Tính siêu dẫn của kim loại, khám phá của Heike Kamerling-Onnes

Người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn Heike Kamerling Onnes — Nhà vật lý và hóa học người Hà Lan. Năm phát hiện ra hiện tượng này là năm 1911. Và vào năm 1913, nhà khoa học sẽ nhận được giải thưởng Nobel Vật lý cho nghiên cứu của mình.

Tiến hành nghiên cứu về điện trở của thủy ngân ở nhiệt độ cực thấp, ông muốn xác định xem điện trở của một chất đối với dòng điện có thể giảm đến mức nào nếu nó được làm sạch tạp chất và giảm càng nhiều càng tốt những gì có thể. gọi điện. » tiếng ồn nhiệt «, nghĩa là giảm nhiệt độ của các chất này. Kết quả thật bất ngờ và đáng kinh ngạc. Ở nhiệt độ dưới 4,15 K, điện trở của thủy ngân đột nhiên biến mất hoàn toàn!

Dưới đây là biểu đồ về những gì Onnes quan sát được.

Trong những ngày đó, khoa học đã biết ít nhất là nhiều Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời của các êlectron, được tách ra khỏi các nguyên tử của chúng và giống như khí tích điện, bị điện trường mang đi.Nó giống như gió khi không khí di chuyển từ khu vực có áp suất cao đến khu vực có áp suất thấp. Chỉ bây giờ, trong trường hợp dòng điện, thay vì không khí, có các electron tự do và hiệu điện thế giữa các đầu của dây tương tự như hiệu điện thế đối với ví dụ về không khí.

Trong chất điện môi, điều này là không thể, bởi vì các electron liên kết chặt chẽ với các nguyên tử của chúng và rất khó xé chúng ra khỏi vị trí của chúng. Và mặc dù trong kim loại, các electron tạo thành dòng điện di chuyển tương đối tự do, nhưng đôi khi chúng va chạm với các chướng ngại vật dưới dạng các nguyên tử dao động và xảy ra một loại ma sát gọi là điện trở.

Nhưng khi ở nhiệt độ cực thấp, nó bắt đầu biểu hiện hiện tượng siêu dẫn, tác dụng ma sát vì một lý do nào đó biến mất, điện trở của vật dẫn giảm xuống bằng 0, nghĩa là các êlectron chuyển động hoàn toàn tự do, không bị cản trở. Nhưng làm thế nào là điều này có thể?

Để tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này, các nhà vật lý đã dành hàng chục năm để nghiên cứu. Và thậm chí ngày nay, dây thông thường được gọi là dây "bình thường", trong khi vật dẫn ở trạng thái không có điện trở gọi là "chất siêu dẫn".

Cần lưu ý rằng mặc dù các dây dẫn thông thường giảm điện trở khi nhiệt độ giảm, nhưng đồng, ngay cả ở nhiệt độ vài kelvin, không trở thành chất siêu dẫn, còn thủy ngân, chì và nhôm thì có, điện trở của chúng ít nhất là một trăm nghìn tỷ thấp hơn nhiều lần so với đồng trong cùng điều kiện.

Điều đáng chú ý là Onnes đã không đưa ra những tuyên bố vô căn cứ rằng điện trở của thủy ngân trong quá trình dòng điện chạy qua chính xác bằng 0, và không chỉ đơn giản là giảm nhiều đến mức không thể đo được bằng các dụng cụ thời đó.

Ông đã thiết lập một thí nghiệm trong đó dòng điện trong một cuộn dây siêu dẫn nhúng trong helium lỏng tiếp tục lưu thông khắp nơi cho đến khi thần đèn bốc hơi. Chiếc kim la bàn vốn chạy theo từ trường của cuộn dây, không hề lệch đi một chút nào! Vào năm 1950, một thí nghiệm chính xác hơn thuộc loại này sẽ kéo dài một năm rưỡi và dòng điện sẽ không giảm theo bất kỳ cách nào, mặc dù khoảng thời gian dài như vậy.

Ban đầu, người ta biết rằng điện trở của kim loại phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ, bạn có thể xây dựng một biểu đồ như vậy cho đồng.

