Асқын өткізгіштік (төмен температура және жоғары температура).
1. Өткізгіштік негіздері
Өткізгіштердің электрлік кедергісі; бұл әсер өте төмен температурада ғана жүзеге асырылады. Өткізгіштігі 1911 жылы сынаптың электрлік кедергісін зерттеу кезінде Камерлинг-Оннес ашты. Сынаптың кедергісі Т = 4.2 К кезінде нөлге тең болды. Электр кедергісінің толық жойылып кетуі суперөткізгіштен тұйықталған тізбекте пайда болған электр тогының ұзақ уақыт бойына айналатындығымен расталады. Көптеген заттар өте өткір күйге түсе алады, оның ішінде 24 таза металл, жүздеген қорытпалар мен қосылыстар бар.
Көптеген металдар, қорытпалар және интерметалдық қосылыстар (500-ден астам) өте өткізгіш қасиетке ие. Өте өткізгіштердің (таза металдардың) үлгілері белгілі бір температурада қалыпты өткізгіштен жоғары өткізгішке нақты және қайтымды ауысумен сипатталады.
2. Өте өткізгіш күйге өту температурасы, критикалық магнит өрісі. Мейсоннер эффектісі
Өткізгіштік құбылысы кейбір таза металдар, қорытпалар және металдардың химиялық қосылыстары белгілі бір төмен температурада, сыни ауысу температурасы деп аталады, электрлік кедергісін мүлдем жоғалтады. Жаңа өткізгіш күйге көшу кенеттен орын алады.
Өткізу жүретін Т температура диапазоны өте жоғары өткізгіштің тогына байланысты бірнеше градусқа дейін өзгереді.
Әр түрлі заттар үшін критикалық температура 0,15-тен 20 К-қа дейінгі температурада болады.
Өткізгіштің А аймағы критикалық температура мен магнит өрісінің критикалық күшімен шектеледі. Максимум T = 0 және нөлге дейін төмендейді. Бұл кезде зат өріс күшінің шамасына байланысты (А) немесе қалыпты жағдайда (B) күйде бола алады. Өткізгіштік арқылы өтетін ток күшімен құрылған магнит өрісі немесе магнит өрісі сыртқы өткізгіштік әсерінен жоғалады.
= 0 жағдайымен қатар, өткізгіштер тағы бір іргелі қасиетпен сипатталады — магнит индукциясының болмауы. Өте өткізгіштің ішінде магниттік индукция нөлге тең (B = 0). Мейсоннер эффектісі деп аталатын бұл құбылыс сыртқы өріс () шамадан тыс өткізгіштегі сөнбеген дөңгелек беттік токтарды тудыратындығына байланысты. Бұл токтардың тиісті өрісі өткізгіштің ішіне енуіне жол бермей, сыртқы өрісті толтырады (7.2, а-сурет). Демек, өткізгіш — бұл идеал диаметрі.
Шындығында, магнит өрісі өткізгішке ену тереңдігінің (см) деп аталатын деңгейге ( см) енеді.
Критикалық ток — бұл өткізгіштің өзінің өткізгіштік күйін жоғалтпай басқаратын максималды тікелей ток.
Өткізгіштіктің бұзылуы орын алатын магнит өрісі сыни деп аталады. Бұл шамамен алынған теңдеуге сәйкес температураға байланысты
,
Т – температура, К; – абсолютті нөлдегі критикалық өріс.
Бұл өткізгіштің шамалары мен сипаттамалары.
Күрделі геометриясы бар суперөткізгіштің , үлгілері үшін (шар, цилиндр қимасы) магнит өрісі арқылы өткізгіштіктің бұзылуы кенеттен пайда болмайды, бірақ қалыпты және өткізгіш аймақтар бір уақытта болады. Бұл күй аралық деп аталады. Өріс ұлғайған сайын қалыпты фазаның салыстырмалы мөлшері артады, ал жоғары өткізгіш фаза мүлдем жоғалады.
3. Өткізгіштердің термодинамикалық қасиеттері
Мейсоннер эффектісінің ашылуы идеалды өте өткізгіштердің магниттелу қисықтарының қайтымдылығын анықтауға мүмкіндік берді; магниттеу кезіндегі осы материалдарда энергия таралуы байқалмайды. Өткізгіштің қалыпты жағдайға ауысуының қайтымды табиғаты осы ауысудың термодинамикалық анализінің басқа фазалық ауысулармен (мысалы, сұйық — бу) ұқсастығымен түсіндіріледі. Өте өткізгіштің қалыпты және қалыпты күйлері тепе-теңдіктің екі фазасы ретінде қарастырылады; Н-Т диаграммасында екі фазаның тіршілік ету сызығы күріш. 2. Бұл қисық сұйықтық-бу жүйесі үшін p-T диаграммасындағы қанықтылық сызығына формальды түрде ұқсайды және өріс пен өткізгіш фазалардың бос энергиясы тең болатын өріс болып табылады.
