¿Por qué ocurre la superconductividad?
Los materiales superconductores tienen la propiedad de resistencia cero y las líneas de fuerza magnéticas son repelidas a una temperatura determinada y baja. Se ha descubierto que veintiocho elementos y miles de aleaciones y compuestos son superconductores.
Características Las propiedades de los materiales superconductores son muy diferentes a las de los materiales conductores convencionales. Las principales actuaciones son las siguientes. ① Resistencia cero: cuando un material superconductor está en estado superconductor, su resistencia es cero y la energía eléctrica puede transmitirse sin pérdidas. Si se utiliza un campo magnético para inducir una corriente inducida en un anillo superconductor, esta corriente puede permanecer sin desintegrarse. Esta "corriente continua" se ha observado muchas veces en experimentos. ② Diamagnetismo completo: cuando el material superconductor está en estado superconductor, siempre que el campo magnético externo no exceda un cierto valor, las líneas del campo magnético no pueden penetrar y el campo magnético en el material superconductor es siempre cero. (3) Efecto Josephson: cuando se forma una fina capa aislante (de aproximadamente 1 nm de espesor) entre dos materiales superconductores para formar una conexión de baja resistencia, los pares de electrones pasarán a través de la capa aislante para formar una corriente, pero no hay voltaje en ambos. lados de la capa aislante, es decir, la capa aislante también se convierte en un superconductor. Cuando la corriente excede un cierto valor, aparece voltaje U en ambos lados de la capa de aislamiento (también se puede agregar voltaje U). Al mismo tiempo, la corriente continua se convierte en corriente alterna de alta frecuencia, irradiando ondas electromagnéticas con una frecuencia de , donde H es la constante de Planck y E es la carga del electrón. Estas propiedades forman la base de las aplicaciones cada vez más destacadas de los materiales superconductores en ciencia y tecnología.
Los parámetros críticos básicos incluyen los siguientes tres parámetros críticos básicos. ①Temperatura crítica: cuando el campo magnético externo es cero, la temperatura a la que el material superconductor cambia del estado normal al estado superconductor (o viceversa), representada por Tc. Los valores de Tc varían de un material a otro. La Tc más baja de un material superconductor se ha medido para el tungsteno, que es 0,012 K. En 1987, la temperatura crítica máxima había aumentado a aproximadamente 100 k k (2) Campo magnético crítico: La intensidad del campo magnético necesaria para destruir el estado superconductor de un material superconductor y cambiarlo a un estado normal, expresada como Hc. La relación entre Hc y la temperatura T es Hc=H0[1-(T/Tc)2], donde H0 es el campo magnético crítico a 0K. (3) Corriente crítica y densidad de corriente crítica: cuando la corriente que pasa a través del material superconductor alcanza un cierto valor, también romperá el estado superconductor y lo cambiará al estado normal, representado por Ic. Ic generalmente disminuye a medida que aumentan la temperatura y el campo magnético externo. La Ic transportada por unidad de área de sección transversal se denomina densidad de corriente crítica, representada por Jc.
Estos parámetros de los materiales superconductores limitan las condiciones de aplicación de los materiales, por lo que encontrar nuevos materiales superconductores de altos parámetros se ha convertido en una cuestión importante. Tomando como ejemplo la Tc, a partir del descubrimiento de la superconductividad (Hg, Tc=4,2K) por el físico holandés H. Kemelin-Agnes en 1911, la Tc más alta descubierta no alcanzó los 23,2K hasta 1986 (Nb3Ge, 1977). En 1986, el físico suizo K.A. Miller y el físico alemán J.G Bednorz descubrieron la superconductividad de las cerámicas de óxido, aumentando así la Tc a 35K. Tan sólo un año después, la Tc del nuevo material se había incrementado hasta unos 100.000 K. Este avance abrió amplias perspectivas para la aplicación de materiales superconductores. Miller y Bednotz ganaron el Premio Nobel de Física en 1987.
