionais, mas não explica a supercondutividade em supercondutores mais novos que têm uma temperatura crítica muito alta.

O início da supercondutividade é acompanhada por mudanças abruptas nas várias propriedades físicas, que é a marca de uma transição de fase. Por exemplo, o eletrônico capacidade de calor é proporcional à temperatura na (não supercondutor) regime normal. Na transição supercondutora, que sofre um salto descontínua e em seguida deixa de ser linear. A baixas temperaturas, que varia em vez como e -α / T para algum α constante. Este comportamento exponencial é uma das peças de evidência para a existência do gap de energia.

O fim da transição de fase supercondutora foi por muito tempo uma questão de debate. Experimentos indicam que a transição é de segunda ordem, ou seja, não há nenhuma calor latente. Cálculos em 1970 sugeriram que ele pode realmente ser fracamente primeira ordem, devido ao efeito de flutuação a longo prazo no campo electromagnético. Só recentemente foi mostrado teoricamente com a ajuda de um teoria do campo distúrbio, em que o linhas de vórtice do supercondutor desempenham um papel importante, que é a transição de segunda ordem dentro do regime de tipo II e de primeira ordem (isto é, calor latente) dentro do regime de tipo I, e que as duas regiões são separadas por um ponto tricrítico.

Efeito Meissner

Quando um supercondutor é colocada num fraco externo campo magnético H, o campo penetra o supercondutor por apenas um curto λ distância, o chamado Profundidade de penetração de Londres, após o que ele decai rapidamente para zero. Isso é chamado de Efeito Meissner, e é uma característica definidora da supercondutividade. Para a maioria dos supercondutores, a profundidade de penetração de Londres é da ordem de 100 nm.

O efeito Meissner às vezes é confundido com o tipo de diamagnetism se poderia esperar em um condutor elétrico perfeito: de acordo com A lei de Lenz, quando um campo magnético variável é aplicada a um condutor, que vai induzir uma corrente eléctrica no condutor que cria um campo magnético oposto. Em um condutor perfeito, uma corrente arbitrariamente grande pode ser induzida, e o campo magnético resultante cancela exactamente o campo aplicado.

O efeito Meissner é distinto do presente, porque um supercondutor expele todos os campos magnéticos, não apenas aqueles que estão mudando. Suponha que temos um material em seu estado normal, que contém um campo magnético interno constante. Quando o material é resfriado abaixo da temperatura crítica, observaríamos a expulsão brusca do campo magnético interno, o que não seria de esperar com base na lei de Lenz.

O efeito Meissner foi explicado pelos irmãos Fritz e Heinz Londres, que mostrou que a eletromagnética energia livre em um supercondutor são minimizadas fornecida

\ Nabla ^ 2 \ mathbf {H} = \ lambda ^ {- 2} \ mathbf {H} \,

em que H é o campo magnético e λ é a profundidade de penetração de Londres.

Esta equação, que é conhecido como o Equação Londres, prevê que o campo magnético em um supercondutor decai exponencialmente a partir de qualquer valor que possui na superfície.

O efeito Meissner decompõe quando o campo magnético aplicado é muito grande. Os supercondutores pode ser dividida em duas classes de acordo com a forma como ocorre esta repartição. No Tipo I supercondutores, supercondutividade é abruptamente destruído quando a força do campo aplicado sobe acima de um valor crítico H c. Dependendo da geometria da amostra, pode-se obter um estado intermediário consistindo de regiões de material normais portadores de um campo magnético misturado com as regiões de material supercondutor contendo nenhum campo. Em supercondutores do tipo II, o aumento do campo aplicado passado um valor crítico H c 1 conduz a um estado misto no qual uma quantidade crescente de fluxo magnético penetra no material, mas continua a haver nenhuma resistência ao fluxo de corrente eléctrica, desde que a corrente não é muito grande. Numa segunda força de campo crítica H c 2, supercondutividade é destruído. O estado misto é realmente causado por vórtices no superfluido eletrônico, chamado às vezes fluxons porque o fluxo realizada por estes vórtices é quantificado. A maioria dos puros elementares supercondutores, com exceção de nióbio , tecnécio , vanádio e nanotubos de carbono, são do tipo I, enquanto supercondutores quase todos impuros e compostos são do tipo II.

Momento Londres

Por outro lado, um supercondutor em rotação gera um campo magnético, precisamente alinhada com o eixo de rotação. O efeito, a Londres momento, foi posto a bom uso em Gravity Probe B. Este experimento mediram os campos magnéticos dos quatro giroscópios supercondutores para determinar os seus eixos de rotação. Isso foi fundamental para o experimento, visto que é uma das poucas maneiras de determinar com precisão o eixo de rotação de uma esfera de outro modo inexpressivo.

