ความนำยิ่งยวดของโลหะ การค้นพบของ Heike Kamerling-Onnes

คนแรกที่พบปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด เฮเก้ คาเมอร์ลิง ออนเนส — นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวดัตช์ ปีที่ค้นพบปรากฏการณ์คือ พ.ศ. 2454 และในปี 1913 นักวิทยาศาสตร์จะได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการวิจัยของเขา

ในการศึกษาความต้านทานไฟฟ้าของปรอทที่อุณหภูมิต่ำมาก เขาต้องการพิจารณาว่าความต้านทานของสารต่อกระแสไฟฟ้าจะลดลงในระดับใดหากทำความสะอาดสิ่งเจือปน และเพื่อลดสิ่งที่สามารถทำได้ให้ได้มากที่สุด เรียกว่า. » เสียงความร้อน « นั่นคือเพื่อลดอุณหภูมิของสารเหล่านี้ ผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึงและน่าประหลาดใจ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4.15 K ความต้านทานของปรอทก็หายไปอย่างสมบูรณ์!

ด้านล่างนี้คือกราฟของสิ่งที่ Onnes สังเกต

ในสมัยนั้นวิทยาศาสตร์รู้อย่างน้อยมากแล้ว กระแสในโลหะคือการไหลของอิเล็กตรอนซึ่งแยกออกจากอะตอมของพวกมัน และเช่นเดียวกับก๊าซที่มีประจุไฟฟ้า จะถูกพัดพาไปโดยสนามไฟฟ้าเปรียบเหมือนลมเมื่ออากาศเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ เฉพาะตอนนี้ ในกรณีของกระแส แทนที่จะเป็นอากาศ มีอิเล็กตรอนอิสระ และความต่างศักย์ระหว่างปลายเส้นลวดนั้นคล้ายคลึงกับความแตกต่างของความดันสำหรับตัวอย่างอากาศ

สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ในไดอิเล็กตริกเพราะอิเล็กตรอนถูกผูกมัดอย่างแน่นหนากับอะตอมของมันและเป็นการยากที่จะฉีกพวกมันออกจากที่ของมัน และแม้ว่าในโลหะ อิเล็กตรอนที่ก่อตัวเป็นกระแสจะเคลื่อนที่ค่อนข้างอิสระ แต่บางครั้งก็ชนกับสิ่งกีดขวางในรูปของอะตอมที่สั่นสะเทือน และเกิดแรงเสียดทานชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ความต้านทานไฟฟ้า.

แต่เมื่ออยู่ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก มันจะเริ่มปรากฏตัว ตัวนำยิ่งยวด, แรงเสียดทานหายไปด้วยเหตุผลบางอย่าง, ความต้านทานของตัวนำลดลงถึงศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระโดยสมบูรณ์ไม่มีสิ่งกีดขวาง แต่สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร?

เพื่อหาคำตอบสำหรับคำถามนี้ นักฟิสิกส์ต้องใช้เวลาหลายทศวรรษในการค้นคว้า และแม้กระทั่งทุกวันนี้ สายธรรมดาก็เรียกว่าสาย "ธรรมดา" ตัวนำที่มีความต้านทานเป็นศูนย์เรียกว่า "ตัวนำยิ่งยวด".

ควรสังเกตว่าแม้ว่าตัวนำธรรมดาจะลดความต้านทานลงเมื่ออุณหภูมิลดลง ทองแดง แม้ที่อุณหภูมิหลายเคลวินก็ไม่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด และปรอท ตะกั่ว และอะลูมิเนียมมีความต้านทาน ความต้านทานของพวกมันกลายเป็นอย่างน้อยหนึ่งร้อยล้านล้าน ต่ำกว่าทองแดงหลายเท่าในสภาวะเดียวกัน

เป็นที่น่าสังเกตว่า Onnes ไม่ได้กล่าวอ้างว่าการต้านทานของปรอทในระหว่างทางของกระแสกลายเป็นศูนย์อย่างแน่นอน และไม่เพียงแค่ลดลงมากจนเป็นไปไม่ได้ที่จะวัดด้วยเครื่องมือของเวลา

เขาได้ทำการทดลองโดยที่กระแสในขดลวดตัวนำยิ่งยวดที่แช่อยู่ในฮีเลียมเหลวยังคงไหลเวียนอยู่ตลอดจนกว่ามารจะระเหยไป เข็มของเข็มทิศซึ่งเคลื่อนไปตามสนามแม่เหล็กของขดลวดไม่เบี่ยงเบนเลย! ในปี 1950 การทดลองประเภทนี้ที่แม่นยำยิ่งขึ้นจะใช้เวลาหนึ่งปีครึ่ง และกระแสน้ำจะไม่ลดลง แต่อย่างใด แม้ว่าจะใช้เวลานานก็ตาม

ในขั้นต้นเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าความต้านทานไฟฟ้าของโลหะนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก คุณสามารถสร้างกราฟดังกล่าวสำหรับทองแดงได้

ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น อะตอมยิ่งสั่น ยิ่งอะตอมสั่นมากเท่าไหร่ก็ยิ่งกลายเป็นสิ่งกีดขวางที่สำคัญในเส้นทางของอิเล็กตรอนที่ก่อตัวเป็นกระแส หากอุณหภูมิของโลหะลดลง ความต้านทานจะลดลงและเข้าใกล้ค่าความต้านทานที่เหลือ R0 และความต้านทานที่เหลือนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและ "ความสมบูรณ์แบบ" ของตัวอย่าง

ความจริงก็คือพบข้อบกพร่องและสิ่งสกปรกในตัวอย่างที่ทำจากโลหะ การพึ่งพาอาศัยกันนี้ทำให้ผู้คนสนใจเหนือสิ่งอื่นใดในปี พ.ศ. 2454 ในตอนแรกเขาไม่ได้มุ่งมั่นในเรื่องตัวนำยิ่งยวด แต่เพียงต้องการบรรลุความถี่ของตัวนำมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดความต้านทานที่เหลืออยู่

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ปรอทสามารถชำระให้บริสุทธิ์ได้ง่ายกว่า ดังนั้นนักวิจัยจึงพบมันโดยบังเอิญ แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าแพลทินัม ทองคำ และทองแดงจะเป็นตัวนำที่ดีกว่าปรอทในอุณหภูมิปกติ แต่การทำให้บริสุทธิ์นั้นยากกว่า

เมื่ออุณหภูมิลดลง สถานะตัวนำยิ่งยวดจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน ณ ช่วงเวลาหนึ่งเมื่ออุณหภูมิถึงระดับวิกฤต อุณหภูมินี้เรียกว่าวิกฤต เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง ความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็วจนเป็นศูนย์

ยิ่งตัวอย่างบริสุทธิ์ การหยดยิ่งคมชัด และในตัวอย่างที่บริสุทธิ์ที่สุด การหยดนี้จะเกิดขึ้นในช่วงเวลาน้อยกว่าหนึ่งในร้อยขององศา แต่ยิ่งตัวอย่างสกปรกมาก การหยดยิ่งนานและถึงหลายสิบองศา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สังเกตได้ใน ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง.

อุณหภูมิวิกฤตของตัวอย่างถูกวัดในช่วงกลางของช่วงหยดที่คมชัดและเป็นอุณหภูมิเฉพาะสำหรับสารแต่ละชนิด: สำหรับสารปรอท 4.15K, สำหรับไนโอเบียม, 9.2K, สำหรับอะลูมิเนียม, 1.18K เป็นต้น โลหะผสมเป็นอีกเรื่องหนึ่ง Onnes ค้นพบตัวนำยิ่งยวดในภายหลัง: ปรอทผสมทองคำและปรอทผสมดีบุกเป็นโลหะผสมตัวนำยิ่งยวดชนิดแรกที่เขาค้นพบ

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว อย่างไรก็ตาม Onnes ได้รับฮีเลียมเหลวตามวิธีการของเขาเอง ซึ่งพัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการพิเศษของเขาเอง ซึ่งก่อตั้งขึ้นเมื่อสามปีก่อนการค้นพบปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด

เพื่อให้เข้าใจเล็กน้อยเกี่ยวกับฟิสิกส์ของตัวนำยิ่งยวดซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิวิกฤตของตัวอย่างเพื่อให้ความต้านทานลดลงเป็นศูนย์ ควรกล่าวถึง การเปลี่ยนเฟส… สถานะปกติ เมื่อโลหะมีความต้านทานไฟฟ้าปกติ จะเป็นเฟสปกติ เฟสของตัวนำยิ่งยวด — นี่คือสถานะเมื่อโลหะมีความต้านทานเป็นศูนย์ การเปลี่ยนเฟสนี้เกิดขึ้นทันทีหลังจากอุณหภูมิวิกฤต

ทำไมการเปลี่ยนเฟสจึงเกิดขึ้น? ในสถานะเริ่มต้น "ปกติ" อิเล็กตรอนจะอยู่ในอะตอมได้อย่างสบาย และเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดในสถานะนี้ พลังงานของแหล่งกำเนิดจะถูกใช้เพื่อบังคับให้อิเล็กตรอนบางส่วนออกจากอะตอมและเริ่มเคลื่อนที่ไปตามสนามไฟฟ้า แม้จะพบอุปสรรคริบหรี่ในเส้นทางของพวกเขา

เมื่อลวดถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติและในขณะเดียวกันก็มีการสร้างกระแสผ่านลวด มันจะสะดวกกว่าสำหรับอิเล็กตรอน (พลังงานดี พลังงานถูก) ที่จะอยู่ในกระแสนี้และกลับสู่จุดเริ่มต้น ในกรณีนี้ สถานะ "ปกติ" จำเป็น เพื่อรับพลังงานพิเศษจากที่ใดที่หนึ่ง แต่มันไม่ได้มาจากที่ใดเลย ดังนั้น สถานะตัวนำยิ่งยวดจึงเสถียรมากจนสสารไม่สามารถหลุดออกไปได้เว้นแต่จะได้รับความร้อนซ้ำ

ดูสิ่งนี้ด้วย:Meissner ผลและการใช้งาน