История сверхпроводимости

Количество семейств патентов (красным цветом) и непатентных публикаций (синим цветом) о сверхпроводимости по годам. Черными вертикальными линиями также показаны основные достижения в этой области.

Сверхпроводимость — это явление, при котором некоторые материалы обладают нулевым электрическим сопротивлением и испускают магнитные поля ниже характеристической при температуре . История сверхпроводимости началась с открытия голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости ртути в 1911 году. С тех пор было открыто множество других сверхпроводящих материалов и развита теория сверхпроводимости. Эти предметы остаются активными направлениями исследований в области физики конденсированного состояния .

Изучение сверхпроводимости имеет увлекательную историю: несколько прорывов резко ускорили публикационную и патентную активность в этой области, как показано на рисунке справа и подробно описано ниже. На протяжении своей более чем 100-летней истории количество непатентных публикаций в год о сверхпроводимости в 10 раз превышало количество семейств патентов, что характерно для технологии, не добившейся существенного коммерческого успеха (см. Технологические приложения). сверхпроводимости ).

С помощью Ван-дер-Ваальса параметры уравнения состояния критических точек газов можно было точно предсказать на основе термодинамических измерений, выполненных при гораздо более высоких температурах. Хайке Камерлинг-Оннес находился под влиянием творчества Ван дер Ваальса.

В 1908 году Хайке Камерлинг-Оннес стал первым, кто получил жидкий гелий , и это привело к открытию им в 1911 году сверхпроводимости.

Хайке Камерлинг-Оннес (справа), первооткрыватель сверхпроводимости. Пауль Эренфест , Хендрик Лоренц , Нильс Бор стоят слева от него.

Исследование ультрахолодных явлений (до 1908 г.)

Джеймс Дьюар инициировал исследования электрического сопротивления при низких температурах. Дьюар и Джон Амброуз Флеминг предсказали, что при абсолютном нуле чистые металлы станут идеальными электромагнитными проводниками (хотя позже Дьюар изменил свое мнение об исчезновении сопротивления, полагая, что некоторое сопротивление будет всегда). Вальтер Герман Нернст разработал третий закон термодинамики и заявил, что абсолютный ноль недостижим. Карл фон Линде и Уильям Хэмпсон , оба коммерческие исследователи, почти одновременно подали заявки на патенты на эффект Джоуля-Томсона для сжижения газов . Патент Линде стал кульминацией 20-летнего систематического исследования установленных фактов с использованием регенеративного метода противотока. Проекты Хэмпсона также основывались на регенеративном методе. Комбинированный процесс стал известен как процесс сжижения Хэмпсона-Линде .

Оннес приобрел машину Linde для своих исследований. 21 марта 1900 года Никола Тесла получил патент на средство увеличения интенсивности электрических колебаний за счет понижения температуры, вызванного понижением сопротивления. В этом патенте описывается повышенная интенсивность и длительность электрических колебаний низкотемпературного резонирующего контура . Считается, что Тесла намеревался использовать машину Линде для получения охлаждающих агентов.

Важная веха была достигнута 10 июля 1908 года, когда Хайке Камерлинг-Оннес в Лейденском университете в Нидерландах впервые произвел сжиженный гелий , температура кипения которого составляет 4,2 К (-269 ° C) при атмосферном давлении.

Внезапное и фундаментальное исчезновение

Хайке Камерлинг-Оннес и Джейкоб Клей повторно исследовали более ранние эксперименты Дьюара по снижению сопротивления при низких температурах. Оннес начал исследования с платины и золота , позже заменив их ртутью (более легко очищаемый материал). Исследование Оннеса удельного сопротивления твердой ртути при криогенных температурах было осуществлено с использованием жидкого гелия в качестве хладагента. 8 апреля 1911 года в 16:00 Оннес отметил «Kwik nagenoeg nul», что переводится как «[Сопротивление] ртути почти нулевое». При температуре 4,19 К он заметил, что удельное сопротивление резко исчезло (измерительный прибор, который использовал Оннес, не показывал никакого сопротивления). Оннес раскрыл свои исследования в 1911 году в статье под названием « О внезапной скорости исчезновения сопротивления ртути ». Оннес заявил в этой статье, что «удельное сопротивление» стало в тысячи раз меньше по величине по сравнению с лучшим проводником при обычном электричестве. температура. Позже Оннес обратил процесс вспять и обнаружил, что при температуре 4,2 К сопротивление материала возвращается. В следующем году Оннес опубликовал еще больше статей об этом явлении. Первоначально Оннес назвал это явление « сверхпроводимостью » (1913 г.) и лишь позднее принял термин « сверхпроводимость ». За свои исследования он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 г.

