Không có bất kỳ kháng cự nào

Không có bất kỳ kháng cự nào

Alexey Levin
"Cơ học phổ biến" №8, 2011

Năm nay đánh dấu 100 năm kể từ khi phát hiện ra tính siêu dẫn.

Các nhà vật lý vào cuối thế kỷ 19 rất quan tâm đến độ dẫn điện của kim loại hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Trên tài khoản này có những giả thuyết khác nhau, nhưng khả năng ứng dụng của chúng gần bằng không tuyệt đối trông có vẻ nghi ngờ. Vào tháng 12 năm 1910, Kamerlingh Onnes, cùng với Cornelis Dorsman và Gilles Holst, bắt đầu thí nghiệm. Trước hết, họ đo sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở của dây bạch kim được làm mát bằng helium lỏng. Nó bật ra rằng nó giảm với nhiệt độ, nhưng dưới 4,25 K nó trở nên không đổi. Kamerlingh Onnes tin rằng một kim loại tinh khiết về mặt hóa học gần bằng không tuyệt đối phải chảy tự do, và giải thích tính kháng còn lại với ảnh hưởng của tạp chất. Trong tương lai, ông quyết định sử dụng thủy ngân, có thể được làm sạch bằng cách chưng cất lặp đi lặp lại trong chân không. Thủy ngân lỏng được đổ vào các mao mạch mỏng ở nhiệt độ phòng và được làm lạnh trong bộ điều chỉnh heli, sau đó điện trở của nó được đo. Vào ngày đáng chú ý ngày 8 tháng 4 năm 1911, Kamerlingh Onnes chỉ bị thuyết phục rằng khi nguội từ 4.3 đến 3 K, sức đề kháng của thủy ngân giảm xuống gần như bằng không.Trong một thí nghiệm lặp đi lặp lại vào ngày 11 tháng 5, ông phát hiện ra rằng thủy ngân mất điện trở khi làm lạnh đến 4.2 K (trên thực tế, quy mô nhiệt độ của nó không hoàn toàn chính xác, trên thực tế thủy ngân tinh khiết trở thành chất siêu dẫn ở 4,15 K).

Kamerlingh Onnes nhận ra rằng sự biến mất đột ngột của điện trở của thủy ngân (hoặc, ít nhất, nó rơi vào các giá trị không đo được) không có lời giải thích lý thuyết. Ông đã đi đến kết luận rằng thủy ngân đi vào một trạng thái mới, mà ông gọi là siêu dẫn (nhiệt độ của quá trình chuyển đổi như vậy bây giờ được gọi là quan trọng, Tc).

Sau đó, dưới sự lãnh đạo của Kamerlingh Onnes ở Leiden, bốn chất siêu dẫn khác đã được phát hiện – thiếc và chì (1912), thallium (1919) và indium (1923). Nhưng những khám phá thú vị nhất của phòng thí nghiệm của ông không phải vậy. Ngay từ mùa thu năm 1911, người ta quan sát thấy tính siêu dẫn của thủy ngân sụp đổ khi mật độ dòng điện tăng lên trên một giới hạn nhất định, tăng lên khi nhiệt độ giảm. Các thí nghiệm khác đã chỉ ra rằng khi dây siêu dẫn được gấp thành xoắn ốc, ngưỡng này giảm nhiều lần. Cuộn dây thiếc và dây dẫn được tạo ra cho những thí nghiệm này là những nam châm siêu dẫn đầu tiên trên thế giới.

Những kết quả này cho thấy tính siêu dẫn bị phá hủy bởi một từ trường (trong đó, ở cùng cường độ dòng điện bên trong solenoid, mạnh hơn nhiều so với chất dẫn điện tuyến tính). Kỳ lạ thay, Kamerlingh Onnes không nghĩ về khả năng này, giải thích sự biến mất của siêu dẫn bởi sự làm mát kém của các cuộn dây. Tuy nhiên, ông rất quan tâm đến ảnh hưởng của từ trường bên ngoài đối với hành vi của chất siêu dẫn. Bắt đầu những nghiên cứu này vào năm 1914, ông nhanh chóng bị thuyết phục rằng một lĩnh vực căng thẳng chỉ có vài trăm oersted dẫn đến những tác động tương tự như sưởi ấm, nghĩa là, loại bỏ tính siêu dẫn. Mặc dù Kamerlingh Onnes đã xây dựng một cách rõ ràng kết luận này và cho thấy giá trị ngưỡng của từ trường (trong thuật ngữ hiện đại, trường quan trọng Hc) tăng với nhiệt độ giảm như giá trị ngưỡng của mật độ hiện tại, ông không thấy sự liên kết giữa các hiện tượng này. Và chỉ vào năm 1916, nhà vật lí người Mỹ Francis Brigg Silsby đã đưa ra một giả thuyết rằng trong cả hai trường hợp, siêu dẫn bị phá hủy bởi từ trường, bất kể nguồn của nó.