As teorias da supercondutividade

Desde a descoberta da supercondutividade, grandes esforços têm se dedicado a descobrir como e por que ela funciona. Durante os anos 1950, teóricos da matéria condensada físicos chegaram a um entendimento sólido da supercondutividade "convencional", através de um par de teorias notáveis e importantes: a fenomenológica Teoria Ginzburg-Landau (1950) eo microscópico Teoria BCS (1957). Generalizações dessas teorias formam a base para a compreensão do fenômeno estreitamente relacionado de superfluidez, porque eles caem na Lambda transição classe de universalidade, mas o grau em que generalizações semelhantes podem ser aplicados a supercondutores não convencionais, bem ainda é controversa. A extensão de quatro dimensões do Teoria de Ginzburg-Landau, Modelo Coleman-Weinberg, é importante na teoria quântica de campos e cosmologia .

História da supercondutividade

Supercondutividade foi descoberta em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, que estava estudando a resistência de sólido de mercúrio no temperaturas criogénicas utilizam o líquido recém-descoberto hélio como um refrigerante. À temperatura de 4.2 K, observou que a resistência desapareceu abruptamente. Nas décadas seguintes, a supercondutividade foi encontrado em vários outros materiais. Em 1913, chumbo foi encontrado para supercondutor a 7 K, e em 1941 nióbio nitreto foi encontrado para supercondutor a 16 K.

O próximo passo importante na compreensão da supercondutividade ocorreu em 1933, quando Meissner e Ochsenfeld descobriu que os supercondutores expulso campos magnéticos aplicados, um fenómeno que tem vindo a ser conhecido como o Efeito Meissner. Em 1935, F. e H. Londres mostraram que o efeito Meissner foi uma consequência da minimização da eletromagnética energia livre realizada por supercondutores atual.

Em 1950, o fenomenológica Teoria Ginzburg-Landau de supercondutividade foi concebido por Landau e Teoria Ginzburg.This, que combinou teoria de segunda ordem do Landau transições de fase com um Equação de onda de Schrödinger-like, teve grande sucesso em explicar as propriedades macroscópicas de supercondutores. Em particular, Abrikosov mostrou que a teoria Ginzburg-Landau prevê a divisão dos supercondutores em duas categorias agora referidos como tipo I e tipo II. Abrikosov e Ginzburg foram agraciados com o 2003 Prêmio Nobel por seu trabalho (Landau tendo morrido em 1968).

Também em 1950, e Maxwell Reynolds et ai. Descobriram que a temperatura crítica de um supercondutor depende da massa isotópica do componente de elemento . Esta importante descoberta apontava para o elétron - interação phonon como o mecanismo microscópico responsável pela supercondutividade.

A teoria microscópica completa de supercondutividade foi finalmente proposto em 1957 por Bardeen, Cooper, e Schrieffer. Independentemente, o fenômeno da supercondutividade foi explicado por Nikolay Bogolyubov. Este Teoria BCS explicou o atual supercondutor como um superfluido de Pares de Cooper, pares de elétrons interagem através da troca de fônons. Para este trabalho, os autores foram agraciados com o Prêmio Nobel em 1972.

A teoria BCS foi definido em uma base mais firme em 1958, quando Bogoliubov mostrou que a função de onda BCS, que originalmente havia sido derivada de um argumento variational, poderia ser obtido usando uma transformação canônica da eletrônica Hamiltoniano. Em 1959, Lev Gor'kov mostrou que a teoria BCS reduzida para a teoria de Ginzburg-Landau perto da temperatura crítica.

Em 1962, o primeiro fio supercondutor comercial, uma liga de nióbio-titânio, foi desenvolvido por pesquisadores Westinghouse. No mesmo ano, Josephson fez a previsão teórica importante que um supercorrente pode fluir entre os dois pedaços de supercondutores, separadas por uma fina camada de material isolante. Esse fenômeno, chamado agora o Efeito Josephson, é explorada por meio de dispositivos supercondutores, tais como Lulas. É usado nas medições mais precisas disponíveis do quantum de fluxo magnético \ Phi_0 = \ frac {h} {} 2e , E, portanto, (juntamente com o quantum resistividade Hall) para Constante de Planck h. Josephson foi agraciado com o Prêmio Nobel por este trabalho em 1973.