Clasificación Los materiales superconductores se pueden dividir en materiales elementales, materiales de aleación, materiales compuestos y cerámicas superconductoras según su composición química. ①Elementos superconductores: Hay 28 tipos de elementos con superconductividad bajo presión normal, entre los cuales el niobio (Nb) tiene el Tc más alto, que es 9,26 K · K. El Nb y el Pb (Pb, Tc = 7,201 K) se utilizan principalmente en ingeniería eléctrica. , se ha utilizado para fabricar cables de alimentación de CA superconductores y cavidades resonantes de alta Q. (2) Materiales de aleación: agregar algunos otros elementos como componentes de aleación a los elementos superconductores puede mejorar todas las propiedades de los materiales superconductores. Por ejemplo, la primera aleación Nb-75Zr utilizada tenía un Tc de 10,8 K y un Hc de 8,7 tex. Posteriormente se desarrollaron aleaciones de niobio y titanio. Mientras que Tc es ligeramente menor, Hc es mucho mayor y puede transportar más corriente para un campo magnético determinado. Sus propiedades son Nb-33Ti, Tc=9,3K, HC = 11,0 tex, Tc=9,3K, HC = 12te (4,2K); En la actualidad, la aleación de niobio y titanio es el principal material magnético superconductor utilizado en campos magnéticos especiales de 7 a 8. La adición de una aleación ternaria de tantalio mejora aún más el rendimiento de la aleación de niobio-titanio.
Las propiedades del Nb-60Ti-4Ta son: TC = 9,9K, HC = 12,4 te (4,2K); las propiedades del Nb-70Ti-5Ta son: Tc = 9,8K, HC = 12,8t... ③ Compuestos superconductores: Los elementos superconductores tienden a tener buenas propiedades superconductoras cuando se combinan con otros elementos. Por ejemplo, Nb3Sn, que se ha utilizado ampliamente, tiene Tc=18,1K y Hc=24,5. Otros compuestos superconductores importantes son V3Ga, Tc=16,8K, Hc=24 TexNb3Al, Tc=18,8K, Hc=30. ④Cerámicas superconductoras: a principios de la década de 1980, Miller y Bednorz comenzaron a notar que algunos materiales cerámicos de óxido podrían ser superconductores. Su grupo realizó experimentos con algunos materiales y descubrió la superconductividad a Tc=35K en óxido de La-Ba-Cu en 1986. En 1987, científicos de China, Estados Unidos, Japón y otros países descubrieron que el Tc en el óxido Ba-Y-Cu tiene superconductividad en el rango de temperatura del nitrógeno líquido, lo que convierte a las cerámicas superconductoras en un material superconductor prometedor.
Las excelentes propiedades de los materiales superconductores han presentado atractivas perspectivas de aplicación para la humanidad desde el día de su descubrimiento. Sin embargo, la aplicación práctica de los materiales superconductores está restringida por una serie de factores, en primer lugar, sus parámetros críticos, y luego están cuestiones como el proceso de fabricación del material (por ejemplo, cómo convertir cerámicas superconductoras quebradizas en alambres blandos tiene un serie de problemas de proceso). En la década de 1980, las principales aplicaciones de los materiales superconductores eran: ① La superconductividad del material podía usarse para fabricar imanes, que podían usarse en motores, aceleradores de partículas de alta energía, transporte por levitación magnética, reacciones termonucleares controladas, almacenamiento de energía, etc. .; se pueden fabricar cables de alimentación para transmisión a gran escala (potencia hasta 10.000 MVA);); se pueden fabricar cables de comunicación y antenas, y su rendimiento es mejor que el de los materiales convencionales. ②Utilizando el diamagnetismo completo del material, se pueden fabricar giroscopios y rodamientos sin fricción. (3) El efecto Josephson se puede utilizar para fabricar una serie de instrumentos de medición de precisión, detectores de radiación, generadores de microondas, componentes lógicos, etc. Al utilizar las uniones Josephson como elementos lógicos y de almacenamiento de las computadoras, su velocidad de computación es de 10 a 20 veces más rápida que la de los circuitos integrados de alto rendimiento y su consumo de energía es solo de una cuarta parte.
En 1911, el físico holandés Anis (1853 ~ 1926) descubrió que la resistividad del mercurio no disminuía gradualmente al disminuir la temperatura como se esperaba, sino que cuando la temperatura caía a aproximadamente 4,15 K, la resistencia del mercurio cae repentinamente a cero. Cuando la temperatura de ciertos metales, aleaciones y compuestos cae a una cierta temperatura cercana al cero absoluto, el fenómeno de que su resistividad cae repentinamente a un nivel inmensurable se llama superconductividad, y las sustancias que pueden conducir la superconductividad se llaman superconductores. La temperatura a la que un superconductor cambia de un estado normal a un estado superconductor se denomina temperatura de transición (o temperatura crítica) TC de esta sustancia. Se ha descubierto que la mayoría de los elementos metálicos y miles de aleaciones y compuestos exhiben superconductividad en diferentes condiciones. Por ejemplo, la temperatura de transformación del tungsteno es 0,012 K, el zinc es 0,75 K, el aluminio es 1,196 K y el plomo es 7,193 K.
