Свръхпроводимост

Свръхпроводимостта е физическа характеристика на някои материали при ниски температури. Тя се проявява като отсъствие на електрическо съпротивление и съвършен диамагнетизъм (ефект на Майснер). Тя се проявява като фазов преход при определена температура Т_c, наречена критична температура на прехода.

Явлението е открито през 1911 г. от холандския физик Хейке Камерлинг Онес, който изследва съпротивлението на чист живак при ниски температури. На 8 април 1911 г. той установява, че при 3 Келвина (около -270 ° C) електрическото съпротивление на живака е практически нула. Следващият експеримент, проведен на 11 май, показва, че рязък спад на съпротивлението до нула настъпва при температура от около 4,2 K (по-късно по-точни измервания показват, че тази температура е 4,15 K). През 1986 г. Беднорц и Мюлер установяват свръхпроводимост на сплави при температури, значително по-високи от известните дотогава, което се оказва от различен тип. Оттогава става общоприето различаването на „класическа“ и високотемпературна свръхпроводимост. Разделя ги температурата на кипене на течния азот (77,4 К).

Класическите свръхпроводници имат критична температура на прехода до около 39 келвина (–234,15 °C):

Материал	Mg	Ga	Al	In	Sn	Hg	Pb	Nb	NbTi	NbN	NbPb	Nb3Sn	La-Ba-Cu оксид	MgB2
Tc [ K ]	0,0005	1,1	1,2	3,4	3,7	4,15	7,2	9,3	9,5–10,5	14,5–17,8	17,9	18,1–18,5	30	39

При някои известни сплави и състави е възможно критичната температура на прехода да бъде увеличена (високотемпературна свръхпроводимост), например:

• Итриево-бариево-меден оксид (YBa₂Cu₃O_7−x) – 92–93 К;
• Талиево-бариево-калциево-меден оксид Табко-2223 (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀) – 125–127 K;
• Живачно-барий-калциево-меден оксид Hg-1223 (HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+d) – тази керамика има най-високата известна критична температура на прехода – 135 К. През 2000 г. е показано, че леко флуориране на тази живачна керамика прави възможно повишаването на критичната температура на прехода при нормално налягане до 138 K.^[1] При външно налягане от 350 хиляди атмосфери тя се повишава до 164 К, което е само с 19 К под минималната температура, регистрирана в природни условия на повърхността на земята (183 К = –90,15 °С). По този начин свръхпроводниците в своето развитие са преминали от метален живак (4,15 K) до високотемпературни свръхпроводници, съдържащи живак (164 K).

Критични температури на прехода на различни химични елементи и техните бинарни хидриди в състояние на свръхпроводимост

Ниските температури са условие за проявата на свръхпроводимост, но явлението зависи и от други фактори, например електрическо напрежение или външно магнитно поле. При протичането на ток съществува критическа стойност за неговата плътност, над която материалите възвръщат обичайното си съпротивление. На нея съответства и критическо магнитно поле, което има същия ефект. За практически приложения тези прагови стойности са ниски, което ограничава реалното използване на свръхпроводниците.

Свръхпроводниците се разделят на две големи семейства: свръхпроводници тип I (по-специално живакът принадлежи към тях) и тип II (които обикновено са сплави от различни метали). Работата на Л. В. Шубников през 30-те години на XX век и А. А. Абрикосов през 50-те години изиграва значителна роля в откриването на свръхпроводимост от втори тип.

Критични температури на свръхпроводящи материали, открити между 1900 и 2020 г.^[2]

Източници

1. Успехи химии. — 2000. — Т. 69, № 1. стр. 3-40
2. Pia Jensen Ray. Figure 2.4 in Master's thesis, „Structural investigation of La(2-x)Sr(x)CuO(4+y) – Following staging as a function of temperature“. Niels Bohr Institute, Faculty of Science, University of Copenhagen. Copenhagen, Denmark, November 2015. DOI:10.6084/m9.figshare.2075680.v2

• Файнман Р., Лекции по Физика т. 3 (гл. 19 Свръхпроводимост), София: Наука и изкуство 1976

Външни препратки

• М. Бушев „Сто години свръхпроводимост“ Архив на оригинала от 2012-06-13 в Wayback Machine. – в сп. Светът на физиката, бр. 4, 2011 стр. 410 (или стр. 10 на pdf файла)