Supercondutividade de alta temperatura

Até 1986, os físicos acreditavam que a teoria BCS proibiu a supercondutividade em temperaturas acima de cerca de 30 K. Nesse ano, Bednorz e Müller descobriram supercondutividade em um lantânio cuprate baseados material de perovskita, que tinha uma temperatura de transição de 35 K (Prêmio Nobel de Física, 1987). Ele foi rapidamente encontrado MK Wu et al. que substitui o lantânio com ítrio , ou seja, fazendo YBCO, elevou a temperatura crítica de 92 K, o que era importante porque azoto líquido poderia então ser usado como um refrigerante (à pressão atmosférica, o ponto de ebulição do azoto é de 77 K). Isto é importante porque comercialmente azoto líquido pode ser produzida de forma barata no local sem matérias-primas, e não é propensa a alguns dos problemas (tampões de ar sólidos, etc.) de hélio na tubulação. Muitos outros supercondutores cuprate já foram descobertos, ea teoria da supercondutividade desses materiais é um dos grandes desafios pendentes do teórico da física da matéria condensada .

A partir de cerca de 1993 a mais alta temperatura supercondutor foi um material cerâmico que consiste em tálio, mercúrio, cobre, bário, cálcio e oxigénio, com T = 138 K. c

Em fevereiro de 2008 foi descoberta uma família à base de ferro de supercondutores de alta temperatura. Hideo Hosono do Instituto de Tecnologia de Tóquio e colegas descobriram que arsenieto de ferro lantânio oxigênio flúor (Lao-1 x F x Feas) um oxypnictide torna-se um supercondutor a 26 Kelvin. Pesquisas posteriores de outros grupos sugere que a substituição do lantânio em Lao-1 x F x Feas com outros elementos de terras raras, como cério, samário, neodímio e praseodímio leva a supercondutores que funcionam em 52 K. Os especialistas esperam que ter outra família para estudar vontade simplificar a tarefa de explicar como esses materiais funcionam.

Classificação

Não é apenas um critério para classificar os supercondutores. Os mais comuns são:

  • Por suas propriedades físicas: podem ser Tipo I (se a sua transição de fase é de primeira ordem) ou Tipo II (se a sua transição de fase é de segunda ordem).
  • Pela teoria para explicá-los: eles podem ser convencional (se eles são explicados pela teoria BCS ou seus derivados) ou não convencional (se não).
  • Por suas temperatura crítica: eles podem ser alta temperatura (geralmente considerada se que eles atinjam o estado supercondutor apenas arrefecimento-los com azoto líquido, isto é, no caso de T c> 77K), ou a baixa temperatura (geralmente eles precisam de se outras técnicas para ser arrefecido sob a sua temperatura crítica).
  • Por material: podem ser elementos químicos (como mercúrio ou chumbo ), ligas (como nióbio-titânio ou germânio-nióbio), cerâmica (como Ou o YBCO diboreto de magnésio), ou supercondutores orgânicos (como fullerens ou Os nanotubos de carbono, que pode ser tecnicamente incluídos entre os elementos químicos como eles são feitos de carbono ).

Aplicações

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Vídeo de levitação supercondutora de YBCO

?mãs supercondutores são alguns dos mais poderosos eletroímãs conhecido. Eles são utilizados em trens de levitação magnética , MRI e Máquinas de RMN e os imans de orientação de feixe utilizadas em aceleradores de partículas. Eles também podem ser utilizadas para a separação magnética, onde as partículas fracamente magnéticos são extraídos a partir de um fundo de partículas com menos ou não-magnéticas, como nos pigmentos indústrias.

Os supercondutores também têm sido utilizados para fazer circuitos digitais (por exemplo, com base na Rápido Individual tecnologia Flux Quantum) e Filtros de RF e microondas para telefones móveis estações-base.

Os supercondutores são usados para construir Junções Josephson, que são os blocos de construção de SQUIDs (dispositivos supercondutores de interferência quântica), o mais sensível magnetômetros conhecido. Série de dispositivos de Josephson são utilizadas para definir o SI volts . Dependendo do modo particular de operação, uma Junção Josephson pode ser usado como fotões ou como detector mixer. A alteração da resistência grande na zona de transição da normalidade para o estado supercondutor é usado para construir termómetros em criogénico micro-calorímetro de fotões detectores.

Outros mercados primeiros estão surgindo onde a eficiência relativa, tamanho e peso vantagens de dispositivos baseados em HTS superam os custos adicionais envolvidos.

Futuras aplicações promissoras incluem de alto desempenho transformadores, dispositivos de armazenamento de energia, transmissão de energia elétrica, motores eléctricos (por exemplo, para a propulsão do veículo, como em vactrains ou trens maglev ), dispositivos de levitação magnética, e Limitadores de Corrente. No entanto supercondutividade é sensível a campos magnéticos em movimento para que os aplicativos que usam corrente alternada (por exemplo, transformadores) será mais difícil de desenvolver do que aqueles que dependem de corrente direta.

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