Năm 1914, Kamerlingh Onnes định nghĩa lại sự xuất hiện của dòng siêu dẫn.Ở nhiệt độ phòng, cuộn dây dẫn được làm lạnh trong từ trường đến khoảng 2 K, sau đó trường được tạo ra bởi nam châm điện đã bị tắt. Một dòng cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây, trong đó, với từ trường của nó, giữ kim bị từ hóa treo trên cuộn dây. Theo các quan sát, trong khoảng thời gian một tiếng rưỡi, trong đó cuộn dây được giữ trong bộ điều nhiệt, cường độ dòng điện thực tế không giảm. Nếu nó không phải là siêu dẫn, thì hiện tại, tất nhiên, sẽ bị suy yếu trong một phần không đáng kể trong một giây.

Siêu dẫn và từ tính

Sau khi Kamerlingh Onnes, phòng thí nghiệm được lãnh đạo bởi Willem Keez và Vander de Haas. Vào cuối những năm 1920, họ phát hiện ra rằng không chỉ kim loại trở thành chất siêu dẫn, mà còn cả các hợp chất lưỡng kim, và từ trường ngưỡng của chúng có thể là hàng ngàn Oersted, cao gấp 10 lần so với kim loại nguyên chất. Họ cũng chứng minh rằng ứng dụng của từ trường bên ngoài làm giảm nhiệt độ tới hạn.

Vào thời điểm đó, nghiên cứu về tính siêu dẫn liên quan không chỉ ở Hà Lan. Khu phức hợp hóa lỏng heli thứ hai đã được đưa ra tại Đại học Toronto năm 1923, hai năm sau đó trong phòng thí nghiệm đông lạnh của Trung tâm Vật lý và Công nghệ Hoàng gia ở ngoại ô Charlottenburg của Berlin.Từ 1928 đến 1930, tính siêu dẫn của tantali, thori và niobi đã được tiết lộ ở đó. Và vào năm 1933, giám đốc phòng thí nghiệm Walter Meissner và trợ lý của ông, Robert Oxenfeld, đã tìm thấy một đặc tính nghịch lý trong các chất siêu dẫn, hiện được coi là cơ bản hơn khả năng truyền dòng điện mà không bị nhiễu.

Hiệu ứng Meissner-Oxenfeld, giống như siêu dẫn, được phát hiện tình cờ. Trong những ngày đó, các chất siêu dẫn chỉ được coi là dây dẫn lý tưởng với điện trở bằng không. Năm 1925, Gertrud de Haaz-Lorenz (vợ của Vander de Haas và con gái của nhà vật lý Hà Lan Hendrik Lorenz) đã tìm ra rằng trong các dòng vật liệu điện chỉ chảy trong lớp bề mặt dày khoảng 50 nm (ước tính hóa ra là cực kỳ chính xác). con số này là 40 nm). Một vài năm sau, các nhà vật lý Đức thu được kết quả tương tự. Meissner muốn thử nghiệm lý thuyết này bằng thí nghiệm. Vì không thể nhìn vào bên trong chất siêu dẫn, ông quyết định nghiên cứu các từ trường được tạo ra bởi các dòng siêu dẫn. Ở đây anh ta ngạc nhiên. Hóa ra là các chất siêu dẫn tương tác với từ trường theo một cách hoàn toàn khác với các dây dẫn lý tưởng nên tương tác với nó (xem thanh bên).Các thí nghiệm của Meissner và Oxenfeld cho thấy bên trong chất siêu dẫn từ trường trở thành 0, nghĩa là sự chuyển tiếp sang trạng thái siêu dẫn làm tăng tính diamam hoàn hảo (các chất bên trong từ trường bên ngoài bị suy yếu được gọi là nghịch từ). Những kết quả này trông hoàn toàn nghịch lý. Lặp đi lặp lại các thí nghiệm lặp lại khẳng định rằng các từ trường yếu không xâm nhập vào các chất siêu dẫn rắn, mặc dù chúng đi qua các vòng và các xylanh rỗng.

Hiệu ứng Meissner-Oxenfeld

Làm thế nào nên dây dẫn lý tưởng hành xử trong một từ trường? Lấy một mẫu kim loại với một hình học đơn giản (một quả bóng hoặc một hình trụ dài mỏng) và đặt nó trong một từ trường đồng nhất liên tục ở nhiệt độ phòng. Như được biết đến từ khóa học vật lý của trường, trường sẽ thâm nhập vào mẫu trong suốt độ dày của nó. Giảm nhiệt độ dưới mức quan trọng, sao cho mẫu ở trạng thái của dây dẫn lý tưởng. Sự chuyển đổi như vậy không hề ảnh hưởng đến từ trường, mà vẫn thâm nhập vào mẫu. Sau khi ngắt kết nối trường bên trong dây dẫn lý tưởng, từ trường được bảo toàn do sự xuất hiện của dòng cảm ứng (gọi lại quy tắc Lenz), nhưng trường ngoài thay đổi một cách tự nhiên.