В 1912 году Оннес провел эксперимент по использованию сверхпроводимости. Оннес подал электрический ток в сверхпроводящее кольцо и удалил генерирующую его батарею. Измерив электрический ток, Оннес обнаружил, что его интенсивность не уменьшается со временем. Ток сохранялся из-за сверхпроводящего состояния проводящей среды.

В последующие десятилетия сверхпроводимость была обнаружена и в ряде других материалов; В 1913 году свинец при 7 К, в 1930-е годы ниобий при 10 К, а в 1941 году нитрид ниобия при 16 К.

Загадки и решения (1933–1979)

Следующий важный шаг в понимании сверхпроводимости произошел в 1933 году, когда Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники испускают приложенные магнитные поля — явление, которое стало известно как эффект Мейснера . В 1935 году братья Фриц Лондон и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера является следствием минимизации электромагнитной свободной энергии, переносимой сверхпроводящим током. была разработана феноменологическая Гинзбурга-Ландау теория сверхпроводимости В 1950 году Львом Ландау и Виталием Гинзбургом .

Теория Гинзбурга-Ландау, объединившая теорию фазовых переходов второго рода Ландау с волновым уравнением типа Шредингера , имела большой успех в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. В частности, Алексей Абрикосов показал, что теория Гинзбурга–Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, которые сейчас называются типом I и типом II. За свою работу Абрикосов и Гинзбург были удостоены Нобелевской премии по физике 2003 года (Ландау умер в 1968 году). Также в 1950 году Эмануэль Максвелл и почти одновременно К.А. Рейнольдс и др. обнаружил, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопной массы составляющего его элемента . Это важное открытие указало на электрон-фононное взаимодействие как микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость.

Что касается экспериментов, сотрудничество Бернда Т. Матиаса в 1950-х годах с Джоном Кеннетом Халмом и Теодором Х. Гебалле привело к открытию сотен низкотемпературных сверхпроводников с использованием метода, основанного на эффекте Мейснера. Благодаря своему опыту в 1954 году он разработал правила Матиаса — набор эмпирических указаний о том, как найти эти типы сверхпроводников.

Теория БКШ

Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была наконец предложена в 1957 году Джоном Бардином , Леоном Н. Купером и Робертом Шриффером . Эта теория БКШ объясняла сверхпроводящий ток как сверхтекучую жидкость куперовских пар , пар электронов, взаимодействующих посредством обмена фононами . За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1972 году. Теория БКШ получила более прочную основу в 1958 году, когда Николай Боголюбов показал, что волновая функция БКШ, первоначально полученная на основе вариационного аргумента, может быть получена с помощью канонического преобразования электронного гамильтониана . В 1959 году Лев Горьков показал, что теория БКШ сводится к теории Гинзбурга-Ландау вблизи критической температуры. Горьков первым вывел уравнение эволюции сверхпроводящей фазы. $2eV=\hbar {\frac {\partial \phi }{\partial t}}$.

Эффект Литтла – Паркса

Эффект Литтла -Паркса был открыт в 1962 году в экспериментах с пустыми и тонкостенными сверхпроводящими цилиндрами, находящимися в параллельном магнитном поле . Электрическое сопротивление таких цилиндров совершает периодические колебания с магнитным потоком через цилиндр с периодом h /2 e = 2,07×10. ⁻¹⁵ Против. Объяснение, данное Уильямом Литтлом и Рональдом Парксом, состоит в том, что колебания сопротивления отражают более фундаментальное явление, а именно периодические колебания критической температуры сверхпроводимости ( T _c ). Это температура, при которой образец становится сверхпроводящим. Эффект Литтла-Паркса является результатом коллективного квантового поведения сверхпроводящих электронов. Это отражает тот общий факт, что в сверхпроводниках квантуется именно флюксоид, а не поток. Эффект Литтла-Паркса демонстрирует, что векторный потенциал связан с наблюдаемой физической величиной, а именно с критической температурой сверхпроводимости.

