Superprovodnost

Magnet lebdi iznad ohlađenog superprovodnika (oko −197 °C).

Keramički superprovodnik lebdi iznad magnetne trake.

Superprovodljivost ili superprovodnost je pojava kod izvesnih materijala na niskim temperaturama koja se karakteriše sa: potpunim odsustvom električnog otpora (R=0), ili potpunim odsustvom magnetnog polja u unutrašnjosti tog materijala (Majsnerov efekat). Time se za superprovodnike kaže da su to idealni provodnici i idealni dijamagnetici. Superprovodnost se javlja ispod kritične temperature T_c, koja se razlikuje za različite materijale. Na temperaturama višim od kritične materijali se vraćaju u svoju osnovnu fazu. Superprovodnost ima manifestacije koje su interesantne široj javnosti i često se koriste u popularizaciji nauke. Jedan od takvih makroskopskih manifestacija je u vidu Majsnerovog efekta kada superprovodnici istiskuju iz sebe magnetno polje. Superprovodnost se manifestuje i u vidu neprekidnog proticanja struje kroz zatvoreno kolo ako se temperatura održava ispod kritične.

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 od supravodljive žice može trajati beskonačno bez izvora napajanja.^[3]^[4]^[5]^[6]

Istorijat

Fenomen superprovodnosti je 1911. godine otkrio holandski naučnik Kamerling Ones u Lajdenu. U Devarovom sudu u kolu od superprovodnog materijala koji je činila živa na dovoljno niskoj temperaturi, struja je tekla preko dve godine od zatvaranja kola bez promene magnetnog polja pri održavanju dovoljno niske temperature. Iako su se naučnici decenijama bavili ovim fenomenom, osnova pojave nije bila poznata sve do pedesetih i šezdesetih godina 20. veka.
1957. godine su američki fizičari Džon Bardin (John Bardeen), Lion Kuper (Leon Cooper) i Robert Šrifer (Robert Schrieffer) objavili teoriju superprovodljivosti (za konvencionalne, tada jedino poznate, superprovodnike), sada poznatu kao BCS teorija. Za ovo otkriće su dobili Nobelovu nagradu petnaest godina kasnije, 1972. godine. (To je bila Bardinova druga Nobelova nagrada; prvu je dobio za rad na razvoju tranzistora.) Ključni deo BCS teorije je ideja da provodni elektroni grade parove, nazvani Kuperovi parovi, kao posledica interakcije sa pozitivnim jonima kristala.
Tema superprovodnosti je ponovo počela da bude aktuelna počev od 1986. godine kada su otkriveni visokotemperaturni superprovodnici. Iako se fenomenološki ovi superprovodnici ponašaju vrlo slično, njiihovo objašnjenje je i danas otvoreno pitanje u nauci.^[7]

Teorije superprovodnosti

Istorijski, postoje tri teorije superprovodnosti:

Londonova teorija - fenomenološka teorija
Ginzburg-Londonova - Lodnonova fenomenološka teorija koja se oslanja na Ginzburgovu teoriju faznih prelaza 2. reda
BCS teorija superprovodnosti (BCS) po fizičarima Bardvinu, Kuperu i Šriferu - mikroskopska teorija u kojoj Hamiltonijan ipak nije pravi, već je određen u aproksimaciji srednjeg polja. BCS teorija se primenjuje u dve varijante:
- varijaciono preko BCS talasne funkcije i
- dijagonalizacijom Hamiltonijana preko Bogoljubovljevih kanonskih transformacija

Podela

Superprovodnost se pojavljuje kod raznih materijala, uključujući i jednostavne elemente poput kalaja i aluminijuma, neke matalne legure, i visokodopirane poluprovodnike, kao i izvesna keramička jedinjenja koja sadrže nešto atoma bakra i kiseonika. Druga vrsta jedinjenja, poznata kao kuprati, su visokotemperaturni superprovodnici. Superprovodnost se ne pojavljuje kod plemenitih metala poput zlata i srebra, niti kod feromagnetnih metala poput gvožđa (mada gvožđe može da se pretvoriti u superprovodnik ako se podvrgne vrlo visokim pritiscima).