Nhiệt độ càng cao, các nguyên tử càng dao động, các nguyên tử càng dao động nhiều thì chúng càng trở thành chướng ngại vật đáng kể trên đường đi của các electron tạo thành dòng điện. Nếu nhiệt độ của kim loại giảm thì điện trở của nó sẽ giảm và tiến gần đến điện trở dư R0 nhất định. Và điện trở còn lại này, hóa ra, phụ thuộc vào thành phần và "sự hoàn hảo" của mẫu.

Thực tế là các khuyết tật và tạp chất được tìm thấy trong bất kỳ mẫu kim loại nào. Sự phụ thuộc này quan tâm đến Ones trên hết vào năm 1911, ban đầu ông không phấn đấu cho tính siêu dẫn mà chỉ muốn đạt được tần số của dây dẫn như vậy càng tốt để giảm thiểu điện trở dư của nó.

Vào những năm đó, thủy ngân dễ tinh chế hơn nên nhà nghiên cứu đã tình cờ gặp nó, mặc dù thực tế là bạch kim, vàng và đồng là chất dẫn điện tốt hơn thủy ngân ở nhiệt độ bình thường, nhưng việc tinh chế chúng khó khăn hơn.

Khi nhiệt độ giảm, trạng thái siêu dẫn xảy ra đột ngột tại một thời điểm nhất định khi nhiệt độ đạt đến một mức tới hạn nhất định. Nhiệt độ này được gọi là tới hạn, khi nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nữa, điện trở giảm mạnh về không.

Mẫu càng tinh khiết thì giọt càng sắc nét và ở những mẫu tinh khiết nhất thì giọt này xảy ra trong khoảng thời gian nhỏ hơn một phần trăm độ, nhưng mẫu càng bị ô nhiễm thì giọt càng dài và đạt tới hàng chục độ, điều này đặc biệt đáng chú ý trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Nhiệt độ tới hạn của mẫu được đo ở giữa khoảng giảm mạnh và là riêng cho từng chất: đối với thủy ngân 4,15K, đối với niobi, 9,2K, đối với nhôm, 1,18K, v.v. Hợp kim là một câu chuyện riêng biệt, tính siêu dẫn của chúng được phát hiện sau đó bởi Onnes: thủy ngân với vàng và thủy ngân với thiếc là những hợp kim siêu dẫn đầu tiên mà ông phát hiện ra.

Như đã đề cập ở trên, nhà khoa học đã thực hiện quá trình làm mát bằng helium lỏng. Nhân tiện, Onnes đã thu được heli lỏng theo phương pháp của riêng mình, được phát triển trong phòng thí nghiệm đặc biệt của riêng ông, được thành lập ba năm trước khi phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn.

Để hiểu một chút về tính chất vật lý của hiện tượng siêu dẫn, xảy ra ở nhiệt độ tới hạn của mẫu sao cho điện trở giảm xuống bằng không, cần đề cập đến giai đoạn chuyển tiếp… Trạng thái bình thường, khi kim loại có điện trở bình thường, là pha bình thường. pha siêu dẫn - đây là trạng thái khi kim loại có điện trở bằng không. Sự chuyển pha này xảy ra ngay sau nhiệt độ tới hạn.

Tại sao quá trình chuyển pha xảy ra? Ở trạng thái "bình thường" ban đầu, các electron thoải mái trong nguyên tử của chúng và khi dòng điện chạy qua dây dẫn ở trạng thái này, năng lượng của nguồn được sử dụng để buộc một số electron rời khỏi nguyên tử của chúng và bắt đầu di chuyển dọc theo điện trường. mặc dù gặp phải những trở ngại chập chờn trên đường đi của họ.

Khi dây được làm mát đến nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn và đồng thời một dòng điện được thiết lập qua nó, sẽ thuận tiện hơn cho các electron (thuận lợi về năng lượng, tiết kiệm năng lượng) trong dòng điện này và trở về trạng thái ban đầu. trạng thái "bình thường", trong trường hợp này, cần phải lấy thêm năng lượng từ đâu đó, nhưng nó không đến từ đâu cả. Do đó, trạng thái siêu dẫn ổn định đến mức vật chất không thể rời khỏi nó trừ khi nó được gia nhiệt lại.

Xem thêm:Hiệu ứng Meissner và ứng dụng của nó