Las propiedades únicas de los superconductores hacen posible que se utilicen ampliamente en diversos campos. Sin embargo, los primeros superconductores existían a temperaturas extremadamente bajas del helio líquido, lo que limitaba en gran medida la aplicación de materiales superconductores. La gente ha estado explorando superconductores de alta temperatura. De 1911 a 1986, aumentó de 4,2 K para el mercurio a 23,22 K para el niobio y el germanio en 75 años, y luego aumentó en 19 K.
En 1986 se produjo un gran avance en la investigación de superconductores de alta temperatura. Se inició la investigación sobre materiales cerámicos de óxidos metálicos y la búsqueda de superconductores de alta temperatura crítica. En el concurso participaron más de 260 grupos experimentales de todo el mundo.
En octubre de 1986, los científicos del laboratorio de IBM en Zurich, Bernoz y Muller, descubrieron por primera vez que el óxido de cobre y lantano de bario es un superconductor de alta temperatura, elevando entonces la temperatura del superconductor a 30K; La Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tokio en Japón elevó la temperatura superconductora a 37 K; el 30 de febrero de 2018, la Universidad de Houston anunció que el científico chino-estadounidense Zhu Jingwu había vuelto a elevar la temperatura superconductora a 40,2 K.
A principios de octubre de 1987 65438+, el Instituto Nacional de Ciencias Moleculares de Kawasaki en Japón elevó la temperatura superconductora a 43K; poco después, el Instituto Japonés de Electrónica Integrada elevó la temperatura superconductora a 46K y 53K. Física , Academia de Ciencias de China El equipo de investigación dirigido por Zhao Zhongxian y Chen Liquan del Instituto obtuvo un superconductor Sr-La-Cu-O de 48,6 K y descubrió signos de transición de fase de este tipo de material a 70 K. El 15 de febrero, el Estados Unidos informó que Zhu Jingwu y Wu Maokun obtuvieron un superconductor de 98K. El 20 de febrero, China también anunció el descubrimiento de superconductores por encima de 100K. El 3 de marzo, Japón anunció el descubrimiento del superconductor de 123K. El 12 de marzo, la Universidad de Pekín en China llevó a cabo con éxito un experimento de levitación magnética superconductora de nitrógeno líquido. El 27 de marzo, científicos chino-estadounidenses descubrieron signos de superconductividad con una temperatura de transición de 240 K en materiales superconductores de óxido. Pronto, la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kagoshima en Japón descubrió que los materiales cerámicos compuestos de lantano, estroncio, cobre y oxígeno mostraban signos de superconductividad a 14°C. Un avance importante en los superconductores de alta temperatura, el uso de nitrógeno líquido en lugar de helio líquido como refrigerante superconductor para obtener superconductores, ha llevado al desarrollo y la aplicación a gran escala de la tecnología superconductora. El nitrógeno es el componente principal del aire, y la eficiencia de los refrigeradores de nitrógeno líquido es al menos 10 veces mayor que la del helio líquido, por lo que el precio del nitrógeno líquido es en realidad sólo 1/100 del del helio líquido. Los equipos de refrigeración con nitrógeno líquido son simples, por lo que los superconductores de alta temperatura existentes deben enfriarse con nitrógeno líquido, pero se considera uno de los mayores descubrimientos científicos del siglo XX.
Investigación científica superconductora
1. Dinámica de flujo y mecanismo superconductor de superconductores no convencionales
Este artículo estudia principalmente el mecanismo del movimiento de la línea del campo magnético en la región de estado mixto. La naturaleza y origen de líneas irreversibles y su relación con el campo magnético y la temperatura, dependencia de la densidad de corriente crítica del campo magnético y la temperatura, y anisotropía. La investigación sobre mecanismos superconductores se centra principalmente en la magnetorresistencia, el efecto Hall, el efecto de fluctuación, las propiedades de la superficie de Fermi y la T
2. Investigación sobre las propiedades de la materia condensada de baja dimensión bajo fuertes campos magnéticos.
La baja dimensión permite que los sistemas de baja dimensión exhiban características que los sistemas tridimensionales no tienen. Las inestabilidades de baja dimensión conducen a muchas fases ordenadas. Un campo magnético fuerte es un medio eficaz para revelar las propiedades de la materia condensada de baja dimensión. Los principales contenidos de la investigación incluyen: la estructura y origen del ferromagnetismo orgánico; el mecanismo y el magnetismo de los superconductores orgánicos (incluido el fullereno); las propiedades especiales de la excitación de elementos no lineales en gases de electrones bidimensionales bajo fuertes campos magnéticos: transiciones de fase y transformaciones de baja intensidad; -materiales magnéticos dimensionales Interacción magnética transporte y características de portador de conductores orgánicos en campos magnéticos: estructura de bandas de energía y propiedades de superficie de Fermi en campos magnéticos, etc.