Bây giờ chúng ta sẽ thực hiện các thao tác tương tự theo thứ tự ngược lại: đầu tiên làm nguội mẫu và sau đó bật từ trường. Một dây dẫn lý tưởng sẽ hoàn toàn đẩy ra các dòng điện từ và tạo ra các dòng cảm ứng che chắn trên bề mặt của nó. Tuy nhiên, sau khi tăng nhiệt độ và biến dây dẫn lý tưởng thành kim loại thông thường, từ trường sẽ lại thâm nhập vào mẫu.

Meissner và Oxenfeld trong các thí nghiệm với các bình chứa chì và thiếc nhận thấy rằng dự đoán này chỉ hoàn thành một nửa. Trong phiên bản thứ hai của trải nghiệm, chất siêu dẫn thực sự hoạt động như một dây dẫn lý tưởng nên Tuy nhiên, phiên bản đầu tiên (làm mát trong một từ trường liên tục) dẫn đến một kết quả hoàn toàn bất ngờ. Sau khi chuyển sang trạng thái siêu dẫn, mẫu hoàn toàn đẩy thông lượng từ, sao cho cảm ứng từ bên trong nó biến thành không. Có vẻ như trong trường hợp này, các dòng không giảm xóc cũng xuất hiện trên bề mặt của chất siêu dẫn, nó che chắn phần bên trong của nó từ từ trường bên ngoài. Các nhà thử nghiệm cũng tìm thấykhi ngắt kết nối tiếp theo của trường, mẫu sẽ mất từ ​​tính của nó. Nó sau đó các dòng biến mất, mặc dù chúng phải được bảo quản trong dây dẫn lý tưởng.

Cổ điển chết cuối

Sau cái chết của Onnes, lý thuyết lượng tử của kim loại và hợp kim đã được phát triển, hứa hẹn hy vọng cho một lời giải thích về tính siêu dẫn. Các nhà lý thuyết đẳng cấp thế giới như Werner Heisenberg và Wolfgang Pauli, Niels Bor và Hans Bethe, Lev Landau và Jacob Frenkel, Neville Mott và Hendrik Casimir đang tìm kiếm ông, và đây không phải là một danh sách đầy đủ. Tuy nhiên, tính siêu dẫn vẫn là một bí ẩn bất khả xâm phạm trong một thời gian dài. Một trong những người sáng lập lý thuyết lượng tử chất rắn, Felix Bloch, vào đầu những năm 1930, đã dự đoán rằng bất kỳ lý thuyết siêu dẫn nào cũng sẽ bị bác bỏ theo thời gian. Dự báo này kéo dài trong 20 năm.

Năm 1932, nhà lý thuyết người Hà Lan Ralph Kronig đã đề xuất một mô hình nhờ đó các electron trong chất siêu dẫn tạo thành một loại mạng tinh thể, nơi các chuỗi điện tử một chiều mang dòng điện tự do trượt. Hai năm sau, Cornelis Gorter và Hendrik Casimir đã phát triển ý tưởng này thành một lý thuyết.Cô lập luận rằng gần như bằng không tuyệt đối trong các chất siêu dẫn gần như tất cả các electron dẫn điện ngưng tụ thành một “pha tinh thể”, nhưng một phần nhỏ trong số chúng vẫn ở dạng khí tự do. Các electron "kết tinh" chuyển dòng vận chuyển mà không có điện trở, và "khí" vẫn bị phân tán bởi các dao động nhiệt và các khuyết tật mạng. Khi được gia nhiệt, phần khí tăng lên và đạt 100% ở nhiệt độ tới hạn. Mô hình Gorter và Casimir dựa trên nhiệt động lực học và điện động lực cổ điển, và cơ học lượng tử không được sử dụng trong nó. Mô hình này thậm chí có thể được một phần phù hợp với kết quả của các thí nghiệm, nhưng nó vẫn trông cực kỳ nhân tạo.

Nhiệm vụ của các nhà lý thuyết và trên thực tế là không dễ dàng. Để giải thích hợp lý hiệu ứng Meissner-Oxenfeld, người ta phải thừa nhận rằng khi chuyển sang trạng thái siêu dẫn trong một từ trường không đổi, các dòng bề mặt liên tục nảy sinh trong mẫu. Tuy nhiên, theo phương trình Maxwell cổ điển, dòng điện được tạo ra chỉ bằng những thay đổi trong từ trường.Lý thuyết về chất rắn cho rằng kết luận này là hoàn toàn đúng đối với các electron dẫn điện trong một kim loại thông thường. Nó vẫn giả định rằng các tàu sân bay hiện tại trong chất siêu dẫn ở trong một trạng thái kỳ lạ nào đó, để mô tả những mô hình mới là cần thiết.