Коммерческая деятельность

Основная статья: Технологические применения сверхпроводимости

Вскоре после открытия сверхпроводимости в 1911 году Камерлинг-Оннес попытался создать электромагнит со сверхпроводящими обмотками, но обнаружил, что относительно слабые магнитные поля разрушают сверхпроводимость в исследованных им материалах. Намного позже, в 1955 году, Джордж Интема удалось сконструировать небольшой электромагнит с железным сердечником силой 0,7 Тесла и обмотками из сверхпроводящей ниобиевой проволоки. Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер , Э. Бюлер, ФСЛ Сюй и Дж. Х. Верник сделал поразительное открытие: при температуре 4,2 К соединение, состоящее из трех частей ниобия и одной части олова, способно поддерживать плотность тока более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитном поле 8,8 тесла. Несмотря на то, что ниобий-олово хрупкий и трудный в изготовлении, с тех пор он оказался чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля силой до 20 Тл. В 1962 году Тед Берлинкурт и Ричард Хейк обнаружил, что менее хрупкие сплавы ниобия и титана пригодны для применения при напряжениях до 10 тесла. Сразу после этого коммерческое производство ниобий-титановой супермагнитной проволоки началось в Westinghouse Electric Corporation и Wah Chang Corporation. Хотя ниобий-титан обладает менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, ниобий-титан, тем не менее, стал наиболее широко используемым супермагнитным материалом «рабочей лошадкой», в значительной степени вследствие его очень высокой пластичности и простоты изготовления. Однако как ниобий-олово, так и ниобий-титан находят широкое применение в медицинских устройствах визуализации МРТ, изгибающих и фокусирующих магнитах для огромных ускорителей частиц высокой энергии и во множестве других применений. Conectus, европейский консорциум по сверхпроводимости, подсчитал, что в 2014 году глобальная экономическая деятельность, для которой сверхпроводимость была необходима, составила около пяти миллиардов евро, причем на системы МРТ приходилось около 80% от этой суммы.

В 1962 году Брайан Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание о том, что сверхток может течь между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь называемое эффектом Джозефсона , используется в сверхпроводящих устройствах, таких как СКВИДы . Он используется для наиболее точных доступных измерений кванта магнитного потока h /2 e и, следовательно (в сочетании с квантовым сопротивлением Холла ) для постоянной Планка h . За эту работу Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике в 1973 году.

В 1973 году Нб
_{Было обнаружено, что 3} Ge имеет T _c 23 К, что оставалось самым высоким T _c при окружающем давлении до открытия купратных высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году (см. Ниже).

Нетрадиционные сверхпроводники

Основная статья: Нетрадиционный сверхпроводник

Тяжелые фермионные сверхпроводники

Основная статья: Тяжелый фермионный сверхпроводник

Высокотемпературные сверхпроводники

Основная статья: Высокотемпературные сверхпроводники

Хронология сверхпроводников

В 1986 году Дж. Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер обнаружили сверхпроводимость в материале на основе лантана купратно- перовскитном , который имел температуру перехода 35 К (Нобелевская премия по физике, 1987) и был первым из высокотемпературных сверхпроводников . Вскоре было обнаружено ( Чинг-Ву Чу ), что замена лантана иттрием , т.е. получение YBCO , повышает критическую температуру до 92 К, что было важно, поскольку жидкий азот затем можно было использовать в качестве хладагента (при атмосферном давлении температура кипения точка азота 77 К). Это важно с коммерческой точки зрения, поскольку жидкий азот можно дешево производить на месте, без использования сырья, и он не подвержен некоторым проблемам (твердые воздушные пробки и т. д.), возникающим из-за гелия в трубопроводах. С тех пор было открыто множество других купратных сверхпроводников, и теория сверхпроводимости в этих материалах является одной из важнейших нерешенных задач теоретической физики конденсированного состояния .

В марте 2001 г. сверхпроводимость диборида магния ( MgB
₂ ) найден при Т _c = 39 К.

В 2008 году были открыты сверхпроводники на основе оксипниктида или железа , что привело к шквалу работ в надежде, что их изучение позволит создать теорию купратных сверхпроводников.

В 2013 году в YBCO была достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре на пикосекунды с использованием коротких импульсов инфракрасного лазерного света для деформации кристаллической структуры материала.