3. Propiedades optoelectrónicas de materiales semiconductores bajo fuertes campos magnéticos.
La tecnología de campos magnéticos fuertes se está volviendo cada vez más importante para el desarrollo de la ciencia de los semiconductores, porque entre varios factores físicos, el campo magnético externo es el único factor físico que cambia la simetría espacial del momento manteniendo la estructura cristalina. sin cambios, por lo que el campo magnético juega un papel particularmente importante en el estudio de las estructuras de bandas de semiconductores y las excitaciones elementales y sus interacciones. A través de la investigación experimental sobre las propiedades ópticas y eléctricas de los materiales semiconductores bajo fuertes campos magnéticos, podemos comprender y dominar mejor las propiedades físicas de los semiconductores, realizando así exploraciones básicas para la fabricación de dispositivos semiconductores con diversas funciones y el desarrollo de alta tecnología.
4. Problemas físicos a escalas extremadamente finas bajo fuertes campos magnéticos.
Hay muchos fenómenos nuevos y propiedades extrañas en los sistemas a microescala que no están disponibles en los materiales convencionales. Estos fenómenos y propiedades están estrechamente relacionados con la microestructura de dichos materiales, especialmente la estructura electrónica. Los campos magnéticos fuertes proporcionan un medio poderoso para estudiar los estados electrónicos y las características de transporte de sistemas de escala extremadamente micro. No solo pueden revelar fenómenos extraños que son difíciles de aparecer en condiciones normales, sino que también proporcionan un rico conocimiento científico para una comprensión más profunda. sus propiedades físicas. Este artículo estudia principalmente las características de transporte, localización y correlación de electrones de metales y semiconductores de escala extremadamente fina bajo fuertes campos magnéticos. Efectos de tamaño cuántico, efectos de confinamiento cuántico, efectos de tamaño pequeño y efectos de superficie y de interfaz y propiedades ópticas y estructuras finas de brecha de energía de óxidos, carburos y nitruros de escala muy fina.
5. Química de campos magnéticos fuertes
El efecto de campos magnéticos fuertes sobre el espín de los electrones y el espín nuclear en reacciones químicas puede conducir a la relajación de los enlaces químicos correspondientes y crear condiciones favorables para la formación de nuevos enlaces, induciendo cambios físicos y químicos que no se pueden lograr en condiciones normales, y obtención de nuevos materiales y compuestos que antes no se podían preparar. La química de campos magnéticos elevados es un campo nuevo con una sólida base de aplicación, con una serie de temas teóricos y amplias perspectivas de aplicación. En un futuro próximo podremos estudiar la magnetización y los mecanismos del agua y los disolventes orgánicos, así como nuevas reacciones químicas inducidas por fuertes campos magnéticos.
6. Investigación biológica y biomédica bajo campos magnéticos.
Ciencia y tecnología de los imanes
El valor de los campos magnéticos fuertes reside en su importante contribución al conocimiento físico. Un importante avance conceptual en la década de 1980 fue el descubrimiento del efecto Hall cuántico y el efecto Hall cuántico fraccionario. Esto se descubrió mientras estudiaba el fenómeno de transporte de gas de electrones bidimensionales bajo fuertes campos magnéticos (ganó el Premio Nobel en 1985). El descubrimiento del efecto Hall cuántico y del efecto Hall cuántico fraccionario ha inspirado a los físicos a explorar sus orígenes, estableciendo referencias naturales para la resistencia y midiendo con precisión las constantes físicas básicas E, H y las constantes de estructura fina (= E2/H ( 0C) y otras aplicaciones. La revelación final del mecanismo de la superconductividad a altas temperaturas también dependerá del estudio de las propiedades de los superconductores a altas temperaturas bajo fuertes campos magnéticos.
