Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл гэж юу вэ? Хэт дамжуулалт гэдэг нь эгзэгтэй температураас доош хөргөх үед хэт дамжуулагч гэж нэрлэгддэг зарим материалд үүсдэг цахилгааны эсэргүүцэл, соронзон урсгалын орон ялгарах үзэгдэл юм.
Үзэгдлийг Голландын физикч Хайке Камерлинг-Оннес 1911 оны 4-р сарын 8-нд Лейден хотод нээжээ. Ферромагнетизм ба атомын спектрийн шугамын нэгэн адил хэт дамжуулалт нь квант механик үзэгдэл юм. Энэ нь Мейснерийн эффектээр тодорхойлогддог - хэт дамжуулагч төлөвт шилжих явцад соронзон орны шугамыг дотроос нь бүрэн гадагшлуулах.
Энэ бол хэт дамжуулагчийн үзэгдлийн мөн чанар юм. Мейснерийн эффект бий болсон нь хэт дамжуулалтыг сонгодог физикийн хамгийн тохиромжтой дамжуулагчийн идеализаци гэж ойлгох боломжгүйг харуулж байна.
Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл гэж юу вэ
Металл дамжуулагчийн цахилгаан эсэргүүцэл нь аажмаар буурдагтемпературыг бууруулах. Зэс эсвэл мөнгө зэрэг нийтлэг дамжуулагчийн хувьд энэ бууралт нь хольц болон бусад согогоор хязгаарлагддаг. Үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо ч гэсэн ердийн дамжуулагчийн бодит дээж нь зарим эсэргүүцлийг харуулдаг. Хэт дамжуулагчийн хувьд материалыг эгзэгтэй температураас доош хөргөхөд эсэргүүцэл нь тэг болж огцом буурдаг. Хэт дамжуулагч утсаар дамжих цахилгаан гүйдлийг эрчим хүчний эх үүсвэргүйгээр тодорхойгүй хугацаагаар хадгалах боломжтой. Энэ бол хэт дамжуулагчийн үзэгдэл гэж юу вэ гэсэн асуултын хариулт юм.
Түүх
1911 онд Нидерландын физикч Хайке Камерлинг Оннес болон түүний багийнхан маш бага температурт бодисын шинж чанарыг судалж байхдаа мөнгөн усны цахилгаан эсэргүүцэл 4.2 К (-269°C) -аас доош болтлоо буурч байгааг олж мэдсэн. Энэ бол хэт дамжуулалтын үзэгдлийн хамгийн анхны ажиглалт байв. Ихэнх химийн элементүүд хангалттай бага температурт хэт дамжуулагч болдог.
Тодорхой эгзэгтэй температураас доош материалууд нь хоёр үндсэн шинж чанараар тодорхойлогддог хэт дамжуулагч төлөвт шилждэг: нэгдүгээрт, цахилгаан гүйдэл дамжуулахыг эсэргүүцдэггүй. Эсэргүүцэл тэг болж буурах үед гүйдэл нь энергийг алдагдуулахгүйгээр материалын дотор эргэлдэж болно.
Хоёрдугаарт, хангалттай сул байвал гадны соронзон орон нь хэт дамжуулагчийг нэвтлэхгүй, харин түүний гадаргуу дээр үлддэг. Энэ талбайн хөөгдөх үзэгдлийг физикч 1933 онд анх ажигласны дараа Мейснер эффект гэж нэрлэх болсон.
Гурван нэр, гурван үсэг, бүрэн бус онол
Ердийн физик хангалттай өгдөггүйхэт дамжуулагч төлөвийн тайлбар, түүнчлэн электронуудын зан төлөвийг болор тор дахь ионуудын төлөв байдлаас тусад нь авч үздэг хатуу төлөвийн энгийн квант онол.
Зөвхөн 1957 онд Америкийн гурван судлаач Жон Бардин, Леон Купер, Жон Шриффер нар хэт дамжуулалтын микроскопийн онолыг бүтээжээ. Тэдний BCS онолын дагуу электронууд торны чичиргээтэй ("фононууд" гэж нэрлэгддэг) харилцан үйлчлэлцэх замаар хосууд болон хуваагддаг бөгөөд ингэснээр хатуу биет дотор үрэлтгүйгээр хөдөлдөг Купер хосуудыг үүсгэдэг. Хатуу биеийг электронуудын үүлэн дотор дүрсэн эерэг ионуудын тор гэж үзэж болно. Энэ тороор электрон өнгөрөхөд ионууд электроны сөрөг цэнэгт татагдаж бага зэрэг хөдөлдөг. Энэ хөдөлгөөн нь цахилгаан эерэг мужийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь эргээд өөр электроныг татдаг.
