Historia om supraledning

Supraledning är fenomenet med vissa material som uppvisar noll elektriskt motstånd och utdrivning av magnetiska fält under en karakteristisk temperatur . Supraledningshistorien började med den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes upptäckt av supraledning i kvicksilver 1911. Sedan dess har många andra supraledande material upptäckts och teorin om supraledning har utvecklats . Dessa ämnen förblir aktiva studieområden inom den kondenserade materiens fysik .

Studiet av supraledning har en fascinerande historia, med flera genombrott som dramatiskt accelererat publicering och patentering inom detta område, som visas i figuren till höger och beskrivs i detaljer nedan. Anmärkningsvärt är att antalet icke-patentpublikationer om supraledare är mycket större än antalet patentfamiljer, vilket är karakteristiskt för en kommersiellt misslyckad teknologi.

Antalet patentfamiljer (i rött) och icke-patentpublikationer (i blått) om supraledning per år. De viktigaste genombrotten på området visas också som svarta vertikala linjer.
Med hjälp av Van der Waals tillståndsekvation kunde de kritiska punktparametrarna för gaser exakt förutsägas från termodynamiska mätningar gjorda vid mycket högre temperaturer . Heike Kamerlingh Onnes var influerad av Van der Waals verk.
1908 blev Heike Kamerlingh Onnes den första att tillverka flytande helium och detta ledde direkt till hans upptäckt 1911 av supraledning.
Heike Kamerlingh Onnes (till höger), upptäckaren av supraledning. Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz , Niels Bohr står till vänster om honom.

Utforska ultrakalla fenomen (till 1908)

James Dewar initierade forskning om elektriskt motstånd vid låga temperaturer. Dewar och John Ambrose Fleming förutspådde att vid absolut noll skulle rena metaller bli perfekta elektromagnetiska ledare (även om Dewar senare ändrade sin åsikt om motståndets försvinnande och trodde att det alltid skulle finnas något motstånd). Walther Hermann Nernst utvecklade termodynamikens tredje lag och konstaterade att absolut noll var ouppnåeligt. Carl von Linde och William Hampson , båda kommersiella forskare, ansökte nästan samtidigt om patent på Joule-Thomson-effekten för flytande av gaser . Lindes patent var klimaxen av 20 år av systematisk undersökning av etablerade fakta, med hjälp av en regenerativ motströmsmetod. Hampsons design var också av en regenerativ metod. Den kombinerade processen blev känd som Hampson-Linde-förtätningsprocessen .

Onnes köpte en Linde-maskin för sin forskning. Den 21 mars 1900 beviljades Nikola Tesla patent på medel för att öka intensiteten av elektriska svängningar genom att sänka temperaturen, vilket orsakades av sänkt motstånd. Inom detta patent beskriver det den ökade intensiteten och varaktigheten av elektriska svängningar hos en lågtemperaturresonanskrets . Man tror att Tesla hade tänkt att Lindes maskin skulle användas för att få fram kylmedlen.

En milstolpe uppnåddes den 10 juli 1908 när Heike Kamerlingh Onnes vid Leiden University i Nederländerna för första gången producerade flytande helium , som har en kokpunkt på 4,2 kelvin vid atmosfärstryck.

Plötsligt och fundamentalt försvinnande

Heike Kamerlingh Onnes och Jacob Clay undersökte Dewars tidigare experiment om minskning av motstånd vid låga temperaturer. Onnes började undersökningarna med platina och guld och ersatte dessa senare med kvicksilver (ett mer lättförädlat material). Onnes forskning om resistiviteten hos fast kvicksilver vid kryogena temperaturer åstadkoms genom att använda flytande helium som köldmedium. Den 8 april 1911, klockan 16:00 noterade Onnes "Kwik nagenoeg nul", vilket översätts som "[motstånd mot] kvicksilver nästan noll." Vid temperaturen 4,19 K observerade han att resistiviteten plötsligt försvann (mätanordningen Onnes använde visade inget motstånd). Onnes avslöjade sin forskning 1911, i en artikel med titeln " On the Sudden Rate at the Resistance of Mercury Disappears. " Onnes uppgav i den artikeln att det "specifika motståndet" blev tusentals gånger mindre i mängd i förhållande till den bästa ledaren vid ordinarie tid. temperatur. Onnes vände senare processen och fann att vid 4,2 K återgick motståndet till materialet. Nästa år publicerade Onnes fler artiklar om fenomenet. Inledningsvis kallade Onnes fenomenet " suprakonduktivitet " (1913) och antog först senare termen " supraledning ". För sin forskning tilldelades han Nobelpriset i fysik 1913.

Onnes genomförde ett experiment, 1912, om användbarheten av supraledning. Onnes införde en elektrisk ström i en supraledande ring och tog bort batteriet som genererade den. Vid mätning av den elektriska strömmen fann Onnes att dess intensitet inte minskade med tiden. Strömmen kvarstod på grund av det ledande mediets supraledande tillstånd.

