Superconductividad
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La superconductividad es un fenómeno en cierto materiales generalmente a muy bajas temperaturas , caracterizado por exactamente cero resistencia eléctrica y la exclusión de la interior campo magnético (la Efecto Meissner).
La eléctrica resistividad de un metálicos conductor disminuye gradualmente a medida que se baja la temperatura. Sin embargo, en los conductores ordinarios tales como cobre y plata , impurezas y otros defectos imponer un límite inferior. Incluso cerca de cero absoluto una muestra real de cobre muestra una resistencia no-cero. La resistencia de un superconductor, por otro lado, cae abruptamente a cero cuando se enfría el material por debajo de su "temperatura crítica". Una corriente eléctrica que fluye en un bucle de alambre superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de energía. Como ferromagnetismo y líneas espectrales atómicas , la superconductividad es una mecánica cuántica fenómeno. No puede entenderse simplemente como la idealización de la " conductividad perfecta "en la física clásica.
La superconductividad se produce en una amplia variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y aluminio , diversos metálico aleaciones y algunos heavily- dopados semiconductores . La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata , ni en muestras puras de metales ferromagnéticos.
En 1986, el descubrimiento de una familia de cuprate- perovskita materiales cerámicos conocidos como superconductores de alta temperatura, con temperaturas críticas de más de 90 grados Kelvin, estimularon un renovado interés y la investigación en superconductividad por varias razones. Como un tema de investigación pura, estos materiales representan un nuevo fenómeno no explicado por la teoría actual. Y, debido a que el estado superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, más allá de la económicamente importante punto de ebullición de nitrógeno líquido (77 Kelvin), las aplicaciones más comerciales son factibles, especialmente si los materiales con incluso mayor crítico temperaturas podrían ser descubiertos.
Para la historia de la superconductividad ver aquí.
Propiedades elementales de los superconductores
La mayoría de las propiedades físicas de los superconductores puede variar de material a material, tal como el capacidad de calor y la temperatura crítica, campo crítico, y la densidad de corriente crítica en la que se destruye la superconductividad.
Por otro lado, hay una clase de propiedades que son independientes del material subyacente. Por ejemplo, todos los superconductores tienen exactamente resistividad cero a bajas corrientes aplicado cuando no hay campo magnético presente. La existencia de estas propiedades "universales" implica que la superconductividad es una fase termodinámica , y por lo tanto poseen ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microscópicos.
Cero eléctrico "dc" resistencia
El método más simple para medir la resistencia eléctrica de una muestra de algún material es colocarlo en una circuito eléctrico en serie con una fuente de corriente I y medir la resultante voltaje V a través de la muestra. La resistencia de la muestra está dada por La ley de Ohm como 
. Si la tensión es cero, esto significa que la resistencia es cero y que la muestra está en el estado superconductor.
Los superconductores también son capaces de mantener una corriente sin tensión aplicada en absoluto, una propiedad explotada en superconductor electroimanes tales como los encontrados en Máquinas de resonancia magnética. Los experimentos han demostrado que las corrientes en bobinas superconductoras pueden persistir durante años sin ninguna degradación mensurable. Experimentales evidencia apunta a un curso de la vida corriente de al menos 100.000 años, y las estimaciones teóricas de la vida útil de una corriente persistente exceden la vida útil estimada del universo .
En un conductor normal, una corriente eléctrica puede ser visualizado como un fluido de electrones que se mueven a través de una pesada iónica de celosía. Los electrones están constantemente colisionando con los iones en la red, y durante cada colisión algunos de la energía transportada por la corriente es absorbida por la celosía y se convierten en calor , que es esencialmente la vibración de la energía cinética de los iones de la red. Como resultado, la energía transportada por la corriente está siendo constantemente disipa. Este es el fenómeno de la resistencia eléctrica.
La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónica no se puede resolver en electrones individuales. En su lugar, se compone de pares ligados de electrones conocidos como Pares de Cooper. Este emparejamiento es causada por una fuerza de atracción entre los electrones del intercambio de fonones. Debido a la mecánica cuántica , la espectro de energía de este fluido par de Cooper posee una brecha de energía, es decir, hay una cantidad mínima de energía AE que debe suministrarse con el fin de excitar el fluido. Por lo tanto, si? E es más grande que el energía térmica de la red, dado por kT, donde k es La constante de Boltzmann y T es la temperatura , el fluido no será dispersada por la red. El fluido par de Cooper es, pues, un superfluido, lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.