Цахим харилцан үйлчлэлийн энерги маш сул, уур нь дулааны энергийн нөлөөгөөр амархан задардаг тул хэт бага температурт хэт дамжуулалт үүсдэг. Гэсэн хэдий ч BCS-ийн онол нь 80 К (-193 ° C) ба түүнээс дээш температурт өндөр температурт хэт дамжуулагч байдгийг тайлбарлаж чадахгүй бөгөөд үүнд электрон холбох бусад механизмууд оролцох ёстой. Хэт дамжуулалтын үзэгдлийн хэрэглээ нь дээрх процесс дээр суурилдаг.
Температур
1986 онд зарим купрат-перовскит керамик материалууд 90 К (-183 °C)-аас дээш чухал температуртай болохыг тогтоожээ. Энэхүү уулзварын өндөр температур нь онолын хувьд юмЭнэ нь ердийн хэт дамжуулагчийн хувьд боломжгүй зүйл бөгөөд энэ нь материалыг өндөр температурт хэт дамжуулагч гэж нэрлэхэд хүргэдэг. Боломжтой хөргөлтийн шингэн азот нь 77 К-т буцалдаг тул үүнээс өндөр температурт хэт дамжуулагч чанар нь бага температурт практик биш олон туршилт, хэрэглээг хөнгөвчилдөг. Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл ямар температурт үүсдэг вэ гэсэн асуултын хариулт нь энэ юм.
Ангилал
Супер дамжуулагчийг бидний физик шинж чанарыг сонирхож байгаа байдал, тэдгээрийн талаарх бидний ойлголт, тэдгээрийг хөргөх нь хэр үнэтэй вэ, эсвэл хийсэн материал зэргээс шалтгаалдаг хэд хэдэн шалгуурын дагуу ангилж болно.
Соронзон шинж чанараараа
I төрлийн хэт дамжуулагчид: зөвхөн нэг чухал талбар болох Hc-тэй бөгөөд түүнд хүрэх үед нэг төлөвөөс нөгөө төлөв рүү огцом шилждэг.
II төрлийн супер дамжуулагч: Hc1 ба Hc2 гэсэн хоёр чухал талбартай, доод критик талбайн (Hc1) дор төгс хэт дамжуулагч бөгөөд дээд критик талбайн (Hc2) дээрх хэт дамжуулагч төлөвийг бүрэн орхиж, хооронд нь холимог төлөвт байна. чухал талбарууд.
Бид тэдний талаар тэдний ойлгосноор
Ердийн хэт дамжуулагч: BCS онол эсвэл холбогдох онолоор бүрэн тайлбарлаж болох тэдгээр.
Уламжлалт бус хэт дамжуулагч: ийм онолыг ашиглан тайлбарлах боломжгүй зүйлүүд, жишээлбэл: хүнд фермионикхэт дамжуулагч.
Энэ шалгуур нь чухал ач холбогдолтой, учир нь BCS онол нь 1957 оноос хойш ердийн хэт дамжуулагчийн шинж чанарыг тайлбарлаж ирсэн боловч нөгөө талаар бүрэн уламжлалт бус хэт дамжуулагчийг тайлбарлах хангалттай онол байхгүй байна. Ихэнх тохиолдолд I төрлийн хэт дамжуулагч түгээмэл байдаг ч ниоби зэрэг цөөн тооны үл хамаарах зүйлүүд байдаг бөгөөд энэ нь нийтлэг ба II төрөл юм.
Тэдгээрийн чухал температураар
Бага температурт хэт дамжуулагч буюу LTS: эгзэгтэй температур нь 30 К-аас бага байдаг.
Өндөр температурын хэт дамжуулагч буюу HTS: эгзэгтэй температур нь 30 К-ээс дээш байдаг. Одоо зарим нь дээжийг шингэн азотоор (буцлах цэг нь 77 К) хөргөх боломжтой эсэхийг онцлон тэмдэглэхийн тулд 77 К-ыг ялгах болгон ашиглаж байна. шингэн гелиээс хамаагүй илүү боломжтой (бага температурт хэт дамжуулагчийг үйлдвэрлэхэд шаардлагатай температурт хүрэх өөр хувилбар).
