מהי תופעת מוליכות העל? מוליכות-על היא תופעה בעלת התנגדות חשמלית אפסית ושחרור שדות שטף מגנטיים המתרחשים בחומרים מסוימים, הנקראים מוליכים-על, כאשר הם מקוררים מתחת לטמפרטורה קריטית אופיינית.
התופעה התגלתה על ידי הפיזיקאית ההולנדית הייקה קמרלינג-אונס ב-8 באפריל 1911 בליידן. כמו פרומגנטיות וקווים ספקטרליים אטומיים, מוליכות-על היא תופעה מכנית קוונטית. הוא מאופיין באפקט מייסנר - פליטה מלאה של קווי שדה מגנטי מתוך המוליך במהלך המעבר שלו למצב מוליך.
זו המהות של תופעת העל-מוליכות. הופעתו של אפקט מייסנר מצביעה על כך שלא ניתן להבין מוליכות-על כאידיאליזציה של מוליכות אידיאלית בפיזיקה הקלאסית.
מהי תופעת מוליכות-על
ההתנגדות החשמלית של מוליך מתכת יורדת בהדרגההורדת הטמפרטורה. במוליכים נפוצים כמו נחושת או כסף, הפחתה זו מוגבלת על ידי זיהומים ופגמים אחרים. אפילו ליד האפס המוחלט, מדגם אמיתי של מוליך רגיל מראה התנגדות מסוימת. במוליך-על, ההתנגדות יורדת בחדות לאפס כאשר החומר מתקרר מתחת לטמפרטורה הקריטית שלו. זרם חשמלי דרך לולאה של חוט מוליך יכול להישמר ללא הגבלה ללא מקור חשמל. זו התשובה לשאלה, מהי תופעת מוליכות העל.
היסטוריה
בשנת 1911, בזמן שחקרו את תכונות החומר בטמפרטורות נמוכות מאוד, גילו הפיזיקאי ההולנדי הייקה קמרלינג אונס וצוותו שההתנגדות החשמלית של כספית יורדת לאפס מתחת ל-4.2 K (-269 מעלות צלזיוס). זו הייתה התצפית הראשונה בתופעת העל-מוליכות. רוב היסודות הכימיים הופכים להיות מוליכים בטמפרטורות נמוכות מספיק.
מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת, חומרים עוברים למצב מוליך-על, המאופיין בשתי תכונות עיקריות: ראשית, הם אינם מתנגדים למעבר זרם חשמלי. כאשר ההתנגדות יורדת לאפס, זרם יכול להסתובב בתוך החומר ללא פיזור אנרגיה.
שנית, בתנאי שהם חלשים מספיק, שדות מגנטיים חיצוניים אינם חודרים אל המוליך העל, אלא נשארים על פני השטח שלו. תופעת גירוש שדה זו נודעה בשם אפקט מייסנר לאחר שנצפתה לראשונה על ידי פיזיקאי בשנת 1933.
שלושה שמות, שלוש אותיות ותיאוריה לא שלמה
פיזיקה רגילה לא נותנת מספיקהסברים על המצב המוליך, כמו גם תורת הקוונטים היסודית של המצב המוצק, הרואה את התנהגות האלקטרונים בנפרד מהתנהגותם של יונים בסריג גבישי.
רק בשנת 1957, שלושה חוקרים אמריקאים - ג'ון ברדין, ליאון קופר וג'ון שריפר יצרו את התיאוריה המיקרוסקופית של מוליכות-על. על פי תיאוריית ה-BCS שלהם, אלקטרונים מתחברים לזוגות באמצעות אינטראקציה עם תנודות סריג (מה שנקרא "פונונים"), וכך יוצרים זוגות קופר שנעים ללא חיכוך בתוך מוצק. ניתן לראות במוצק סריג של יונים חיוביים הטבולים בענן של אלקטרונים. כאשר אלקטרון עובר דרך הסריג הזה, היונים נעים מעט, ונמשכים על ידי המטען השלילי של האלקטרון. תנועה זו יוצרת אזור חיובי חשמלי, אשר בתורו מושך אלקטרון נוסף.
