რა არის ზეგამტარობის ფენომენი? სუპერგამტარობა არის ფენომენი ნულოვანი ელექტრული წინააღმდეგობით და მაგნიტური ნაკადის ველების გამოთავისუფლებით, რომლებიც წარმოიქმნება გარკვეულ მასალებში, რომლებსაც უწოდებენ სუპერგამტარებს, როდესაც გაგრილდება დამახასიათებელ კრიტიკულ ტემპერატურაზე.
ფენომენი აღმოაჩინა ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა ჰეიკე კამერლინგ-ონესმა 1911 წლის 8 აპრილს ლეიდენში. ფერომაგნეტიზმისა და ატომური სპექტრალური ხაზების მსგავსად, სუპერგამტარობა კვანტური მექანიკური ფენომენია. მას ახასიათებს მაისნერის ეფექტი - მაგნიტური ველის ხაზების სრული გამოდევნა ზეგამტარის შიგნიდან მისი ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლისას.
ეს არის ზეგამტარობის ფენომენის არსი. მაისნერის ეფექტის გაჩენა მიუთითებს იმაზე, რომ ზეგამტარობა არ შეიძლება გავიგოთ უბრალოდ, როგორც იდეალური გამტარობის იდეალიზაცია კლასიკურ ფიზიკაში.
რა არის ზეგამტარობის ფენომენი
ლითონის გამტარის ელექტრული წინააღმდეგობა თანდათან მცირდებატემპერატურის დაწევა. ჩვეულებრივ გამტარებლებში, როგორიცაა სპილენძი ან ვერცხლი, ეს შემცირება შემოიფარგლება მინარევებითა და სხვა დეფექტებით. აბსოლუტურ ნულთანაც კი, ნორმალური გამტარის რეალური ნიმუში აჩვენებს გარკვეულ წინააღმდეგობას. სუპერგამტარში წინააღმდეგობა მკვეთრად ეცემა ნულამდე, როდესაც მასალა გაცივდება კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა. ელექტრული დენი სუპერგამტარი მავთულის მარყუჟის მეშვეობით შეიძლება შენარჩუნდეს განუსაზღვრელი ვადით დენის წყაროს გარეშე. ეს არის პასუხი კითხვაზე, რა არის ზეგამტარობის ფენომენი.
ისტორია
1911 წელს, ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე მატერიის თვისებების შესწავლისას, ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა ჰეიკე კამერლინგ ონესმა და მისმა გუნდმა აღმოაჩინეს, რომ ვერცხლისწყლის ელექტრული წინააღმდეგობა ნულამდე ეცემა 4,2 K-ზე (-269°C) ქვემოთ. ეს იყო სუპერგამტარობის ფენომენის პირველი დაკვირვება. ქიმიური ელემენტების უმეტესობა ხდება სუპერგამტარი საკმარისად დაბალ ტემპერატურაზე.
გარკვეული კრიტიკული ტემპერატურის ქვემოთ მასალები გადადიან ზეგამტარ მდგომარეობაში, რომელიც ხასიათდება ორი ძირითადი თვისებით: პირველი, ისინი არ ეწინააღმდეგებიან ელექტრული დენის გავლას. როდესაც წინააღმდეგობა ნულამდე ეცემა, დენი შეიძლება მოძრაობდეს მასალის შიგნით ენერგიის გაფანტვის გარეშე.
მეორე, იმ პირობით, რომ ისინი საკმარისად სუსტია, გარე მაგნიტური ველები არ შეაღწევს ზეგამტარს, მაგრამ რჩება მის ზედაპირზე. ველის განდევნის ეს ფენომენი ცნობილი გახდა, როგორც მაისნერის ეფექტი, მას შემდეგ რაც ის პირველად დააფიქსირა ფიზიკოსმა 1933 წელს.
სამი სახელი, სამი ასო და არასრული თეორია
ჩვეულებრივი ფიზიკა არ იძლევა ადეკვატურსსუპერგამტარი მდგომარეობის ახსნა, ასევე მყარი მდგომარეობის ელემენტარული კვანტური თეორია, რომელიც განიხილავს ელექტრონების ქცევას კრისტალურ ქსელში იონების ქცევისგან დამოუკიდებლად.