Бусад дэлгэрэнгүй мэдээлэл
Хэт дамжуулагч нь I төрлийн байж болох бөгөөд энэ нь нэг чухал талбартай, дээр нь бүх хэт дамжуулагч алдагдах ба түүнээс доош соронзон орон нь хэт дамжуулагчаас бүрэн арилдаг гэсэн үг юм. II төрөл нь тусгаарлагдсан цэгүүдээр дамжуулан соронзон орныг хэсэгчлэн нэвтрүүлэх боломжийг олгодог хоёр чухал талбартай гэсэн үг юм. Эдгээр цэгүүдийг эргүүлэг гэж нэрлэдэг. Нэмж дурдахад, олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй хэт дамжуулагчийн хувьд хоёр зан үйлийн хослол байж болно. Энэ тохиолдолд хэт дамжуулагч нь 1, 5 төрлийн байна.
Properties
Хэт дамжуулагчийн ихэнх физик шинж чанарууд нь дулааны багтаамж ба чухал температур, эгзэгтэй талбар ба хэт дамжуулагч задрах гүйдлийн чухал нягт зэрэг материалаас хамаарч өөр өөр байдаг.
Нөгөө талаар үндсэн материалаас хамааралгүй шинж чанаруудын ангилал байдаг. Жишээлбэл, бүх хэт дамжуулагч нь бага гүйдэлтэй үед, соронзон орон байхгүй үед эсвэл хэрэглэж буй орон нь эгзэгтэй утгаас хэтрээгүй үед үнэмлэхүй тэг эсэргүүцэлтэй байдаг.
Эдгээр бүх нийтийн шинж чанарууд байгаа нь хэт дамжуулалт нь термодинамикийн үе шат бөгөөд тиймээс микроскопийн нарийн ширийн зүйлээс үл хамаарах тодорхой өвөрмөц шинж чанартай болохыг харуулж байна.
Хэт дамжуулагчийн хувьд байдал өөр байна. Уламжлалт хэт дамжуулагчийн хувьд электрон шингэнийг тус тусад нь электрон болгон хувааж болохгүй. Үүний оронд энэ нь Куперийн хос гэж нэрлэгддэг холбогдсон электрон хосуудаас бүрдэнэ. Фонон солилцооны үр дүнд үүссэн электронуудын хоорондох таталцлын хүчнээс болж энэ хослол үүсдэг. Квант механикийн улмаас Купер хос шингэний энергийн спектр нь энергийн зөрүүтэй, өөрөөр хэлбэл шингэнийг өдөөхөд шаардагдах хамгийн бага хэмжээний энерги ΔE байна.
Тиймээс хэрэв ΔE нь kT-ээр өгөгдсөн торны дулааны энергиэс их бол k нь Больцманы тогтмол, T нь температур бол шингэн нь сараалжаар цацагдахгүй. ТэгэхээрТиймээс Куперийн уурын шингэн нь хэт шингэн бөгөөд энэ нь энергийг гадагшлуулахгүйгээр урсах боломжтой гэсэн үг юм.
Хэт дамжуулах шинж чанар
Хэт дамжуулагч материалд хэт дамжуулалтын шинж чанар нь T температур нь эгзэгтэй температур Tc-ээс доош унах үед гарч ирдэг. Энэ эгзэгтэй температурын утга нь материал бүрд өөр өөр байдаг. Уламжлалт хэт дамжуулагч нь ихэвчлэн 20 К-ээс 1 К-ээс бага температуртай байдаг.
Жишээ нь хатуу мөнгөн усны эгзэгтэй температур 4.2 К байна. 2015 оны байдлаар ердийн хэт дамжуулагчийн хувьд олдсон хамгийн чухал температур нь H2S-ийн хувьд 203 К байна, гэхдээ 90 гигапаскаль өндөр даралт шаардлагатай байсан. Купратын хэт дамжуулагч нь маш өндөр эгзэгтэй температуртай байж болно: Анхны нээсэн купратын хэт дамжуулагчийн нэг болох YBa2Cu3O7 нь 92 К-ийн чухал температуртай, мөн 130 К-ээс дээш чухал температуртай мөнгөн усанд суурилсан купратууд олдсон. Эдгээр өндөр чухал температурын тайлбар хэвээр байна. үл мэдэгдэх.
Фонон солилцооны улмаас электрон хосолсон нь ердийн хэт дамжуулагчийн хэт дамжуулалтыг тайлбарлаж байгаа боловч маш өндөр чухал температуртай шинэ хэт дамжуулагчийн хэт дамжуулалтыг тайлбарлахгүй.