Pored klasičnih superprovodnika, postoji i klasa materijala, poznata kao nekonvencionalni superprovodnici, kod koje se javlja superprovodnost, ali čija su fizička svojstva u suprotnosti sa teorijom konvencionalnih superprovodnika. Naime, visokotemperaturni superprovodnici, otkriveni 1986, pokazuju osobinu superprovodljivosti na temperaturama daleko višim nego što bi to bilo moguće po konvencionalnoj teoriji (ipak, ova temperatura je još uvek daleko ispod sobne temperature). Trenutno ne postoji celovita teorija visokotemperaturne superprovodnosti.

Primeri superprovodljivih materijala
Supstanca	Kritična temperatura u K	Kritična temperatura u °C
volfram ^[8]	0,012	−273,139
galijum ^[8]	1,091	−272,059
aluminijum	1,14	−272,01
živa ^[8]	4,153	−268,997
tantal ^[8]	4,483	−268,667
olovo ^[8]	7,193	−265,957
niobijum ^[8]	9,5	−263,65
AuPb	7,0	−266,15
Tehnicijum	11,2	−266,07
MoN	12,0	−261,15
PbMo₆S₈	15	−258,15
K₃C₆₀	19	−254,15
Nb₃Ge	23	−250,15
La₂CuO₄	35	−238,15
MgB₂	39	−234,15
Cs₃C₆₀	40	−233,15
Bi₂Sr₂CaCu₂O₈	92	−181,15
YBa₂Cu₃O_7-x; x ~ 0,2 ^[9]	93	−180,15
Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀	110	−163,15
HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x^[9]	133	−140,15

Objašnjenje pojave

Spareni elektroni ne mogu individualno dobiti ili izgubiti male količine energije, kao što bi mogli u delimično popunjenoj provodnoj zoni. Njihovo sparivanje stvara energijski procep u dozvoljenim kvantnim nivoima, a na niskim temperaturama ne postoji dovoljno energije sudara da se ovaj procep preskoči. Prema tome elektroni mogu slobodno da se kreću kroz kristal bez ikakve razmene energije kroz sudare, to jest sa nultim otporom.

Primena

Video snimak supermagneta YBCO, koji lebdi iznad magnetne šine

Jedna od mogućih koristi superprovodnika je ta što bi pomoću njih bilo moguće da se električna energija čuva dugo vremena, praktično bez utrošaka. Ipak da bi se superprovodnici koristili u praksi, potrebno je da „funkcionišu“ na temperaturama približnim sobnim (inače bi ih utrošak energije za hlađenje učinio nepraktičnim). Zato već dugi niz godina naučnici rade na stvaranju superprovodnika koji rade na sve višim temperaturama.

Reference

^ Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. str. 1—2. ISBN 9781108428415.
^ Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. str. 7. ISBN 9780470026434.
^ John Bardeen; Leon Cooper; Schriffer, J. R. (1. 12. 1957). Theory of Superconductivity. Physical Review. 108. str. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. ISBN 978-0-677-00080-0. S2CID 73661301. doi:10.1103/physrev.108.1175. Pristupljeno 6. 6. 2014. reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov . The Theory of Superconductivity, Vol. 4. CRC Press. 1963. str. 73. ISBN 0677000804.
^ John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th izd.). Infobase Publishing. str. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.
^ Gallop, John C. (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. str. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.
^ Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. str. 102—103. ISBN 978-0-7503-0721-5.
^ Tinkham 1996, str. 1–16.
^ ^a ^b ^v ^g ^d ^đ Kittel 1996.
^ ^a ^b Schwaigerer et al. 2002, str. 108–124.