მხოლოდ 1957 წელს სამმა ამერიკელმა მკვლევარმა - ჯონ ბარდინმა, ლეონ კუპერმა და ჯონ შრიფერმა შექმნეს სუპერგამტარობის მიკროსკოპული თეორია. მათი BCS თეორიის თანახმად, ელექტრონები წყვილებად იკრიბებიან გისოსის ვიბრაციებთან (ე.წ. „ფონონებთან“) ურთიერთქმედების შედეგად, რითაც წარმოქმნიან კუპერის წყვილებს, რომლებიც მოძრაობენ ხახუნის გარეშე მყარში. მყარი შეიძლება განიხილებოდეს, როგორც დადებითი იონების ბადე, რომელიც ჩაეფლო ელექტრონების ღრუბელში. როდესაც ელექტრონი გადის ამ გისოსზე, იონები ოდნავ მოძრაობენ, იზიდავს ელექტრონის უარყოფითი მუხტი. ეს მოძრაობა წარმოქმნის ელექტრულად დადებით რეგიონს, რომელიც თავის მხრივ იზიდავს სხვა ელექტრონს.
ელექტრონული ურთიერთქმედების ენერგია საკმაოდ სუსტია და ორთქლები შეიძლება ადვილად დაიშალოს თერმული ენერგიით - ამიტომ ზეგამტარობა ჩვეულებრივ ხდება ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე. თუმცა, BCS თეორია არ იძლევა ახსნას მაღალტემპერატურული ზეგამტარების არსებობის შესახებ დაახლოებით 80 K (-193 °C) და ზემოთ, რისთვისაც სხვა ელექტრონებთან დაკავშირებული მექანიზმები უნდა იყოს ჩართული. ზეგამტარობის ფენომენის გამოყენება ემყარება ზემოაღნიშნულ პროცესს.
ტემპერატურა
1986 წელს, ზოგიერთ კუპრატ-პეროვსკიტის კერამიკულ მასალას ჰქონდა კრიტიკული ტემპერატურა 90 K-ზე (-183 °C) ზემოთ. შეერთების ეს მაღალი ტემპერატურა თეორიულად არისშეუძლებელია ჩვეულებრივი ზეგამტარებისთვის, რის გამოც მასალებს უწოდებენ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარებს. ხელმისაწვდომი გამაგრილებელი თხევადი აზოტი დუღს 77 კ ტემპერატურაზე და, შესაბამისად, ზეგამტარობა აღნიშნულზე მაღალ ტემპერატურაზე ხელს უწყობს ბევრ ექსპერიმენტს და გამოყენებას, რომლებიც ნაკლებად პრაქტიკულია დაბალ ტემპერატურაზე. ეს არის პასუხი კითხვაზე, რომელ ტემპერატურაზე ხდება ზეგამტარობის ფენომენი.
კლასიფიკაცია
ზეგამტარები შეიძლება კლასიფიცირდეს რამდენიმე კრიტერიუმის მიხედვით, რომლებიც დამოკიდებულია ჩვენს ინტერესზე მათი ფიზიკური თვისებების მიმართ, მათ შესახებ არსებული გაგებაზე, თუ რამდენად ძვირი ღირს მათი გაგრილება ან მასალისგან დამზადებული.
მისი მაგნიტური თვისებებით
ტიპი I ზეგამტარები: რომლებსაც აქვთ მხოლოდ ერთი კრიტიკული ველი, Hc, და უეცრად გადადიან ერთი მდგომარეობიდან მეორეზე, როცა მიიღწევა.
II ტიპის ზეგამტარები: აქვთ ორი კრიტიკული ველი, Hc1 და Hc2, არიან სრულყოფილი ზეგამტარები ქვედა კრიტიკულ ველში (Hc1) და მთლიანად ტოვებენ ზეგამტარ მდგომარეობას ზედა კრიტიკულ ველზე (Hc2), არიან შერეულ მდგომარეობაში. კრიტიკული ველები.