4. Өткізгіштік теориясының кейбір сұрақтары
Өткізгіштік құбылысын түсіндіретін бірнеше көзқарастар бар, олардың арасында келесі теориялар ерекшеленеді:
1. Лондор теориясы.
2. Пиппардтың жергілікті емес теориясы.
3. Гинзбург — Ландау теориясы.
4. Беттік теория.
5. Микроскопиялық теория.
Олардың ең таңқаларлықтарына толығырақ тоқталайық.
Лондон теориясы. Мейснер эффектісі ашылғаннан кейін, тек Максвелл теңдеулеріне негізделген электродинамикалық сипаттама суперөткізгіштің қасиеттерін түсіндіру үшін жеткіліксіз екені белгілі болды. 1935 жылы Ф. Лондон мен Дж. Лондон феноменологиялық теорияны ұсынды (болжамдар мен параметрлер интуитивті түрде енгізілген деген мағынада), онда олар өткізгішті идеал диаметник сияқты ұстайды деп болжайды.
Суретте. 7.4 магнит өрісінің суперөткізгішке ену сипатын көрсетеді. Өткізгіштің бетінен тереңірек қозғалу кезінде магнит өрісі теңдеуге сәйкес экспоненциалды түрде азаяды, ал ену тереңдігінің температураға тәуелділігі теңдеу арқылы берілген
,
(7.2)
мұндағы (0) — ену тереңдігі T = 0.
Бұл теорияның кемшіліктері кейбір суперөткізгіштер үшін — таза металдар, бір компоненттің құрамы төмен қорытпалар — Лондон теңдеуі эксперименттік мәліметтермен келіспейтіндігін; осы заттар үшін m массасы еркін электронның массасына жақын, ал ену тереңдігінің эксперименттік мәні Лондон теңдеуімен есептелгеннен әлдеқайда жоғары. Бұл теңдеулер химиялық қосылыстар мен басқа да жоғары қорытпалардан тұрады.
Бұл теория электронның орташа еркін жолының ену тереңдігіне эксперименттік әсерін ескермейді.
Микроскопиялық теория. Жоғарыда айтылған теориялар бірқатар өткізгіштік болжамдардан тұрады, олар суперөткізгіштердің макроскопиялық сипаттамасы үшін өте нәтижелі болды. Изотоптық эффекттің ашылуы (1950 ж.) Суперөткізгіштіктің физикалық табиғатын түсінудегі маңызды қадамдардың бірі ретінде қарастырылуы керек. Максвелл сынапты изотоптардың (және басқа элементтер: Cd, Pb, Sn, Zn, Ta) сыни температурасы арақатынасы бойынша изотоптың массасына байланысты екенін анықтады.
,
(7.3)
мұндағы m — изотоптың массасы; a 1/2.
Изотоптық құрамның өзгеруі кристалдық торды құрайтын иондар массасының өзгеруін және сәйкесінше тордың тербелістерінің жиілігін (тордың фонон спектрі) білдіреді. Өткізгіштік электрондар мен торлардың өзара әрекеттесуіне байланысты. Егер Ферми бетіне жақын электрон жұбы арасында тартылыс болса, онда бұл тартылыс қаншалықты әлсіз болса, байланысқан электрондардың жұптарының (Купер жұптарының) пайда болуы мүмкін. Энергетикалық спектрде алшақтық пайда болады, ал жүйе өте өткізгіш болып шығады. Бардин, Купер және Шриферфер материалдардың параметрлері мен сипаттамалары арасындағы байланыс орнатылатын тұрақты өткізгіштігінің (BCS теориясы) тұрақты микроскопиялық теориясын жасады.
