Superlaidininkai: kas tai yra, savybės ir Meissnerio efektas

Superlaidininkas – tai medžiaga, kuri žemiau tam tikros temperatūros praktiškai nebekelia elektrinio pasipriešinimo ir todėl be nuostolių praleidžia elektros srovę. Ši temperatūra vadinama kritine temperatūra (Tc). Kai medžiaga pereina į superlaidžiąją būseną, jos elektrinė varža staiga krinta iki beveik nulio – tai yra fazinio perėjimo pavyzdys. Superlaidimas skiriasi nuo paprasto laidumo: įprasti laidininkai šaltėdami varžą mažina laipsniškai, o superlaidininkai žemiau Tc „išjungia“ varžą beveik akimirksniu. Reikia paminėti, kad stiprūs magnetiniai laukai arba didelės srovės gali sunaikinti superlaidumą ir sugrąžinti medžiagą į įprastą laidumo būseną.

Meissnerio efektas ir magnetinis elgesys

Paprastai judantis magnetas laidininke dėl elektromagnetinės indukcijos sukelia jame sroves, bet superlaidininkai elgiasi kitaip: jie praktiškai visiškai išstumia magnetinį lauką iš savo vidinės dalies. Tam atsiranda paviršinės srovės, kurios sukuria priešingą magnetinį lauką ir taip neutralizuoja išorinio lauko poveikį. Užuot praleidęs pro save magnetinį lauką, superlaidininkas elgiasi kaip priešingą poliškumą turintis magnetas ir atstumia tikrąjį magnetą. Tai vadinama Meissnerio efektu, kurį galima lengvai pademonstruoti levituojant superlaidininką virš magnetų arba atvirkščiai.

Kodėl superlaidininkai skiriasi viena nuo kitos

• Tipai: yra du pagrindiniai klasifikacijos tipai: I tipo superlaidininkai, kurie pilnai išstumia magnetinį lauką iki kritinio lauko, ir II tipo superlaidininkai, kurie įeina į mišrią būseną (vorteksų režimą) tarp dviejų kritinių laukų, leidžiant dalinai prasukti magnetinį srautą per mažus magnetinius „vorteksus“.
• Kooperio poros ir BCS teorija: daugumą žemo temperatūros superlaidininkų galima paaiškinti BCS teorija: elektronai poruojasi į vadinamas Cooper poras, kurios juda kartu kaip kvantinė „sąveikos“ būseną sudarantys daliniai, nepatirdami sprendžiamojo pasipriešinimo.
• Aukštos Tc medžiagos: keramikiniai (kupratiniai) laidininkai pavyzdžiui YBCO turi palyginti aukštą kritinę temperatūrą (virš skysto azoto temperatūros ~77 K). Jų mikroskopinis veikimo mechanizmas dažnai yra sudėtingesnis ir iki galo ne visada visiškai suprantamas.
• Kiti svarbūs parametrai: be kritinės temperatūros, superlaidininkui būdingi kritinis magnetinis laukas (Hc arba Hc1/Hc2 II tipo) ir kritinė srovė (Jc). Šie dydžiai nulemia, kur ir kaip medžiaga gali būti praktiškai naudojama.

Fizikinės ypatybės, kurių verta žinoti

• Nulinė (ar beveik nulinė) varža: ilgalaikė srovė gali tekėti be energijos nuostolių — tai leidžia eksperimentus ir prietaisus, kuriems reikia pastovios didelės srovės.
• Meissnerio efektas: magnetinis laukas yra aktyviai išstumiamas — tai skirtinga nuo „tobulo laidininko“, kuris tik neleidžia kintančiam laukui įeiti, tačiau neprivalo išstumti stovinčio lauko.
• Laiko ir erdvės masteliai: superlaidumo pavidalai apibrėžiami tokiais dydžiais kaip prieigos ilgis (penetracijos gylis) ir koherencijos ilgis — jie lemia paviršinių srovių sluoksnio storį ir vorteksų struktūras II tipo medžiagose.

Pritaikymas ir praktiniai aspektai

Superlaidininkai turi daug taikomųjų sričių, bet jų praktinis naudojimas priklauso nuo medžiagų charakteristikų ir reikalavimo aušinimui:

• MRI įrenginiai ligoninėse – labai stipriems ir stabiliems magnetiniams laukams kurti naudojami superlaidininkų magnetai.
• Maglev traukiniai – levitacija ir trinties mažinimas pasiekiamas naudojant magnetinius laukus ir superlaidininkų efektus (dažnai kartu su flux pinning, t. y. srauto fiksavimu).
• Dalelių greitintuvai ir eksperimentinė technologija – superlaidiniai magnetai leidžia pasiekti didelius lauko stiprius efektyviai.
• SQUID jutikliai – itin jautrūs magnetinio lauko matavimo prietaisai, naudojami moksliniuose ir medicininiuose tyrimuose.
• Energetikos pritaikymas – superlaidūs laidai ir transformatoriai žada mažesnius nuostolius, tačiau reikalauja papildomų investicijų aušinimo sistemoms.
• Kvantiniai kompiuteriai – superlaidūs grandynai ir kubitai yra viena iš perspektyvių platformų kvantinei skaičiavimo technologijai.

Iššūkiai ir ateities kryptys

• Aušinimas: daugumai superlaidininkų reikia labai žemų temperatūrų (skysto helio arba azoto), todėl eksplotacija yra brangi. Ieškoma medžiagų su aukštesne Tc ir efektyvesnių aušinimo sprendimų.
• Medžiagų savybės: daugelis aukštos Tc medžiagų yra trapūs keramikos gabalai, kuriuos sunku formuoti į praktiškus laidus.
• Stabilumas ir pinningas: II tipo superlaidininkų vortexų judėjimas gali sukelti energijos nuostolius; flux pinning (srauto fiksavimas) yra reikšminga sritis, leidžianti stabiliai levituoti ir išlaikyti dideles sroves.
• Tyrimai: mokslininkai tęsia paieškas dėl aukštesnės Tc, geresnio supratimo apie nekonvencinius superlaidininkus ir medžiagų inžinerijos, kad technologijos taptų pigesnės ir platesnio pritaikymo.

Santrauka: superlaidininkai pasižymi unikaliamis savybėmis – beveik nuliu varža ir Meissnerio efektu – dėl kurių jie randa svarbių taikymų medicinoje, transporto ir moksle. Tačiau praktiniai apribojimai, tokie kaip aušinimo poreikis ir medžiagų savybės, kol kas riboja plačią komercinę plėtrą. Mokslas ir pramonė aktyviai dirba, kad sumažintų šias kliūtis ir išnaudotų superlaidžių medžiagų potencialą.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra superlaidininkas?

K: Kuo superlaidininkas skiriasi nuo paprasto laidininko?

K: Kokie yra kai kurie superlaidininkų pavyzdžiai?

K: Kaip magnetas, judantis šalia laidininko, jį veikia?

K: Kas yra Meissnerio efektas?

Klausimas: Ar didelis magnetinis laukas naikina ar stiprina superlaidumą?

Paieška pagal raidę