როგორც ჩვენ გვესმის მათ შესახებ
ჩვეულებრივი ზეგამტარები: რომლებიც შეიძლება სრულად აიხსნას BCS თეორიით ან მასთან დაკავშირებული თეორიებით.
არატრადიციული ზეგამტარები: ისეთები, რომელთა ახსნა შეუძლებელია ასეთი თეორიების გამოყენებით, მაგალითად: მძიმე ფერმიონისუპერგამტარები.
ეს კრიტერიუმი მნიშვნელოვანია, რადგან BCS თეორია ხსნის ჩვეულებრივი ზეგამტარების თვისებებს 1957 წლიდან, მაგრამ მეორე მხრივ, არ არსებობდა დამაკმაყოფილებელი თეორია სრულიად არატრადიციული ზეგამტარების ასახსნელად. უმეტეს შემთხვევაში, I ტიპის ზეგამტარები ხშირია, მაგრამ არის რამდენიმე გამონაკლისი, როგორიცაა ნიობიუმი, რომელიც არის როგორც ჩვეულებრივი, ასევე II ტიპის.
მათი კრიტიკული ტემპერატურის მიხედვით
დაბალი ტემპერატურის ზეგამტარები, ან LTS: ისინი, რომელთა კრიტიკული ტემპერატურა 30 K-ზე დაბალია.
მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარები, ან HTS: ისინი, რომელთა კრიტიკული ტემპერატურა 30 კ-ზე მეტია. ზოგი ახლა იყენებს 77 კ-ს, როგორც განცალკევებას, რათა ხაზი გაუსვას, შეგვიძლია თუ არა ნიმუშის გაგრილება თხევადი აზოტით (რომლის დუღილის წერტილი არის 77 კ). ბევრად უფრო ხელმისაწვდომია, ვიდრე თხევადი ჰელიუმი (ალტერნატივა დაბალი ტემპერატურის ზეგამტარების წარმოებისთვის საჭირო ტემპერატურის მისაღწევად).
სხვა დეტალები
ზეგამტარი შეიძლება იყოს I ტიპის, რაც იმას ნიშნავს, რომ მას აქვს ერთი კრიტიკული ველი, რომლის ზემოთ იკარგება მთელი ზეგამტარობა და რომლის ქვემოთ მაგნიტური ველი მთლიანად აღმოიფხვრება ზეგამტარისგან. ტიპი II, რაც იმას ნიშნავს, რომ მას აქვს ორი კრიტიკული ველი, რომელთა შორისაც ის იძლევა მაგნიტური ველის ნაწილობრივ შეღწევას იზოლირებულ წერტილებში. ამ წერტილებს მორევები ეწოდება. გარდა ამისა, მრავალკომპონენტიან ზეგამტარებში შესაძლებელია ორი ქცევის კომბინაცია. ამ შემთხვევაში, სუპერგამტარი არის 1 ტიპის, 5.
თვისებები
ზეგამტარების ფიზიკური თვისებების უმეტესობა განსხვავდება მასალისგან მასალაში, როგორიცაა სითბოს მოცულობა და კრიტიკული ტემპერატურა, კრიტიკული ველი და კრიტიკული დენის სიმკვრივე, რომლის დროსაც სუპერგამტარობა იშლება.
მეორეს მხრივ, არსებობს თვისებების კლასი, რომლებიც დამოუკიდებელია ძირითადი მასალისგან. მაგალითად, ყველა ზეგამტარს აქვს აბსოლუტურად ნულოვანი წინაღობა დაბალი გამოყენებული დენების დროს, როდესაც არ არის მაგნიტური ველი, ან როდესაც გამოყენებული ველი არ აღემატება კრიტიკულ მნიშვნელობას.
ამ უნივერსალური თვისებების არსებობა გულისხმობს, რომ ზეგამტარობა არის თერმოდინამიკური ფაზა და, შესაბამისად, აქვს გარკვეული გამორჩეული თვისებები, რომლებიც დიდწილად დამოუკიდებელია მიკროსკოპული დეტალებისგან.