В 2017 году было высказано предположение, что неоткрытые сверхтвердые материалы (например, критически легированный бета-титан Au) могут быть кандидатами на роль нового сверхпроводника с Tc, существенно превышающим HgBaCuO (138 К), возможно, до 233 К, что было бы даже выше, чем H ₂ S. Многие исследования показывают, что никель может заменять медь в некоторых перовскитах, предлагая другой путь к комнатной температуре. Также можно использовать материалы, легированные Li+, например шпинельный аккумуляторный материал LiTi ₂ O _x , и давление решетки может увеличить Tc до более чем 13,8 К. Также предполагалось, что LiHx металлизируется при существенно более низком давлении, чем H, и может быть кандидатом на Сверхпроводник 1-го типа.

Исторические публикации

Статьи Х.К. Оннеса

• «Сопротивление чистой ртути при гелиевых температурах». Комм. Лейден . 28 апреля 1911 года.
• «Исчезновение удельного сопротивления ртути». Комм. Лейден . 27 мая 1911 года.
• «О внезапном изменении скорости исчезновения сопротивления ртути». Комм. Лейден . 25 ноября 1911 года.
• «Имитация амперного молекулярного тока или постоянного магнита с помощью сверхпроводника». Комм. Лейден . 1914.

Теория БКШ

• Бардин, Дж.; Купер, Л.Н.; Шриффер-младший (1 декабря 1957 г.). «Теория сверхпроводимости» . Физический обзор . 108 (5). Американское физическое общество (APS): 1175–1204. Бибкод : 1957PhRv..108.1175B . дои : 10.1103/physrev.108.1175 . ISSN   0031-899X . S2CID   73661301 .

Другие ключевые документы

• Мейснер, В.; Оксенфельд, Р. (1933). «Новый эффект при возникновении сверхпроводимости». Естественные науки (на немецком языке). 21 (44). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 787-788. Бибкод : 1933NW.....21..787M . дои : 10.1007/bf01504252 . ISSN   0028-1042 . S2CID   37842752 .
• Ф. Лондон и Х. Лондон, «Электромагнитные уравнения сверхпроводника», Proc. Рой. Соц. (Лондон) A149 , 71 (1935), ISSN 0080-4630 .
• V.L. Ginzburg and L.D. Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064 (1950)
• Максвелл, Эмануэль (15 мая 1950 г.). «Изотопный эффект в сверхпроводимости Меркурия». Физический обзор . 78 (4). Американское физическое общество (APS): 477. Бибкод : 1950PhRv...78..477M . дои : 10.1103/physrev.78.477 . ISSN   0031-899X .
• Рейнольдс, Калифорния; Серин, Б.; Райт, Вашингтон; Несбитт, Л.Б. (15 мая 1950 г.). «Сверхпроводимость изотопов Меркурия». Физический обзор . 78 (4). Американское физическое общество (APS): 487. Бибкод : 1950PhRv...78..487R . дои : 10.1103/physrev.78.487 . ISSN   0031-899X .
• А. А. Абрикосов, О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы, ЖЭТФ 5 , 1174 (1957).
• Литтл, Вашингтон; Паркс, РД (1 июля 1962 г.). «Наблюдение квантовой периодичности переходной температуры сверхпроводящего цилиндра». Письма о физических отзывах . 9 (1). Американское физическое общество (APS): 9–12. Бибкод : 1962PhRvL...9....9L . дои : 10.1103/physrevlett.9.9 . ISSN   0031-9007 .
• Джозефсон, Б.Д. (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Письма по физике . 1 (7). Эльзевир Б.В.: 251–253. Бибкод : 1962PhL.....1..251J . дои : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 . ISSN   0031-9163 .

Патенты

• Тесла, Никола, патент США 685012 « Средство для увеличения интенсивности электрических колебаний », 21 марта 1900 г.

См. также

• Сверхпроводимость
• Макроскопические квантовые явления
• Хронология низкотемпературных технологий
• Технологические применения сверхпроводимости
• Высокотемпературная сверхпроводимость

Внешние ссылки и ссылки

• Хейке Камерлинг-Оннес, « Исследования свойств веществ при низких температурах, которые привели, среди прочего, к получению жидкого гелия », Нобелевская лекция, 11 декабря 1913 г.
• М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость , 2-е изд., МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1996 г., ISBN   0-486-43503-2
• Т. Шахтман, Абсолютный ноль и победа над холодом , Houghton Mifflin Co., 1999, ISBN   0-395-93888-0
• Дж. Матрикон, Г. Уэйсанд и К. Гласхауссер, Холодные войны: история сверхпроводимости , Rutgers University Press, 2003, ISBN   0-8135-3295-7
• Дж. Шмалиан, Неудачные теории сверхпроводимости