Bước lượng tử đầu tiên

Mô hình đầu tiên vào năm 1934 được phát triển bởi Fritz và Heinz Londons, các nhà vật lí Đức di cư sang Anh sau khi Hitler lên nắm quyền. Các anh em nhà Luân Đôn làm việc tại Phòng thí nghiệm Clarendon tại Đại học Oxford, nơi mà thời điểm đó trung tâm đông lạnh đầu tiên của Anh đã được mở ra với một phức hợp để hóa lỏng heli. Họ đưa ra hai phương trình mô tả mối quan hệ giữa dòng siêu dẫn, cường độ điện trường và cảm ứng từ. Từ các phương trình này, từ trường bên ngoài lan truyền bên trong chất siêu dẫn chỉ trong một lớp rất mỏng, được gọi là độ sâu xâm nhập của London (50-500 nm).

Chất siêu dẫn loại I và loại II

Các kết quả thuyết phục nhất trong sự tương tác của các chất siêu dẫn và từ trường thu được dưới sự hướng dẫn của một nhà thử nghiệm đáng chú ý Lev Shubnikov ởphòng thí nghiệm đông lạnh của Viện Vật lý-Kỹ thuật Ucraina tại Kharkov, nơi năm 1933 một hóa lỏng hóa lỏng đã được lắp đặt. Shubnikov phát hiện ra rằng, không giống như các kim loại nguyên chất, các hợp kim siêu dẫn không có một, nhưng hai từ trường quan trọng – thấp hơn và phía trên (bây giờ chúng được chỉ định là Hc1 và Hc2). Từ trường ngoài nhỏ hơn Hc1, không thâm nhập vào hợp kim, và do đó nó hoạt động giống như một kim loại siêu dẫn tinh khiết. Với cường độ gia tăng hơn nữa, trường ngoài bắt đầu thâm nhập vào mẫu, nhưng điện trở của nó vẫn bằng không. Khi trường trở thành Hc2, hợp kim không còn là siêu dẫn. Trong phạm vi của các trường bên ngoài từ mức thấp tới mức quan trọng trên, một chất siêu dẫn ở trạng thái trung gian trong đó hiệu ứng Meissner-Oxenfeld không còn hoạt động nữa. Hai kim loại nguyên chất, vanadi và niobi, hoạt động tương tự. Có thể giải thích điều này chỉ sau 20 năm. Các chất siêu dẫn như vậy bây giờ được gọi là chất siêu dẫn loại II, và kim loại nguyên chất (và một số hợp kim), hoàn toàn tuân theo hiệu ứng Meissner, được phân loại là chất siêu dẫn loại I.

Lý thuyết của London là đỉnh cao của sự hiểu biết bản chất của siêu dẫn, đạt được trong nửa đầu của thế kỷ XX.Nó mô tả tốt hành vi của chất siêu dẫn trong từ trường ngoài, thấp hơn nhiều so với Hc (hoặc Hc1). Các phương trình của Luân Đôn không chứa hằng số Planck và do đó không liên quan chính thức đến vật lý lượng tử. Nhưng vào năm 1935, Fritz London đã đi đến kết luận rằng các electron trong chất siêu dẫn ở trạng thái lượng tử cố định, ở một mức độ nào đó tương tự như trạng thái của các electron trong quỹ đạo trong nguyên tử. Ông là người đầu tiên trên thế giới nhìn thấy trong siêu dẫn một hiện tượng lượng tử hoàn toàn có quy mô vĩ mô, đó là một ý tưởng mang tính cách mạng vào thời điểm đó. Năm 1948, ông đã chỉ ra rằng thông lượng từ tính được lượng tử hóa, nghĩa là, thâm nhập vào vòng siêu dẫn chỉ trong các phần hữu hạn, luôn bằng một lượng toàn bộ lượng tử sơ cấp của từ thông. Các thí nghiệm xác nhận lượng tử hóa thông lượng từ chỉ vào năm 1961.

Chiến tranh thế giới thứ hai gần như hoàn toàn gián đoạn nghiên cứu về tính siêu dẫn. Một cái gì đó đã được thực hiện ngay cả sau đó – ví dụ, vào năm 1941 ở Đức, siêu dẫn của niobium nitride với nhiệt độ kỷ lục cao 15 K đã được tìm thấy.Nhưng một bước đột phá thực sự trong lĩnh vực này xảy ra trong những năm 1960, khi các chất trở thành chất siêu dẫn có ý nghĩa nhiệt độ cao hơn.Nhưng về điều này, cũng như về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, hãy đọc một trong các số sau "PM".


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: