מוליכות-על של מתכות, גילויה של הייקה קמרלינג-אונס

הראשון שנתקל בתופעה של מוליכות-על הייקה קמרלינג אוננס - פיזיקאי וכימאי הולנדי. שנת גילוי התופעה הייתה 1911. וכבר בשנת 1913 יקבל המדען את פרס נובל לפיזיקה על מחקריו.

כשערך מחקר על ההתנגדות החשמלית של כספית בטמפרטורות נמוכות במיוחד, הוא רצה לקבוע לאיזו רמה ההתנגדות של חומר לזרם חשמלי עלולה לרדת אם הוא ינוקה מזיהומים, ולהפחית ככל האפשר את מה שיכול להיות. שקוראים לו. » רעש תרמי «, כלומר להורדת הטמפרטורה של חומרים אלה. התוצאות היו בלתי צפויות ומדהימות. בטמפרטורות מתחת ל-4.15 K, התנגדות הכספית נעלמה פתאום לחלוטין!

להלן גרף של מה שצפה אונס.

באותם ימים, המדע כבר ידע לפחות כל כך הרבה זרם במתכות הוא זרימת אלקטרונים, המופרדים מהאטומים שלהם וכמו הגז הטעון נסחפים בשדה החשמלי.זה כמו רוח כאשר אוויר נע מאזור של לחץ גבוה לאזור של לחץ נמוך. רק עכשיו, במקרה של זרם, במקום אוויר, יש אלקטרונים חופשיים, והפרש הפוטנציאל בין קצוות החוט הוא אנלוגי להפרש הלחצים בדוגמה האוויר.

בדיאלקטריה זה בלתי אפשרי, כי האלקטרונים קשורים בחוזקה לאטומים שלהם וקשה מאוד לקרוע אותם ממקומם. ולמרות שבמתכות האלקטרונים היוצרים את הזרם נעים בחופשיות יחסית, הם מתנגשים מדי פעם במכשולים בצורת אטומים רוטטים ומתרחש סוג של חיכוך הנקרא התנגדות חשמלית.

אבל כאשר בטמפרטורה נמוכה במיוחד זה מתחיל להתבטא מוליכות על, אפקט החיכוך נעלם מסיבה כלשהי, ההתנגדות של המוליך יורדת לאפס, מה שאומר שהאלקטרונים נעים בחופשיות מוחלטת, ללא הפרעה. אבל איך זה אפשרי?

כדי למצוא את התשובה לשאלה זו, בילו פיזיקאים עשרות שנים במחקר. וגם היום, חוטים רגילים נקראים חוטים "רגילים", בעוד מוליכים במצב של התנגדות אפס נקראים "מוליכים על".

יש לציין שלמרות שמוליכים רגילים מורידים את ההתנגדות שלהם עם ירידה בטמפרטורה, נחושת, אפילו בטמפרטורה של כמה קלווין, לא הופכת למוליך-על, וכספית, עופרת ואלומיניום כן, ההתנגדות שלהם מתבררת כמאה טריליון לפחות. פעמים נמוך מזה של נחושת באותם תנאים.

ראוי לציין שאונס לא העלה טענות לא מבוססות שהתנגדות הכספית במהלך מעבר הזרם הפכה לאפסית בדיוק, ולא פשוט ירדה כל כך עד שאי אפשר היה למדוד אותה במכשירים של אותה תקופה.

הוא הקים ניסוי שבו הזרם בסליל מוליך-על הטבול בהליום נוזלי המשיך להסתובב לכל אורכו עד שהשד התאדה. מחט המצפן, שעקבה אחר השדה המגנטי של הסליל, לא סטתה כלל! ב-1950, ניסוי מדויק יותר מסוג זה יימשך שנה וחצי, והזרם לא יקטן בשום צורה, למרות פרק זמן כה ארוך.

בתחילה, ידוע כי ההתנגדות החשמלית של מתכת תלויה באופן משמעותי בטמפרטורה, אתה יכול לבנות גרף כזה לנחושת.

ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך האטומים רוטטים יותר.ככל שהאטומים רוטטים יותר, כך הם הופכים למכשול משמעותי יותר בנתיב האלקטרונים היוצרים את הזרם. אם הטמפרטורה של המתכת יורדת, ההתנגדות שלה תרד ותתקרב להתנגדות שיורית מסוימת R0. והתנגדות שיורית זו, כפי שהתברר, תלויה בהרכב וב"שלמות" של המדגם.

העובדה היא כי פגמים וזיהומים נמצאים בכל מדגם עשוי מתכת. תלות זו עניינה את Ones יותר מכל בשנת 1911, בתחילה הוא לא שאף למוליכות-על, אלא רק רצה להשיג תדר כזה של המוליך כדי למזער את ההתנגדות השיורית שלו.

באותן שנים היה קל יותר לטהר כספית, ולכן החוקר נתקל בה במקרה, למרות העובדה שפלטינה, זהב ונחושת הם מוליכים טובים יותר מכספית בטמפרטורות רגילות, פשוט קשה יותר לטהר אותם.

כשהטמפרטורה יורדת, המצב המוליך מתרחש בפתאומיות ברגע מסוים שבו הטמפרטורה מגיעה לרמה קריטית מסוימת. טמפרטורה זו נקראת קריטית, כאשר הטמפרטורה יורדת עוד יותר, ההתנגדות יורדת בחדות לאפס.

ככל שהדגימה טהורה יותר, הירידה חדה יותר, ובדגימות הטהורות ביותר ירידה זו מתרחשת במרווח של פחות ממאית המעלה, אך ככל שהדגימה מזוהמת יותר כך הירידה ארוכה יותר ומגיעה לעשרות מעלות, זה במיוחד ניכר ב מוליכים בטמפרטורה גבוהה.

הטמפרטורה הקריטית של הדגימה נמדדת באמצע מרווח הירידה החדה והיא אינדיבידואלית לכל חומר: לכספית 4.15K, לניוביום, 9.2K, לאלומיניום, 1.18K וכו'. סגסוגות הן סיפור נפרד, מוליכות העל שלהן התגלתה מאוחר יותר על ידי אונס: כספית עם זהב וכספית עם פח היו הסגסוגות המוליכות העל הראשונות שגילה.

כפי שהוזכר לעיל, המדען ביצע את הקירור עם הליום נוזלי. אגב, אונס השיג הליום נוזלי לפי השיטה שלו, שפותחה במעבדה מיוחדת משלו, שנוסדה שלוש שנים לפני גילוי תופעת מוליכות העל.

כדי להבין מעט את הפיזיקה של מוליכות-על, המתרחשת בטמפרטורה קריטית של המדגם כך שההתנגדות יורדת לאפס, יש להזכיר זאת. מעבר פאזה... המצב הרגיל, כאשר למתכת יש התנגדות חשמלית נורמלית, הוא הפאזה הרגילה. שלב מוליכות על - זהו המצב שבו למתכת יש התנגדות אפסית. מעבר פאזה זה מתרחש מיד לאחר הטמפרטורה הקריטית.

מדוע מתרחש מעבר השלב? במצב ה"נורמלי" הראשוני, האלקטרונים נוחים באטומים שלהם, וכאשר זרם זורם דרך חוט במצב זה, האנרגיה של המקור מתבזבזת כדי לאלץ כמה אלקטרונים לעזוב את האטומים שלהם ולהתחיל לנוע לאורך השדה החשמלי, למרות שהם נתקלים במכשולים מרצדים בדרכם.

כאשר החוט מקורר לטמפרטורה מתחת לטמפרטורה הקריטית ובמקביל נוצר דרכו זרם, נעשה נוח יותר לאלקטרונים (נוחי אנרגיה, זולים באנרגיה) להיות בזרם זה, ולחזור למקור. במצב "רגיל", יהיה צורך במקרה זה, לקבל אנרגיה נוספת מאיפשהו, אבל היא לא מגיעה משום מקום. לכן, המצב המוליך הוא כל כך יציב שחומר אינו יכול לעזוב אותו אלא אם כן הוא מחומם מחדש.

ראה גם:אפקט מייסנר והשימוש בו