האנרגיה של האינטראקציה האלקטרונית חלשה למדי, ואדים יכולים להתפרק בקלות על ידי אנרגיה תרמית - כך שמוליכות-על מתרחשת בדרך כלל בטמפרטורות נמוכות מאוד. עם זאת, תיאוריית BCS אינה מספקת הסבר לקיומם של מוליכים בטמפרטורה גבוהה בסביבות 80 K (-193 מעלות צלזיוס) ומעלה, שעבורם חייבים להיות מעורבים מנגנוני קשירת אלקטרונים אחרים. היישום של תופעת מוליכות-על מבוסס על התהליך שלעיל.
טמפרטורה
בשנת 1986, חלק מהחומרים הקרמיים של קופרט-פרוסקיט נמצאו עם טמפרטורות קריטיות מעל 90 K (-183 מעלות צלזיוס). טמפרטורת צומת גבוהה זו היא תיאורטיתבלתי אפשרי עבור מוליך-על קונבנציונלי, מה שמוביל לכך שחומרים מכונה מוליכים בטמפרטורה גבוהה. חנקן נוזלי זמין לקירור רותח ב-77 K, ולפיכך מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות מאלה מקלה על ניסויים ויישומים רבים שפחות מעשיים בטמפרטורות נמוכות יותר. זו התשובה לשאלה באיזו טמפרטורה מתרחשת תופעת מוליכות העל.
Classification
ניתן לסווג מוליכים על לפי מספר קריטריונים התלויים בעניין שלנו בתכונות הפיזיקליות שלהם, בהבנה שיש לנו לגביהם, כמה יקר לקרר אותם או בחומר ממנו הם עשויים.
לפי המאפיינים המגנטיים שלו
מוליכים מסוג I: אלה שיש להם רק שדה קריטי אחד, Hc, ועוברים באופן פתאומי ממצב אחד למשנהו כאשר מגיעים אליו.
מוליכים מסוג II: בעלי שני שדות קריטיים, Hc1 ו-Hc2, שהם מוליכים מושלמים מתחת לשדה הקריטי התחתון (Hc1) ומשאירים לחלוטין את המצב המוליך מעל השדה הקריטי העליון (Hc2), כשהם במצב מעורב בין השדות הקריטיים.
כפי שאנחנו מבינים אותם לגביהם
מוליכים רגילים: אלה שניתן להסביר במלואם על ידי תיאוריית BCS או תיאוריות קשורות.
מוליכים לא שגרתיים: אלה שלא ניתן היה להסביר באמצעות תיאוריות כאלה, למשל: פרמיוניים כבדיםמוליכים על.
קריטריון זה חשוב מכיוון שתיאוריית ה-BCS מסבירה את תכונותיהם של מוליכים קונבנציונליים מאז 1957, אך מצד שני, לא הייתה תיאוריה מספקת להסביר את המוליכים הלא שגרתיים לחלוטין. ברוב המקרים, מוליכים מסוג I נפוצים, אך ישנם כמה יוצאי דופן, כגון ניוביום, שהוא גם נפוץ וגם סוג II.
לפי הטמפרטורה הקריטית שלהם
מוליכים בטמפרטורה נמוכה, או LTS: אלה שהטמפרטורה הקריטית שלהם מתחת ל-30 K.
מוליכים בטמפרטורה גבוהה, או HTS: אלה שהטמפרטורה הקריטית שלהם היא מעל 30 K. חלקם משתמשים כעת ב-77 K כהפרדה כדי להדגיש אם נוכל לקרר את הדגימה בחנקן נוזלי (שנקודת הרתיחה שלו היא 77 K), אשר הוא הרבה יותר ריאלי מהליום נוזלי (חלופה להגיע לטמפרטורות הדרושות לייצור מוליכים בטמפרטורה נמוכה).
פרטים נוספים
מוליך-על יכול להיות מסוג I, כלומר יש לו שדה קריטי בודד, שמעליו אבדה כל מוליכות-העל, ומתחתיו השדה המגנטי מתבטל לחלוטין מהמוליך. סוג II, כלומר יש לו שני שדות קריטיים שביניהם הוא מאפשר חדירה חלקית של השדה המגנטי דרך נקודות מבודדות. נקודות אלו נקראות מערבולות. בנוסף, במוליכי-על מרובי רכיבים, שילוב של שתי התנהגויות אפשרי. במקרה זה, המוליך העל הוא מסוג 1, 5.
Properties
רוב המאפיינים הפיזיקליים של מוליכי-על משתנים מחומר לחומר, כמו קיבולת חום וטמפרטורה קריטית, שדה קריטי וצפיפות זרם קריטית שבה מוליכות-על מתפרקת.
מצד שני, יש מחלקה של תכונות שאינן תלויות בחומר הבסיס. לדוגמה, לכל המוליכים יש התנגדות אפסית לחלוטין בזרמים מופעלים נמוכים, כאשר אין שדה מגנטי, או כאשר השדה המופעל אינו חורג מערך קריטי.
הנוכחות של מאפיינים אוניברסליים אלה מרמזת שמוליכות-על היא שלב תרמודינמי ולכן יש לה תכונות ייחודיות מסוימות שאינן תלויות במידה רבה בפרטים מיקרוסקופיים.
המצב שונה במוליך העל. במוליך-על קונבנציונלי, לא ניתן להפריד את נוזל האלקטרונים לאלקטרונים בודדים. במקום זאת, הוא מורכב מזוגות קשורים של אלקטרונים המכונים זוגות קופר. זיווג זה נגרם מכוח המשיכה בין אלקטרונים הנובע מחילופי פונונים. בשל מכניקת הקוונטים, לספקטרום האנרגיה של הנוזל הזה של צמד קופר יש פער אנרגטי, כלומר ישנה כמות מינימלית של אנרגיה ΔE שיש לספק כדי לעורר את הנוזל.
לכן, אם ΔE גדול מהאנרגיה התרמית של הרשת הניתנת על ידי kT, כאשר k הוא קבוע בולצמן ו-T הוא הטמפרטורה, הנוזל לא יתפזר על ידי הרשת. כךלפיכך, נוזל האדים של קופר הוא על-נוזל, מה שאומר שהוא יכול לזרום מבלי לפזר אנרגיה.
מאפייני מוליכות-על
בחומרים מוליכים-על, מאפייני מוליכות-על מופיעים כאשר הטמפרטורה T יורדת מתחת לטמפרטורה הקריטית Tc. הערך של טמפרטורה קריטית זו משתנה מחומר לחומר. למוליכים קונבנציונליים יש בדרך כלל טמפרטורות קריטיות הנעות בין כ-20 K עד פחות מ-1 K.
לדוגמה, לכספית מוצקה טמפרטורה קריטית של 4.2 K. נכון לשנת 2015, הטמפרטורה הקריטית הגבוהה ביותר שנמצאה עבור מוליך-על קונבנציונלי היא 203 K עבור H2S, אם כי נדרש לחץ גבוה של כ-90 ג'יגה-פסקל. לטמפרטורות קריטיות גבוהות בהרבה של קופראט יכולים להיות טמפרטורות קריטיות גבוהות בהרבה: ל-YBa2Cu3O7, אחד ממוליכי-הקופראט הראשונים שהתגלו, יש טמפרטורה קריטית של 92 K, ונמצאו קופרטים מבוססי כספית עם טמפרטורות קריטיות העולות על 130 K. ההסבר לטמפרטורות קריטיות גבוהות אלו נותר בעינו. לא ידוע.
זיווג אלקטרונים עקב חילופי פונון מסביר את מוליכות-על במוליכי-על קונבנציונליים, אך אינו מסביר את מוליכות-העל במוליכי-על חדשים יותר שיש להם טמפרטורה קריטית גבוהה מאוד.