En una clase de superconductores conocidos como II superconductores de tipo, incluidos todos conocida superconductores de alta temperatura, una cantidad extremadamente pequeña de la resistividad aparece a temperaturas no demasiado lejos por debajo de la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica en conjunción con un fuerte campo magnético, que puede ser causada por la corriente eléctrica. Esto es debido al movimiento de los vórtices en el superfluido electrónico, que disipa algo de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es suficientemente pequeño, los vórtices son estacionarias, y la resistividad se desvanece. La resistencia debido a este efecto es pequeño en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en los experimentos sensibles. Sin embargo, al disminuir la temperatura lo suficientemente por debajo de la transición superconductora nominal, estos vórtices pueden llegar a ser congelado en una fase desordenada, pero estacionaria conocido como un "vórtice de vidrio". Por debajo de esta temperatura de transición vítrea de vórtice, la resistencia del material se vuelve verdaderamente cero.
Transición de fase superconductora
En los materiales superconductores, las características de la superconductividad aparecen cuando la temperatura T se baja por debajo de una temperatura crítica T c. El valor de esta temperatura crítica varía de un material a otro. Superconductores convencionales suelen tener temperaturas críticas que van desde alrededor de 20 K ( Kelvin ) a menos de 1 K. sólido de mercurio , por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 4.2 K. A partir de 2001 , la más alta temperatura crítica encontrado para un superconductor convencional es de 39 K para diboruro de magnesio (MgB 2), aunque este material presenta suficientes propiedades exóticas de que existen dudas acerca de clasificarlo como un superconductor "convencional". Superconductores de cuprato pueden tener mucho más altas temperaturas críticas: YBa 2 Cu 3 O 7, uno de los primeros superconductores de cuprato a ser descubierto, tiene una temperatura crítica de 92 K, y cupratos base de mercurio se han encontrado con temperaturas críticas de más de 130 K. La explicación para estas temperaturas altas restos críticos desconocido. Electron emparejamiento debido a intercambios fonones explica la superconductividad en los superconductores convencionales, pero no explica la superconductividad en los superconductores nuevos que tienen una muy alta temperatura crítica.
El inicio de la superconductividad se acompaña de cambios abruptos en diversas propiedades físicas, que es el sello de una transición de fase. Por ejemplo, la electrónica capacidad de calor es proporcional a la temperatura en la (no superconductor) régimen normal. En la transición superconductora, sufre un salto discontinuo y a partir de entonces deja de ser lineal. A bajas temperaturas, que varía en cambio, como e -α / T para algunos α constante. Este comportamiento exponencial es una de las piezas de evidencia para la existencia de la brecha de energía.
La fin de la transición de fase superconductora fue durante mucho tiempo un tema de debate. Los experimentos indican que la transición es de segundo orden, lo que significa que no hay calor latente. Los cálculos en la década de 1970 sugirieron que en realidad puede ser débilmente primer orden debido al efecto de las fluctuaciones a largo plazo en el campo electromagnético. Sólo recientemente se demostró teóricamente con la ayuda de una trastorno de la teoría de campo, en el que la líneas de vórtice del superconductor desempeñan un papel importante, que la transición es de segundo orden dentro del régimen de tipo II y de primer orden (es decir, calor latente) dentro del régimen de tipo I, y que las dos regiones están separadas por una punto tricritical.
Efecto Meissner
Cuando un superconductor se coloca en un débil externa campo magnético H, el campo penetra en el superconductor por sólo una corta distancia λ, llamada London profundidad de penetración, después de lo cual decae rápidamente a cero. Esto se llama el Efecto Meissner, y es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración Londres es del orden de 100 nm.
El efecto Meissner es a veces confundido con el tipo de diamagnetism uno esperaría en un conductor eléctrico perfecto: según La ley de Lenz, cuando un campo magnético variable se aplica a un conductor, induce una corriente eléctrica en el conductor que crea un campo magnético opuesto. En un conductor perfecto, una corriente arbitrariamente grande puede ser inducida, y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.
El efecto Meissner es distinto de esto porque un superconductor expulsa todos los campos magnéticos, no sólo a aquellos que están cambiando. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magnético interno constante. Cuando se enfría el material por debajo de la temperatura crítica, se podría observar la expulsión brusca del campo magnético interno, que no esperaríamos en base a la ley de Lenz.
El efecto Meissner fue explicado por los hermanos Fritz y Heinz Londres, que mostró que la electromagnética energía libre en un superconductor se minimiza proporcionado
donde H es el campo magnético y λ es la profundidad de penetración de Londres.
Esta ecuación, que se conoce como la Ecuación Londres, predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente desde cualquier valor que posee en la superficie.