Under efterföljande decennier hittades supraledning i flera andra material; 1913, bly vid 7 K, på 1930-talet niob vid 10 K och 1941 niobiumnitrid vid 16 K.

Gåtor och lösningar (1933–)

Nästa viktiga steg för att förstå supraledning inträffade 1933, när Walther Meissner och Robert Ochsenfeld upptäckte att supraledare drev ut applicerade magnetfält, ett fenomen som har kommit att kallas Meissner-effekten . År 1935 visade bröderna Fritz London och Heinz London att Meissner-effekten var en följd av minimeringen av den elektromagnetiska fria energin som bärs av supraledande ström. År 1950 utarbetades den fenomenologiska Ginzburg-Landau-teorin om supraledning av Lev Landau och Vitaly Ginzburg .

Ginzburg-Landau-teorin, som kombinerade Landaus teori om andra ordningens fasövergångar med en Schrödinger -liknande vågekvation, hade stor framgång i att förklara de makroskopiska egenskaperna hos supraledare. Alexei Abrikosov visade särskilt att Ginzburg-Landaus teori förutsäger uppdelningen av supraledare i de två kategorier som nu kallas typ I och typ II. Abrikosov och Ginzburg tilldelades 2003 Nobelpriset i fysik för sitt arbete (Landau dog 1968). Också 1950, Emanuel Maxwell och, nästan samtidigt, CA Reynolds et al. fann att den kritiska temperaturen för en supraledare beror på den isotopiska massan av det ingående elementet . Denna viktiga upptäckt pekade på elektron-fonon-interaktionen som den mikroskopiska mekanismen som ansvarar för supraledning.

BCS teori

Den kompletta mikroskopiska teorin om supraledning föreslogs slutligen 1957 av John Bardeen , Leon N. Cooper och Robert Schrieffer . Denna BCS-teori förklarade den supraledande strömmen som en superfluid av Cooper-par , elektronpar som interagerar genom utbyte av fononer . För detta arbete tilldelades författarna Nobelpriset i fysik 1972. BCS-teorin sattes på en fastare grund 1958, när Nikolay Bogolyubov visade att BCS-vågfunktionen, som ursprungligen hade härletts från ett variationsargument, kunde erhållas med hjälp av en kanonisk transformation av den elektroniska Hamiltonian . 1959 Lev Gor'kov att BCS-teorin reducerades till Ginzburg-Landau-teorin nära den kritiska temperaturen. Gor'kov var den första som härledde den supraledande fasevolutionsekvationen .

Little–Parks effekt

Little -Parks-effekten upptäcktes 1962 i experiment med tomma och tunnväggiga supraledande cylindrar utsatta för ett parallellt magnetfält . Det elektriska motståndet hos sådana cylindrar visar en periodisk svängning med det magnetiska flödet genom cylindern, perioden är h /2 e = 2,07×10 −15 V·s. Förklaringen från William Little och Ronald Parks är att resistanssvängningen speglar ett mer fundamentalt fenomen, dvs periodisk svängning av den supraledande kritiska temperaturen ( T c ). Detta är den temperatur vid vilken provet blir supraledande. Little-Parks-effekten är ett resultat av kollektivt kvantbeteende hos supraledande elektroner. Det återspeglar det allmänna faktum att det är fluxoiden snarare än flödet som kvantiseras i supraledare. Little-Parks-effekten visar att vektorpotentialen kopplas till en observerbar fysisk kvantitet, nämligen den supraledande kritiska temperaturen.

Kommersiell verksamhet

Huvudartikel: Tekniska tillämpningar av supraledning

Strax efter att ha upptäckt supraledning 1911, försökte Kamerlingh Onnes göra en elektromagnet med supraledande lindningar men fann att relativt låga magnetfält förstörde supraledning i de material han undersökte. Långt senare, 1955, lyckades George Yntema konstruera en liten 0,7 tesla järnkärna elektromagnet med supraledande niobtrådlindningar. Sedan, 1961, gjorde JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu och JH Wernick den häpnadsväckande upptäckten att vid 4,2 kelvin kunde en förening bestående av tre delar niob och en del tenn stödja en strömtäthet på mer än 100 000 ampere per kvadratcentimeter i ett magnetfält på 8,8 tesla. Trots att den är spröd och svår att tillverka har niobtenn sedan dess visat sig extremt användbar i supermagneter som genererar magnetfält så höga som 20 tesla. 1962 upptäckte Ted Berlincourt och Richard Hake att mindre spröda legeringar av niob och titan är lämpliga för applikationer upp till 10 tesla. Strax därefter började kommersiell produktion av niob-titan supermagnettråd hos Westinghouse Electric Corporation och på Wah Chang Corporation. Även om niob-titan har mindre imponerande supraledande egenskaper än niob-tenn, har niob-titan ändå blivit det mest använda "arbetshäst"-supermagnetmaterialet, till stor del en följd av dess mycket höga duktilitet och enkla tillverkning. Men både niob-tenn och niob-titan finner bred användning i medicinska MRI-bildapparater, böjnings- och fokusmagneter för enorma högenergipartikelacceleratorer och en mängd andra tillämpningar. Conectus, ett europeiskt konsortium för supraledning, uppskattade att 2014 uppgick den globala ekonomiska aktiviteten, för vilken supraledning var oumbärlig, till cirka fem miljarder euro, med MRI-system som stod för cirka 80 % av den totala summan.

