Superprovodljivost

Superprovodljivost je skup fizičkih svojstava uočenih u određenim materijalima gdje električni otpor nestaje i polja magnetskog fluksa se izbacuju iz materijala. Svaki materijal koji pokazuje ova svojstva je superprovodnik. Za razliku od običnog metalnog provodnika, čiji otpor postepeno opada kako se njegova temperatura snižava čak i do skoro apsolutne nule, superprovodnik ima karakterističnu kritičnu temperaturu ispod koje otpor naglo pada na nulu.^[1][2] Električna struja kroz petlju superprovodljive žice može trajati beskonačno bez izvora napajanja.^[3][4][5][6]

Magnet koji levitira iznad visokotemperaturnog superprovodnika, hlađen tečnim azotom. Uporna električna struja teče na površini superprovodnika, djelujući tako da isključuje magnetsko polje magneta (Faradayev zakon indukcije). Ova struja efektivno formira elektromagnet koji odbija magnet.

Fenomen superprovodljivosti otkrio je 1911. godine holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes. Kao i feromagnetizam i atomske spektralne linije, superprovodljivost je fenomen koji se može objasniti samo kvantnom mehanikom. Karakterizira ga Meissnerov efekat, potpuno izbacivanje linija magnetskog polja iz unutrašnjosti superprovodnika tokom njegovih prijelaza u superprovodljivo stanje. Pojava Meissnerovog efekta ukazuje da se superprovodljivost ne može shvatiti jednostavno kao idealizacija savršene provodljivosti u klasičnoj fizici.

1986. godine otkriveno je da neki kuprat - perovskit keramički materijali imaju kritičnu temperaturu iznad 90 K (−183 °C).^[7] Ovako visoka temperatura prijelaza teoretski je nemoguća za konvencionalni superprovodnik, što dovodi do toga da se materijali nazivaju visokotemperaturnim superprovodnicima. Jeftino dostupan tekući azot ključa na 77 K (−196 °C) i stoga postojanje superprovodljivosti na višim temperaturama od ove olakšava mnoge eksperimente i primjene koje su manje praktične na nižim temperaturama.

„Vrh: Periodični sistem superprovodljivih elementarnih čvrstih tijela i njihova eksperimentalna kritična temperatura (T). Dole: Periodični sistem superprovodljivih binarnih hidrida (0–300 GPa). Teorijska predviđanja označena plavom bojom, a eksperimentalni rezultati crvenom."^[8]

Klase superprovodničkih materijala uključuju hemijske elemente (npr. živa ili olovo), legure (kao što su niobij-titan, germanij-niobij i niobij nitrid), keramiku (YBCO i magnezij diborid), superprovodljive pniktide (poput LaOFeAs dopiranih fluorom) ili organske superprovodnike (fulereni i ugljične nanocijevi; iako bi možda ove primjere trebalo uvrstiti među hemijske elemente, jer se u potpunosti sastoje od ugljika).^[9][10]

Elementarna svojstva superprovodnika

Nekoliko fizičkih svojstava superprovodnika varira od materijala do materijala, kao što su kritična temperatura, vrijednost superprovodljivog razmaka, kritično magnetsko polje i kritična gustina struje pri kojoj se superprovodljivost uništava. S druge strane, postoji klasa svojstava koja su nezavisna od osnovnog materijala. Meissnerov efekat, kvantizacija magnetskog fluksa ili trajnih struja, odnosno stanje nultog otpora su najvažniji primjeri. Postojanje ovih "univerzalnih" svojstava je ukorijenjeno u prirodi narušene simetrije superprovodnika i pojavljivanju izvandijagonalnog reda velikog dometa. Superprovodljivost je termodinamička faza i stoga posjeduje određena prepoznatljiva svojstva koja su u velikoj mjeri neovisna o mikroskopskim detaljima.

Reference

1. Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. str. 1–2. ISBN 9781108428415.
2. Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. str. 7. ISBN 9780470026434.
3. John Bardeen; Leon Cooper; J. R. Schriffer (1. 12. 1957). Theory of Superconductivity. Physical Review. 108. str. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. doi:10.1103/physrev.108.1175. ISBN 978-0-677-00080-0. Pristupljeno 6. 6. 2014. reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov (1963) The Theory of Superconductivity, Vol. 4, CRC Press, ISBN 0677000804, p. 73
4. John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th izd.). Infobase Publishing. str. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.
5. John C. Gallop (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. str. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.
6. Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. str. 102–103. ISBN 978-0-7503-0721-5.
7. Bednorz, J. G. & Müller, K. A. (1986). "Possible high T_c superconductivity in the Ba−La−Cu−O system". Z. Phys. B. 64 (1): 189–193. Bibcode:1986ZPhyB..64..189B. doi:10.1007/BF01303701.
8. José A.Flores-Livas; et al. (29. 4. 2020). "A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials". Physics Reports. 856: 1–78. arXiv:1905.06693. Bibcode:2020PhR...856....1F. doi:10.1016/j.physrep.2020.02.003. S2CID 155100283.
9. Hirsch, J. E.; Maple, M. B.; Marsiglio, F. (15. 7. 2015). "Superconducting materials classes: Introduction and overview". Physica C: Superconductivity and Its Applications. Superconducting Materials: Conventional, Unconventional and Undetermined (jezik: engleski). 514: 1–8. arXiv:1504.03318. Bibcode:2015PhyC..514....1H. doi:10.1016/j.physc.2015.03.002. ISSN 0921-4534.
10. "Classification of Superconductors" (PDF). CERN.