BCS теориясы бойынша, өткізгіштіктің себебі электрондардың байланысқан жұптарының пайда болуы (Купер жұптары деп аталады), соның салдарынан «электронды сұйықтық» артық сұйықтықтың қасиеттерін алады. Электрондық жұптың байланысу энергиясы өте аз, сондықтан бұл жұптардың болуы өте төмен температурада ғана мүмкін болады. Атомдық массаға әсердің ашылуы (изотоптық эффект) суперөткізгіштіктің кристалдық тордың сипаттамасымен байланысты екенін көрсетті, сөйтіп электрон жұптары тордың тербелістерімен бірге пайда болатындығы анықталды. Тордың тербеліс жиілігі атомның массасына байланысты. Әрбір электронның жанында электрондар мен тор иондарының өзара әрекеттесуіне байланысты тордың тербеліс режимі өзгеріп, басқа электронға әсер ететін күштер туғызады. Кванттық теория тұрғысынан бұл күштер пайда болады, өйткені электрондар фотондармен — торлы тербелістермен әрекеттесе алады. Бұл алмасу фотондары виртуалды деп аталады; олар бір электрон екіншісіне өткенде ғана болады және торда осы электрондарға тәуелсіз тарала алмайтын жағдайда болады. Бұл күштер әрқашан электрондардың тартымдылығына әкеледі және олардың кулондық итермелеу күштерінен асып кетуі мүмкін (бұл жағдайда өте жоғары өткізгіштік пайда болады). Бұл құбылыс екі нақты электронды ғана емес, сонымен бірге металдағы электронның бүкіл массасын да қамтиды. Осылайша, температурада бұдан былай электрондар болмайды, бірақ сол кванттық күйде болатын жаңа бөлшектер — Купер жұптары пайда болады. Қалыптасқан электрондардың жұптарын бұзу үшін олардың арасындағы байланысты еңсеру үшін энергия жұмсау керек. Бұл жағдайда олар электрондардың қарапайым күйі белгілі бір энергия интервалымен жұптасқан күйде күйден бөлек — энергия алшақтығы деп айтады. Металдың электрлік кедергісі «электронды сұйықтықтың» тормен немесе қоспалармен әрекеттесуіне байланысты (металдарда зарядтардың берілуі (электр тогы) «электронды сұйықтық» деп санауға болатын бос электрондар арқылы жүзеге асырылады). Энергетикалық алшақтық болған жағдайда «электронды сұйықтықтың» энергия жұбы жұптың байланыстырушы энергиясынан үлкен энергия квантында ғана мүмкін болады.
Осылайша, энергетикалық алшақтықтың болуы электрон жұптарындағы «сұйық» үйкеліссіз қозғалатындығына әкеледі, яғни. электр тогы кедергісіз ағып кетеді. Энергия алшақтық температураның жоғарылауымен азаяды және нөлге тең болады (өткізгіштік жоғалады).
5 Өткізгіштердің жіктелуі
Қалыпты және өткізгіш фазалар арасындағы шекара беттік энергияға ие екендігі анықталды; ол оң немесе теріс болуы мүмкін. Заманауи тұжырымдамаларға сәйкес, бұл беттік энергия электрондардың кеңістіктік корреляциясы (жұп мөлшері) және ену тереңдігімен байланысты.
Беттік энергия белгісіне сәйкес барлық өткізгіштер екі топқа бөлінеді: I типті суперөткізгіштер (беттік энергия оң) және II типті суперөткізгіштер (беттік энергия теріс).
6. Өткізгіштерді технологияда қолдану
Өткізгіштіктің ең қызықты өндірістік қосымшалары электр энергиясын өндіруге, беруге және пайдалануға байланысты. Мысалы, диаметрі бірнеше дюймді өткізгіштік кабель өте үлкен немесе жоғалтпайтын үлкен электр тарату желісі сияқты энергияны жеткізе алады. Оқшаулауды жасау және криоөткізгіштерді салқындату құны энергия берудің тиімділігін төмендетуі керек. Сұйық азотпен салқындатылған керамикалық жоғары өткізгіштердің пайда болуымен (ол үшін температура 35 К), электр қуатын беру өте тартымды болады.
Өткізгіштердің жұмысын тұрақтандырудың екі әдісі бар:
1. Жылуды қарқынды және тиімді түрде қамтамасыз ету (әдетте сұйық гелий).
2. Өткізгіш мысдан (немесе электрлік кедергісі төмен басқа материалдан) тұратын матрицаға орнатылады. Өте өткізгіштік бұзылған кезде ток матрица арқылы жабылады.
Болашақта өте жоғары өткізгіштік компьютерлік технологияда кеңінен қолданылады және үлкен магнит өрістерін жасайды.
Өткізгіш элементтер өте қысқа уақытты ауыстырып қосуды, қуаттың елеусіз жоғалуын және жоғары көлемдегі тығыздықты қамтамасыз ете алады. Жүздеген логикалық және жад элементтері бар тізбектердегі жұқа қабықтағы Джозефсон байланыстарының прототиптері әзірленуде.
Өте өткізгіштер жасаған үлкен магнит өрістерін пойыздарды магниттік тоқтата тұру үшін пайдалануға болады. Қозғалмалы магнит пен бағыттаушы сымның арасындағы ток арасындағы өзара тарту күштеріне байланысты пойыз шуылсыз және үйкеліссіз бірқалыпты қозғалады. Жапония мен Германиядағы тәжірибелік маглев пойыздары сағатына 300 км жылдамдыққа жетеді.