שדות מגנטיים
באופן דומה, בטמפרטורה קבועה מתחת לטמפרטורה הקריטית, חומרים מוליכים-על מפסיקים להיות מוליכי-על כאשר מופעל שדה מגנטי חיצוני שגדול מ-שדה מגנטי קריטי. הסיבה לכך היא שהאנרגיה החופשית של גיבס של הפאזה המוליכה-על גדלה באופן ריבועי עם השדה המגנטי, בעוד שהאנרגיה החופשית של הפאזה הרגילה אינה תלויה בערך בשדה המגנטי.
אם החומר מוליך-על בהיעדר שדה, אזי האנרגיה החופשית של השלב המוליך-על קטנה מזו של הפאזה הרגילה, ולכן, עבור ערך סופי כלשהו של השדה המגנטי (פרופורציונלי לריבוע) שורש ההבדל באנרגיות החופשיות באפס), שתי האנרגיות החופשיות יהיו שוות, ויהיה מעבר פאזה לשלב הרגיל. באופן כללי יותר, טמפרטורה גבוהה יותר ושדה מגנטי חזק יותר מביאים לשיעור קטן יותר של אלקטרונים מוליכים-על ולפיכך לעומק גדול יותר של חדירה ללונדון של שדות וזרמים מגנטיים חיצוניים. עומק החדירה הופך אינסופי במעבר הפאזה.
Physical
תחילתה של מוליכות-על מלווה בשינויים פתאומיים במאפיינים פיזיקליים שונים, שהם סימן ההיכר של מעבר פאזה. לדוגמה, קיבולת החום האלקטרונית היא פרופורציונלית לטמפרטורה במשטר הרגיל (לא מוליך-על). במעבר מוליך-על, הוא חווה קפיצה ולאחר מכן הוא מפסיק להיות ליניארי. בטמפרטורות נמוכות, הוא משתנה במקום e−α/T עבור α קבוע כלשהו. התנהגות אקספוננציאלית זו היא אחת העדויות לקיומו של פער אנרגיה.
מעבר שלב
ההסבר לתופעה של מוליכות-על הוא דימובן מאליו. סדר מעבר השלב המוליך-על נדון במשך זמן רב. ניסויים מראים שאין מעבר מסדר שני, כלומר חום סמוי. עם זאת, בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, יש חום סמוי מכיוון שלפאזה המוליכה יש אנטרופיה נמוכה יותר, נמוכה מהטמפרטורה הקריטית, מהפאזה הרגילה.
הדגימה בניסוי את הדברים הבאים: כאשר השדה המגנטי גדל וחוצה את השדה הקריטי, מעבר הפאזה המתקבל מוביל לירידה בטמפרטורה של החומר המוליך-על. תופעת מוליכות העל תוארה בקצרה לעיל, עכשיו הגיע הזמן לספר לכם משהו על הניואנסים של האפקט החשוב הזה.
חישובים שנעשו בשנות ה-70 הראו שהוא למעשה יכול להיות חלש יותר מהסדר הראשון בגלל השפעתן של תנודות ארוכות טווח בשדה האלקטרומגנטי. בשנות ה-80, הוכח תיאורטית באמצעות תיאוריית שדות הפרעות, שבה קווי מערבולת מוליכים ממלאים תפקיד מרכזי, שהמעבר הוא מסדר שני במצב סוג II וסדר ראשון (כלומר, חום סמוי) במצב סוג I, וכן ששני האזורים מופרדים בנקודה טריקריטית.
התוצאות אושרו היטב על ידי הדמיות מחשב במונטה קרלו. זה מילא תפקיד חשוב בחקר התופעה של מוליכות-על. העבודה נמשכת בזמן הנוכחי. המהות של תופעת מוליכות העל אינה מובנת ומוסברת במלואה מנקודת המבט של המדע המודרני.