1962 gjorde Brian Josephson den viktiga teoretiska förutsägelsen att en superström kan flöda mellan två stycken supraledare åtskilda av ett tunt lager av isolator. Detta fenomen, nu kallat Josephson-effekten , utnyttjas av supraledande enheter som SQUIDs . Den används i de mest exakta tillgängliga mätningarna av det magnetiska flödet kvant h /2 e , och därmed (kopplat med kvant Hall resistivitet ) för Plancks konstant h . Josephson tilldelades Nobelpriset i fysik för detta arbete 1973.

År 1973 fann Nb
3 Ge att ha T c på 23 K, vilket förblev det högsta omgivningstrycket T c fram till upptäckten av cuprate högtemperatursupraledare 1986 (se nedan).

Högtemperatursupraledare

Huvudartikel: Högtemperatursupraledare
Superledarens tidslinje

1986 upptäckte J. Georg Bednorz och K. Alex Mueller supraledning i ett lantanbaserat kupratperovskitmaterial , som hade en övergångstemperatur på 35 K (Nobelpriset i fysik, 1987) och var den första av högtemperatursupraledarna . Man fann kort tid (av Ching-Wu Chu ) att ersättning av lantanet med yttrium , dvs framställning av YBCO , höjde den kritiska temperaturen till 92 K, vilket var viktigt eftersom flytande kväve sedan kunde användas som köldmedium (vid atmosfärstryck, kokpunkten). kvävepunkten är 77 K). Detta är viktigt kommersiellt eftersom flytande kväve kan produceras billigt på plats utan råmaterial, och är inte utsatt för vissa av problemen (fasta luftpluggar, etc.) med helium i rörledningar. Många andra cuprate supraledare har sedan dess upptäckts, och teorin om supraledning i dessa material är en av de största enastående utmaningarna för teoretisk kondenserad materiens fysik .

hittades supraledning av magnesiumdiborid ( MgB
2 ) med T c = 39 K.

2008 upptäcktes oxypnictid eller järnbaserade supraledare , vilket ledde till en uppsjö av arbete i hopp om att studera dem skulle ge en teori om cuprate supraledare.

Under 2013 uppnåddes supraledning vid rumstemperatur i YBCO under pikosekunder, med korta pulser av infrarött laserljus för att deformera materialets kristallstruktur.

2017 föreslogs att oupptäckta superhårda material (t.ex. kritiskt dopade beta-titan Au) kan vara en kandidat för en ny supraledare med Tc, väsentligt högre än HgBaCuO (138 K), möjligen upp till 233 K, vilket skulle vara högre till och med än H 2 S. Mycket forskning tyder på att nickel dessutom kan ersätta koppar i vissa perovskiter, vilket ger en annan väg till rumstemperatur. Li+-dopade material kan också användas, dvs spinellbatterimaterialet LiTi 2 O x och gittertrycket kan öka Tc till över 13,8 K. LiHx har också teoretiserats att metallisera vid ett väsentligt lägre tryck än H och kan vara en kandidat för en Typ 1 supraledare.

Historiska publikationer

Uppsatser av HK Onnes

  • "Beständigheten hos rent kvicksilver vid heliumtemperaturer". Comm. Leiden . 28 april 1911.
  • "Försvinnandet av kvicksilvrets resistivitet". Comm. Leiden . 27 maj 1911.
  • "Om den plötsliga förändringen i hastigheten med vilken motståndet från kvicksilver försvinner". Comm. Leiden . 25 november 1911.
  • "Imitationen av en ampere molekylär ström eller en permanent magnet med hjälp av en supraledare". Comm. Leiden . 1914.

BCS teori

  •    Bardeen, J.; Cooper, LN; Schrieffer, JR (1957-12-01). "Teorin om supraledning" . Fysisk granskning . American Physical Society (APS). 108 (5): 1175–1204. Bibcode : 1957PhRv..108.1175B . doi : 10.1103/physrev.108.1175 . ISSN 0031-899X . S2CID 73661301 .

Andra nyckelpapper

Patent

  • Tesla, Nikola, US Patent 685 012 " Means for Increasing the Intensity of Electrical Oscillations ", 21 mars 1900.

Se även

Externa länkar och referenser

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_superconductivity&oldid=1141777555 "