ვითარება განსხვავებულია სუპერგამტარში. ჩვეულებრივ ზეგამტარებში, ელექტრონული სითხე არ შეიძლება დაიყოს ცალკეულ ელექტრონებად. ამის ნაცვლად, იგი შედგება ელექტრონების შეკრული წყვილებისგან, რომლებიც ცნობილია როგორც კუპერის წყვილი. ეს დაწყვილება გამოწვეულია ელექტრონებს შორის ფონონების გაცვლის შედეგად მიზიდული ძალით. კვანტური მექანიკის გამო, კუპერის წყვილის ამ სითხის ენერგეტიკულ სპექტრს აქვს ენერგეტიკული უფსკრული, ანუ არის ენერგიის მინიმალური რაოდენობა ΔE, რომელიც უნდა იყოს მიწოდებული სითხის აღგზნებისთვის..
ამიტომ, თუ ΔE მეტია kT-ით მოცემული ბადეების თერმულ ენერგიაზე, სადაც k არის ბოლცმანის მუდმივი და T არის ტემპერატურა, სითხე არ გაიფანტება ბადეებით. Ისეამრიგად, კუპერის ორთქლის სითხე არის ზესთხევადი, რაც ნიშნავს, რომ მას შეუძლია მიედინება ენერგიის გაფანტვის გარეშე.
ზეგამტარობის მახასიათებლები
ზეგამტარ მასალებში ზეგამტარობის მახასიათებლები ჩნდება, როდესაც T ტემპერატურა ეცემა Tc კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა. ამ კრიტიკული ტემპერატურის მნიშვნელობა განსხვავდება მასალის მიხედვით. ჩვეულებრივ ზეგამტარებს აქვთ კრიტიკული ტემპერატურა დაახლოებით 20 K-დან 1 K-ზე ნაკლებამდე.
მაგალითად, მყარ ვერცხლისწყალს აქვს კრიტიკული ტემპერატურა 4,2 კ. 2015 წლის მონაცემებით, ჩვეულებრივი ზეგამტარებისთვის ნაპოვნი ყველაზე მაღალი კრიტიკული ტემპერატურა არის 203 K H2S-ისთვის, თუმცა საჭირო იყო მაღალი წნევა დაახლოებით 90 გიგაპასკალი. კუპრატის ზეგამტარებს შეიძლება ჰქონდეთ გაცილებით მაღალი კრიტიკული ტემპერატურა: YBa2Cu3O7, ერთ-ერთი პირველი აღმოჩენილი კუპრატის ზეგამტარი, აქვს 92 K კრიტიკული ტემპერატურა და ნაპოვნია ვერცხლისწყალზე დაფუძნებული კუპრატები, რომელთა კრიტიკული ტემპერატურა 130 K-ზე მეტია. ამ მაღალი კრიტიკული ტემპერატურის ახსნა რჩება. უცნობია.
ელექტრონების დაწყვილება ფონონების გაცვლის გამო ხსნის ზეგამტარობას ჩვეულებრივ ზეგამტარებში, მაგრამ არ ხსნის ზეგამტარობას ახალ ზეგამტარებში, რომლებსაც აქვთ ძალიან მაღალი კრიტიკული ტემპერატურა.
მაგნიტური ველები
ასევე, კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბალ ფიქსირებულ ტემპერატურაზე, ზეგამტარი მასალები წყვეტს ზეგამტარობას, როდესაც გამოიყენება გარე მაგნიტური ველი, რომელიც აღემატებაკრიტიკული მაგნიტური ველი. ეს იმიტომ ხდება, რომ ზეგამტარი ფაზის გიბსის თავისუფალი ენერგია კვადრატულად იზრდება მაგნიტურ ველთან ერთად, ხოლო ნორმალური ფაზის თავისუფალი ენერგია დაახლოებით მაგნიტური ველისგან დამოუკიდებელია.