El efecto Meissner se rompe cuando el campo magnético aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases de acuerdo a cómo se produce este avería. En los superconductores de tipo I, se destruye la superconductividad abruptamente cuando la fuerza del campo aplicado se eleva por encima de un valor crítico H c. Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio que consiste de las regiones de material normal que llevan un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor que contiene ningún campo. En los superconductores de tipo II, elevando el campo aplicado más allá de un valor crítico Hc 1 conduce a un estado mixto en el que una cantidad cada vez mayor de flujo magnético penetra en el material, pero no queda ninguna resistencia al flujo de corriente eléctrica, siempre y cuando la corriente no es demasiado grande. En una segunda intensidad de campo crítico Hc 2, se destruye la superconductividad. El estado mixto es en realidad causada por los vórtices en el superfluido electrónica, a veces llamado fluxons porque el flujo transportado por estos vórtices es cuantizada. La mayoría de los puros elementales superconductores, a excepción de niobio , tecnecio , vanadio y los nanotubos de carbono, son de tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestas son de tipo II.
Momento en Londres
A la inversa, un superconductor en rotación genera un campo magnético, precisamente alineada con el eje de giro. El efecto, la Momento en Londres, fue puesto a buen uso en Gravity Probe B. Este experimento mide los campos magnéticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar sus ejes de giro. Esto era fundamental para el experimento, ya que es una de las pocas formas de determinar con precisión el eje de giro de una esfera de otro modo sin rasgos.
Las teorías de la superconductividad
Desde el descubrimiento de la superconductividad, grandes esfuerzos se han dedicado a averiguar cómo y por qué funciona. Durante la década de 1950, teóricos de la materia condensada físicos llegaron a un entendimiento sólido de la superconductividad "convencional", a través de un par de teorías notables e importantes: la fenomenológica Teoría Ginzburg-Landau (1950) y la microscópica Teoría BCS (1957). Las generalizaciones de estas teorías son la base para la comprensión del fenómeno estrechamente relacionado de superfluidez, porque caen en la Lambda transición clase de universalidad, pero el grado en que las generalizaciones similares se pueden aplicar a superconductores no convencionales, así sigue siendo controvertido. La extensión de cuatro dimensiones de la Teoría Ginzburg-Landau, el Modelo de Coleman-Weinberg, es importante en la teoría cuántica de campos y la cosmología .
Historia de la superconductividad
La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, que estaba estudiando la resistencia del sólido de mercurio en temperaturas criogénicas utilizando el líquido recién descubierto helio como refrigerante. A la temperatura de 4,2 K, observó que la resistencia desapareció abruptamente. En las décadas siguientes, la superconductividad se encuentra en otros materiales. En 1913, el plomo se encontró que superconducir a 7 K, y en 1941 nitruro de niobio se encontró que superconducir a 16 K.
El siguiente paso importante en la comprensión de la superconductividad se produjo en 1933, cuando Meissner y Ochsenfeld descubrió que los superconductores expulsados campos magnéticos aplicados, un fenómeno que ha llegado a ser conocido como el Efecto Meissner. En 1935, F. y H. Londres mostró que el efecto Meissner fue una consecuencia de la minimización de la electromagnético energía libre llevado por superconductor actual.
En 1950, la fenomenológica Teoría Ginzburg-Landau de la superconductividad fue ideado por Landau y Teoría Ginzburg.This, que combina la teoría de segundo orden de Landau transiciones de fase con un Ecuación de onda de Schrödinger-como, tenido un gran éxito en la explicación de las propiedades macroscópicas de los superconductores. En particular, Abrikosov demostró que la teoría Ginzburg-Landau predice la división de los superconductores en las dos categorías ya mencionadas como Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg fueron galardonados con el 2003 Premio Nobel por su trabajo (Landau había muerto en 1968).
También en 1950, Maxwell y Reynolds et al. Encontraron que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del componente de elemento . Este importante descubrimiento señaló el electrón - la interacción de fonones como el mecanismo microscópico responsable de la superconductividad.
La teoría microscópica completa de la superconductividad fue finalmente propuesto en 1957 por Bardeen, Cooper, y Schrieffer. Independientemente, el fenómeno de la superconductividad se explica por Nikolay Bogolyubov. Este Teoría BCS explicó la actual superconductor como un superfluido de Pares de Cooper, pares de electrones que interactúan a través del intercambio de fonones. Para este trabajo, los autores fueron galardonados con el Premio Nobel en 1972.
La teoría BCS se encuentra en una posición más firme en 1958, cuando Bogoliubov mostró que la función de onda BCS, que originalmente había sido derivado de un argumento variacional, se podría obtener mediante una transformación canónica de la electrónica Hamiltoniano. En 1959, Lev Gor'kov mostró que la teoría BCS reducido a la teoría Ginzburg-Landau cerca de la temperatura crítica.