Literatura

Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. str. 7. ISBN 9780470026434.
Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. str. 1—2. ISBN 9781108428415.
Kittel, Charles (1996). Introduction to Solid State Physics (7. izd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-11181-8.
Schwaigerer, F.; Sailer, B.; Glaser, J.; Meyer, H. J. (2002). Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit. Chemie in unserer Zeit. 36 (2. izd.). str. 108—124. doi:10.1002/1521-3781(200204)36:2<108::AID-CIUZ108>3.0.CO;2-Y.
Tinkham, Michael (1996). Uvod u superprovodnost. str. 1—16. 0-07-064878-6.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (2003). University Physics (11th izd.). ISBN 978-0-8053-8684-4.
Hagen Kleinert (1989). „Superflow and Vortex Lines”. Gauge Fields in Condensed Matter. 1. World Scientific. ISBN 978-9971-5-0210-2.
Anatoly Larkin; Andrei Varlamov (2005). Theory of Fluctuations in Superconductors. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-852815-9.
Lebed, A. G. (2008). The Physics of Organic Superconductors and Conductors. 110 (1st izd.). Springer. ISBN 978-3-540-76667-4.
Jean Matricon; Georges Waysand; Charles Glashausser (2003). The Cold Wars: A History of Superconductivity. Rutgers University Press. ISBN 978-0-8135-3295-0.
„Physicist Discovers Exotic Superconductivity”. ScienceDaily. 17. 8. 2006.
Michael Tinkham (2004). Introduction to Superconductivity (2nd izd.). Dover Books. ISBN 978-0-486-43503-9.
Terry Orlando; Kevin Delin (1991). Foundations of Applied Superconductivity. Prentice Hall. ISBN 978-0-201-18323-8.
Paul Tipler; Ralph Llewellyn (2002). Modern Physics (4th izd.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.
Shane M. O'Mahony; University of Oxford (2022). „On the electron pairing mechanism of copper-oxide high temperature superconductivity”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (37): e2207449119. Bibcode:2022PNAS..11907449O. arXiv:2108.03655 . doi:10.1073/pnas.2207449119.
Charlie Wood, Quanta Magazine (2022). "High-Temperature Superconductivity Understood at Last"
Nagamatsu, Jun; Nakagawa, Norimasa; Muranaka, Takahiro; Zenitani, Yuji; Akimitsu, Jun (1. 3. 2001). „Superconductivity at 39 K in magnesium diboride”. Nature. 410 (6824): 63—64. Bibcode:2001Natur.410...63N. PMID 11242039. doi:10.1038/35065039. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
Datars, W. R.; Morgan, K. R.; Gillespie, R. J. (1983). „Superconductivity of Hg₃NbF₆ and Hg₃TaF₆”. Phys. Rev. B. 28: 5049—5052. Bibcode:1983PhRvB..28.5049D. doi:10.1103/PhysRevB.28.5049.
Einstein, A. (1922). „Theoretical remark on the superconductivity of metals”. arXiv:physics/0510251 .
London, F. W. (1960). „Macroscopic Theory of Superconductivity”. Superfluids. Structure of matter series. 1 (Revised 2nd izd.). Dover. ISBN 978-0-486-60044-4. By the man who explained the Meissner effect. pp. 34–37 gives a technical discussion of the Meissner effect for a superconducting sphere.
Saslow, W. M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Academic. str. 486–489. ISBN 978-0-12-619455-5. gives a simple mathematical discussion of the surface currents responsible for the Meissner effect, in the case of a long magnet levitated above a superconducting plane.
Tinkham, M. (2004). Introduction to Superconductivity. Dover Books on Physics (2nd izd.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9. A good technical reference.

Spoljašnje veze

[Combescot-1] Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. str. 1—2. ISBN 9781108428415.

[Fossheim-2] Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. str. 7. ISBN 9780470026434.

[3] John Bardeen; Leon Cooper; Schriffer, J. R. (1. 12. 1957). Theory of Superconductivity. Physical Review. 108. str. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. ISBN 978-0-677-00080-0. S2CID 73661301. doi:10.1103/physrev.108.1175. Pristupljeno 6. 6. 2014. reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov . The Theory of Superconductivity, Vol. 4. CRC Press. 1963. str. 73. ISBN 0677000804.

[Daintith-4] John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th izd.). Infobase Publishing. str. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.

[Gallop-5] Gallop, John C. (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. str. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.

[Durrant-6] Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. str. 102—103. ISBN 978-0-7503-0721-5.

[FOOTNOTETinkham19961–16-7] Tinkham 1996, str. 1–16.

[FOOTNOTEKittel1996-8] v ^g ^d ^đ Kittel 1996.

[FOOTNOTESchwaigererSailerGlaserMeyer2002108–124-9] Schwaigerer et al. 2002, str. 108–124.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

Normativna kontrola
Međunarodne	FAST
Državne	Španija Francuska BnF podaci Nemačka Izrael Sjedinjene Države Japan Češka
Ostale	Enciklopedija Britanika NARA