Соронзон орон
Үүний нэгэн адил, эгзэгтэй температураас доогуур тогтсон температурт хэт дамжуулагч материалууд нь гаднах соронзон орон нь түүнээс их байх үед хэт дамжуулалтыг зогсоодог.чухал соронзон орон. Учир нь хэт дамжуулагч фазын Гиббсийн чөлөөт энерги нь соронзон орны нөлөөгөөр квадратаар нэмэгддэг бол хэвийн фазын чөлөөт энерги нь соронзон орноос ойролцоогоор хамааралгүй байдаг.
Хэрэв материал талбай байхгүй үед хэт дамжуулагч бол хэт дамжуулагч фазын чөлөөт энерги нь ердийн фазынхаас бага байх тул соронзон орны зарим хязгаарлагдмал утгын хувьд (квадраттай пропорциональ) тэг дэх чөлөөт энергийн ялгааны үндэс), хоёр чөлөөт энерги тэнцүү байх ба хэвийн фаз руу фазын шилжилт явагдана. Ерөнхийдөө өндөр температур, илүү хүчтэй соронзон орон нь хэт дамжуулагч электронуудын бага хувийг эзэлдэг тул гадны соронзон орон ба гүйдэл Лондон руу илүү гүн нэвтэрдэг. Фазын шилжилтийн үед нэвтрэлтийн гүн хязгааргүй болно.
Биеийн
Хэт дамжуулагчийн эхлэл нь янз бүрийн физик шинж чанарын огцом өөрчлөлт дагалддаг бөгөөд энэ нь фазын шилжилтийн шинж тэмдэг юм. Жишээлбэл, электроны дулааны багтаамж нь хэвийн (хэт дамжуулагч биш) горим дахь температуртай пропорциональ байна. Хэт дамжуулагчийн шилжилтийн үед энэ нь үсрэлтийг мэдэрч, дараа нь шугаман байхаа болино. Бага температурт энэ нь зарим тогтмол α-ийн хувьд e−α/T-ийн оронд өөрчлөгддөг. Энэхүү экспоненциал зан төлөв нь энергийн цоорхой байдгийн нэг нотолгоо юм.
Үе шатын шилжилт
Хэт дамжуулалтын үзэгдлийн тайлбар нь нэлээд юмойлгомжтой. Хэт дамжуулагч фазын шилжилтийн дарааллыг удаан хугацаанд хэлэлцсэн. Туршилтаас харахад хоёр дахь эрэмбийн шилжилт, өөрөөр хэлбэл далд дулаан гэж байдаггүй. Гэсэн хэдий ч гадны соронзон орон байгаа тохиолдолд хэт дамжуулагч фаз нь ердийн фазаас бага энтропи буюу эгзэгтэй температураас бага байдаг тул далд дулаан байдаг.
Туршилтаар дараахь зүйлийг харуулсан: соронзон орон нэмэгдэж, эгзэгтэй талбараас хэтрэх үед үүссэн фазын шилжилт нь хэт дамжуулагч материалын температур буурахад хүргэдэг. Хэт дамжуулалтын үзэгдлийг дээр товч тайлбарласан тул одоо энэ чухал нөлөөний нарийн ширийн зүйлийн талаар танд хэлэх цаг боллоо.
1970-аад онд хийсэн тооцоолол нь цахилгаан соронзон орны урт хугацааны хэлбэлзлийн нөлөөгөөр үнэндээ эхний эрэмбээс сул байж болохыг харуулсан. 1980-аад онд хэт дамжуулагч эргэлтийн шугамууд гол үүрэг гүйцэтгэдэг эмх замбараагүй байдлын талбайн онолыг ашиглан шилжилт нь II төрлийн горимд хоёрдугаар дараалал, I хэлбэрийн горимд нэгдүгээр зэрэглэл (жишээ нь, далд дулаан) болохыг онолын хувьд харуулсан. хоёр бүсийг гурвалсан цэгээр тусгаарласан.
Үр дүнг Монте-Карлод компьютерийн загварчлалаар батлав. Энэ нь хэт дамжуулагчийн үзэгдлийг судлахад чухал үүрэг гүйцэтгэсэн. Одоогоор ажил үргэлжилж байна. Хэт дамжуулагчийн үзэгдлийн мөн чанарыг орчин үеийн шинжлэх ухааны үүднээс бүрэн ойлгож, тайлбарлаагүй байна.