En 1962, el primer cable superconductor comercial, una aleación de niobio-titanio, fue desarrollado por investigadores de la Westinghouse. En el mismo año, Josephson hizo la predicción teórica importante que un supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una fina capa de aislante. Este fenómeno, que ahora se llama la Efecto Josephson, es explotada por los dispositivos superconductores como SQUID. Se utiliza en las mediciones disponibles más precisas de la cuanto de flujo magnético 
, Y por lo tanto (junto con el Hall cuántico resistividad) para H la constante de Planck. Josephson fue galardonado con el Premio Nobel por este trabajo en 1973.
Superconductividad de alta temperatura
Hasta 1986, los físicos creían que la teoría BCS prohibió superconductividad a temperaturas por encima de 30 K. En ese año, Bednorz y Müller descubrió la superconductividad en una de lantano basado en cuprato material de perovskita, que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel de Física, 1987). Fue encontrado por poco MK Wu et al. que la sustitución del lantano con itrio , es decir, hacer YBCO, planteó la temperatura crítica de 92 K, que era importante porque nitrógeno líquido podría entonces ser utilizado como un refrigerante (a presión atmosférica, el punto de ebullición del nitrógeno es 77 K). Esto es importante comercialmente porque el nitrógeno líquido se puede producir a bajo costo en el lugar sin materias primas, y no es propenso a algunos de los problemas (tapones de aire sólidos, etcétera) de helio en la tubería. Muchos otros superconductores de cuprato ya que se han descubierto, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales retos pendientes de teórica física de la materia condensada .
Desde aproximadamente 1993 el más alto superconductor temperatura era de un material cerámico que consta de talio, mercurio, cobre, bario, calcio y oxígeno, con T c = 138 K.
En febrero de 2008 se descubrió una familia a base de hierro de los superconductores de alta temperatura. Hideo Hosono del Instituto de Tecnología de Tokio y sus colegas encontraron que el arseniuro de hierro flúor oxígeno lantano (Lao-1 x F x Feas) un oxypnictide se convierte en un superconductor a 26 Kelvin. Las investigaciones posteriores de otros grupos sugiere que la sustitución del lantano en LaO 1-x F x Feas con otros elementos de tierras raras como el cerio, samario, neodimio y praseodimio lleva a superconductores que trabajan en 52 K. Los expertos esperan que tenga otra familia para estudiar voluntad simplificar la tarea de explicar cómo funcionan estos materiales.
Clasificación
No es sólo un criterio para clasificar los superconductores. Los más comunes son:
- Por sus propiedades físicas: pueden ser Tipo I (si su transición de fase es de primer orden) o Tipo II (si su transición de fase es de segundo orden).
- Por la teoría de explicarlos: pueden ser convencional (si es que se explican por la teoría BCS o sus derivados) o no convencional (si no).
- Por su temperatura crítica: pueden ser alta temperatura (generalmente se considera si llegan al estado superconductor sólo les enfriamiento con nitrógeno líquido, es decir, si T c> 77K), o baja temperatura (generalmente si necesitan otras técnicas para ser enfriados bajo su temperatura crítica).
- Por el material: pueden ser elementos químicos (como el mercurio o el plomo ), aleaciones (como niobio-titanio o germanio-niobio), cerámicas (como se YBCO o la diboruro de magnesio), o superconductores orgánicos (como fullerens o Los nanotubos de carbono, que técnicamente podrían incluirse entre los elementos químicos como los que están hechos de carbono ).
Aplicaciones
Imanes superconductores son algunos de los más poderosos electroimanes conocidos. Se utilizan en los trenes de levitación magnética , RM y Máquinas de RMN y los imanes de dirección del haz utilizados en aceleradores de partículas. También pueden ser utilizados para la separación magnética, donde las partículas débilmente magnéticas se extraen de un fondo de partículas de menos o no magnéticas, como en los pigmentos industrias.
Los superconductores también se han utilizado para hacer circuitos digitales (por ejemplo, basados en el La rápida tecnología Single Flux Quantum) y Filtros de RF y microondas para teléfonos móviles estaciones base.
Los superconductores se utilizan para construir Uniones Josephson, que son los bloques de construcción de SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), la más sensible magnetómetros conocidos. Serie de dispositivos de Josephson se utilizan para definir el SI voltios . Dependiendo del modo particular de operación, una Unión de Josephson se puede utilizar como fotones o como detector mezclador. El cambio de resistencia grande en la transición de la normal- al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en criogénico fotón micro-calorímetro detectores.
Otros mercados primeros están surgiendo en la eficiencia relativa, tamaño y peso ventajas de los dispositivos basados en HTS son mayores que los costos adicionales que ello suponga.
Futuras aplicaciones prometedoras incluyen alto rendimiento transformadores, dispositivos de almacenamiento de energía, transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes de levitación magnética ), dispositivos de levitación magnética, y Limitadores de Corriente. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento para que las aplicaciones que utilizan corriente alterna (por ejemplo, transformadores) será más difícil de desarrollar que los que confían en corriente continua.
