Metallerin süperiletkenliği, Heike Kamerling-Onnes'in keşfi

Süperiletkenlik fenomeniyle ilk karşılaşan Heike Kamerling Onnes - Hollandalı fizikçi ve kimyager. Fenomenin keşfedildiği yıl 1911'di. Ve zaten 1913'te, bilim adamı araştırması için Nobel Fizik Ödülü'nü alacak.

Cıvanın ultra düşük sıcaklıklardaki elektrik direnci üzerine bir çalışma yürüterek, safsızlıklardan arındırılırsa bir maddenin elektrik akımına karşı direncinin hangi seviyeye düşebileceğini belirlemek ve olabilecekleri mümkün olduğu kadar azaltmak istedi. isminde. » termal gürültü «, yani bu maddelerin sıcaklığını düşürmek için. Sonuçlar beklenmedik ve şaşırtıcıydı. 4,15 K'nin altındaki sıcaklıklarda cıvanın direnci aniden tamamen ortadan kalktı!

Aşağıda, Onnes'in gözlemlediği şeyin bir grafiği var.

O günlerde bilim zaten en azından bu kadarını biliyordu. metallerdeki akım elektronların akışıdırAtomlarından ayrılan ve yüklü gaz gibi elektrik alan tarafından taşınırlar.Havanın yüksek basınç alanından alçak basınç alanına hareket etmesi rüzgar gibidir. Ancak şimdi, akım söz konusu olduğunda, hava yerine serbest elektronlar vardır ve telin uçları arasındaki potansiyel fark, hava örneğindeki basınç farkına benzer.

Dielektriklerde bu imkansızdır çünkü elektronlar atomlarına sıkı sıkıya bağlıdır ve onları yerlerinden koparmak çok zordur. Ve metallerde akımı oluşturan elektronlar nispeten serbestçe hareket etmelerine rağmen, ara sıra titreşen atomlar şeklindeki engellerle çarpışırlar ve bir tür sürtünme meydana gelir. elektrik direnci.

Ancak ultra düşük sıcaklıkta kendini göstermeye başladığında süper iletkenlik, sürtünme etkisi nedense ortadan kalkar, iletkenin direnci sıfıra düşer, bu da elektronların tamamen serbestçe, engellenmeden hareket etmesi anlamına gelir. Ama bu nasıl mümkün olabilir?

Bu sorunun cevabını bulmak için fizikçiler araştırma yapmak için onlarca yıl harcadılar. Ve bugün bile sıradan kablolar "normal" kablolar olarak adlandırılırken, sıfır direnç durumundaki iletkenlere "süper iletkenler" denir.

Sıradan iletkenler azalan sıcaklıkla dirençlerini azaltsa da, birkaç Kelvin sıcaklıkta bile bakırın bir süper iletken haline gelmediği ve cıva, kurşun ve alüminyumun yaptığı, dirençlerinin en az yüz trilyon olduğu belirtilmelidir. Aynı koşullar altında bakırdan kat daha düşük.

Onnes'in, akımın geçişi sırasında cıva direncinin tam olarak sıfır olduğu ve zamanın aletleriyle ölçülmesi imkansız hale gelecek kadar düşmediği yönünde asılsız iddialarda bulunmadığını belirtmekte fayda var.

Sıvı helyuma batırılmış süper iletken bir bobindeki akımın, cin buharlaşana kadar baştan sona dolaşmaya devam ettiği bir deney kurdu. Bobinin manyetik alanını takip eden pusula iğnesi hiç sapmadı! 1950'de bu türden daha isabetli bir deney bir buçuk yıl sürer ve bu kadar uzun zaman geçmesine rağmen akım hiçbir şekilde azalmaz.

Başlangıçta, bir metalin elektrik direncinin önemli ölçüde sıcaklığa bağlı olduğu biliniyor, bakır için böyle bir grafik oluşturabilirsiniz.

Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, atomlar o kadar çok titreşirler.Atomlar ne kadar çok titrerse, akımı oluşturan elektronların yolunda o kadar önemli bir engel haline gelirler. Metalin sıcaklığı düşerse, direnci azalacak ve belirli bir R0 artık direncine yaklaşacaktır. Ve ortaya çıktığı gibi, bu artık direnç, numunenin bileşimine ve "mükemmelliğine" bağlıdır.

Gerçek şu ki, metalden yapılmış herhangi bir numunede kusurlar ve safsızlıklar bulunur. Bu bağımlılık, her şeyden önce 1911'de Bir'i ilgilendiriyordu, başlangıçta süper iletkenlik için çabalamadı, ancak artık direncini en aza indirmek için yalnızca mümkün olduğunca iletkenin böyle bir frekansını elde etmek istedi.

O yıllarda cıvanın saflaştırılması daha kolaydı, bu nedenle araştırmacı tesadüfen rastladı, platin, altın ve bakırın normal sıcaklıklarda cıvadan daha iyi iletkenler olmasına rağmen, onları saflaştırmak sadece daha zor.

Sıcaklık düştükçe, süperiletkenlik durumu, sıcaklık belirli bir kritik seviyeye ulaştığında, belirli bir anda aniden ortaya çıkar. Bu sıcaklık kritik olarak adlandırılır, sıcaklık daha da düştüğünde direnç keskin bir şekilde sıfıra düşer.

Numune ne kadar safsa, damla o kadar keskindir ve en saf numunelerde bu düşüş bir derecenin yüzde birinden daha az bir aralıkta gerçekleşir, ancak numune ne kadar kirliyse, damla o kadar uzun sürer ve onlarca dereceye ulaşır, bu özellikle fark edilir yüksek sıcaklık süper iletkenleri.

Numunenin kritik sıcaklığı, keskin düşüş aralığının ortasında ölçülür ve her madde için ayrıdır: cıva için 4.15K, niyobyum için 9.2K, alüminyum için 1.18K, vb. Alaşımlar ayrı bir hikaye, süperiletkenlikleri daha sonra Onnes tarafından keşfedildi: Altınlı cıva ve kalaylı cıva, keşfettiği ilk süper iletken alaşımlardı.

Yukarıda belirtildiği gibi, bilim adamı soğutmayı sıvı helyum ile gerçekleştirdi. Bu arada Onnes, süper iletkenlik fenomeninin keşfinden üç yıl önce kurduğu kendi özel laboratuvarında geliştirdiği kendi yöntemine göre sıvı helyum elde etti.

Numunenin kritik bir sıcaklığında meydana gelen ve böylece direncin sıfıra düştüğü süperiletkenliğin fiziğini biraz anlamak için bahsedilmelidir. faz geçişi… Metalin normal elektrik direncine sahip olduğu normal durum, normal fazdır. süper iletken faz — bu, metalin sıfır dirence sahip olduğu durumdur. Bu faz geçişi, kritik sıcaklıktan hemen sonra gerçekleşir.

Faz geçişi neden oluşur? İlk "normal" durumda, elektronlar atomlarında rahattır ve bu durumda bir telden akım aktığında, kaynağın enerjisi bazı elektronları atomlarını terk etmeye ve elektrik alanı boyunca hareket etmeye zorlamak için harcanır. yollarında titreşen engellerle karşılaşsalar bile.

Tel, kritik sıcaklığın altındaki bir sıcaklığa kadar soğutulduğunda ve aynı zamanda üzerinden bir akım kurulduğunda, elektronların (enerji uygun, enerji ucuz) bu akımda olması ve orijinal haline dönmesi daha uygun hale gelir. "normal" durumda, bu durumda bir yerden ekstra enerji almak gerekir, ancak bu hiçbir yerden gelmez. Bu nedenle, süper iletken durum o kadar kararlıdır ki, madde yeniden ısıtılmadıkça onu terk edemez.

Ayrıca bakınız:Meissner etkisi ve kullanımı