თუ მასალა ზეგამტარია ველის არარსებობის შემთხვევაში, მაშინ ზეგამტარი ფაზის თავისუფალი ენერგია ნორმალური ფაზისზე ნაკლებია და, შესაბამისად, მაგნიტური ველის გარკვეული სასრული მნიშვნელობისთვის (კვადრატის პროპორციულია თავისუფალი ენერგიების სხვაობის ფესვი ნულზე), ორი თავისუფალი ენერგია ტოლი იქნება და იქნება ფაზის გადასვლა ნორმალურ ფაზაზე. უფრო ზოგადად, უფრო მაღალი ტემპერატურა და უფრო ძლიერი მაგნიტური ველი იწვევს ზეგამტარ ელექტრონების მცირე წილს და, შესაბამისად, გარე მაგნიტური ველებისა და დენების ლონდონში შეღწევის უფრო დიდ სიღრმეს. შეღწევადობის სიღრმე ხდება უსასრულო ფაზის გადასვლისას.
ფიზიკური
ზეგამტარობის დაწყებას თან ახლავს სხვადასხვა ფიზიკური თვისებების მკვეთრი ცვლილებები, რაც ფაზური გადასვლის დამახასიათებელი ნიშანია. მაგალითად, ელექტრონის სითბოს მოცულობა პროპორციულია ტემპერატურის ნორმალურ (არა ზეგამტარ) რეჟიმში. ზეგამტარის გადასვლისას ის განიცდის ნახტომს და ამის შემდეგ წყვეტს წრფივ ყოფნას. დაბალ ტემპერატურაზე ის იცვლება e−α/T-ის ნაცვლად გარკვეული α მუდმივისთვის. ეს ექსპონენციალური ქცევა ენერგეტიკული უფსკრულის არსებობის ერთ-ერთი მტკიცებულებაა.
ფაზის გადასვლა
ზეგამტარობის ფენომენის ახსნა საკმაოდ არისაშკარად. ზეგამტარი ფაზის გადასვლის წესი დიდი ხნის განმავლობაში განიხილებოდა. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ არ არსებობს მეორე რიგის გადასვლა, ანუ ლატენტური სითბო. თუმცა, გარე მაგნიტური ველის თანდასწრებით, არსებობს ფარული სითბო, რადგან ზეგამტარ ფაზას აქვს უფრო დაბალი ენტროპია, კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბალი, ვიდრე ნორმალური ფაზა.
ექსპერიმენტულად აჩვენა შემდეგი: როდესაც მაგნიტური ველი იზრდება და სცილდება კრიტიკულ ველს, შედეგად მიღებული ფაზის გადასვლა იწვევს ზეგამტარი მასალის ტემპერატურის შემცირებას. ზეგამტარობის ფენომენი მოკლედ იყო აღწერილი ზემოთ, ახლა დროა გითხრათ რაღაც ამ მნიშვნელოვანი ეფექტის ნიუანსებზე.
1970-იან წლებში გაკეთებულმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ის რეალურად შეიძლება იყოს უფრო სუსტი ვიდრე პირველი რიგის ელექტრომაგნიტური ველის გრძელვადიანი რყევების გავლენის გამო. 1980-იან წლებში თეორიულად აჩვენეს უწესრიგობის ველის თეორიის გამოყენებით, რომელშიც ზეგამტარული მორევის ხაზები მთავარ როლს თამაშობენ, რომ გადასვლა მეორე რიგის მეორე ტიპის რეჟიმშია და პირველი რიგის (ანუ ლატენტური სითბო) I ტიპის რეჟიმში და რომ ორი რეგიონი გამოყოფილია ტრიკრიტიკული წერტილით.
შედეგები მტკიცედ დადასტურდა კომპიუტერული სიმულაციებით მონტე კარლოში. ამან მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ზეგამტარობის ფენომენის შესწავლაში. სამუშაოები ამ დროისთვის გრძელდება. ზეგამტარობის ფენომენის არსი სრულად არ არის გასაგები და ახსნილი თანამედროვე მეცნიერების თვალსაზრისით.