Todos los que estén familiarizados con la historia de la física lo saben. Una señal importante de la evolución de la física del estado sólido hacia la física condensada es la expansión de sus objetos de investigación, desde estructuras periódicas a estructuras no periódicas, desde cristales tridimensionales a sistemas de baja y alta dimensión, e incluso sistemas fractales. Los nuevos cuerpos celestes exhiben muchas propiedades y físicas nuevas. La aparición de estos nuevos cuerpos celestes y la explicación de nuevos efectos y nuevos fenómenos han enriquecido y desarrollado continuamente la física de la materia condensada. En este proceso, las condiciones extremas siempre han jugado un papel vital. Las condiciones tienden a resaltar algunos factores y suprimir otros, simplificando así el proceso originalmente complejo y ayudando a comprender directamente la naturaleza de la física y otras condiciones extremas. En comparación, un campo magnético fuerte tiene sus propias características. El campo es cambiar el estado físico de un sistema, es decir, cambiar el momento angular (giro) y el movimiento orbital de las partículas cargadas, por lo que también cambia el estado del sistema físico. En este punto, los campos magnéticos fuertes son diferentes de. Otros medios físicos costosos, como fuentes de neutrones y sincrotrones, no cambian el estado físico del sistema en estudio. El campo magnético puede crear nuevos entornos físicos y dar lugar a nuevas características que no existirían sin el campo magnético. También conducen a nuevos estados físicos, como superconductividad, cambios de fase, etc., pero los campos magnéticos fuertes son muy diferentes de los de baja temperatura. Es más efectivo que los de baja temperatura porque el campo magnético cuantifica el control remoto y la energía de las partículas cargadas y magnéticas. partículas, destruyéndolas. Se logra la simetría de inversión del tiempo, dándoles propiedades más únicas.
Los campos magnéticos fuertes pueden cambiar la simetría del espacio de impulso manteniendo la estructura cristalina sin cambios, lo cual es útil para estudiar la energía. La estructura de bandas de los sólidos. Las excitaciones elementales y sus interacciones son muy importantes. La compleja estructura superficial de Fermi de los sólidos se demuestra mediante el principio de que los fuertes campos magnéticos permiten que los electrones y los huecos se muevan libremente en direcciones específicas, lo que provoca que la magnetización y la magnetorresistencia oscilen. La estructura y las propiedades siempre han sido un tema de vanguardia en la física de la materia condensada. Muchos puntos importantes importantes en la física básica de la materia condensada son inseparables de las condiciones extremas de los campos magnéticos fuertes, y muchos de ellos incluso se basan en investigaciones bajo campos magnéticos fuertes. La condensación sólo se produce en el espacio de momento, por lo que sólo es posible observar este fenómeno en el espacio real en un campo magnético fuerte no uniforme. Otro ejemplo es el mecanismo de la superconductividad a alta temperatura, el estudio del efecto Hall cuántico y los nanomateriales. objetos Problemas físicos, las causas físicas del efecto de magnetorresistencia gigante, la estructura y origen del ferromagnetismo orgánico, el mecanismo y el magnetismo de los superconductores orgánicos (incluido el fullereno), transiciones de fase e interacciones magnéticas de materiales magnéticos de baja dimensión, bandas de energía en sólidos. La investigación sobre la estructura y las propiedades de la superficie de Fermi, las excitaciones de los elementos y sus interacciones, etc. El trabajo de investigación bajo fuertes campos magnéticos ayudará a comprender y revelar correctamente estos problemas, contribuyendo así a un mayor desarrollo de la física de la materia condensada.
El movimiento de partículas cargadas como electrones, iones y algunas moléculas polares en un campo magnético sufrirá cambios fundamentales, especialmente en campos magnéticos fuertes. Por lo tanto, estudiar el impacto de campos magnéticos fuertes en los procesos de reacción química, los procesos de catálisis superficial, el proceso de formación de materiales, especialmente materiales magnéticos, los efectos biológicos y los procesos de formación de cristales líquidos puede conducir a nuevos descubrimientos y nuevos temas interdisciplinarios. La aplicación de fuertes campos magnéticos en la ciencia de materiales ha abierto un nuevo camino para el desarrollo de nuevos materiales funcionales. El trabajo en esta área ha recibido atención en el extranjero y ha comenzado a ser necesario en el país. Precisamente por las inconmensurables perspectivas de aplicación de los superconductores de alta temperatura en el futuro campo del alto voltaje, han atraído gran atención de los círculos científicos y tecnológicos e incluso de los gobiernos de todo el mundo. Por lo tanto, la investigación física y química bajo fuertes campos magnéticos tiene una importante importancia científica y tecnológica, tanto desde la perspectiva de la investigación básica como de la aplicación. Esta investigación no sólo ayudará a profundizar la investigación básica contemporánea, sino que también desempeñará un papel importante en la promoción del desarrollo de la economía nacional.