Superkonduktiveco

Nesolvitaj problemoj de fiziko

Alt-temperaturaj superkonduktiloj:Kial iuj materialoj montras superkonduktivecon je temperaturoj pli altaj ol 50 K?

Magneto fluganta super alta-temperatura superkonduktanto, malvarmigata per likva azoto, la kurentoj en la superkonduktanto agas kiel alia magneto forpelante la unua.

Pri ĉi tiu kazo, ceramiko el alta temperatura superkonduktanto ŝvebis super magneta bendo, kiu estis uzata kiel adhera rubando por fridujoj.

Superkonduktiveco estas treege granda konduktiveco (tuta malapero de la elektra rezistanco) de certaj substancoj proksime de la nulpunkto de la absoluta temperaturskalo, sub iu difinita temperatura grado. Tiu grado plej ofte estas sub −253 °C (20 K). Superkonduktiveca materialo forigas eĉ fortan magnetan kampon sub la limvaloro.

La superkonduktivecon (de hidrargo) malkovris la nederlanda fizikisto Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Similajn proprecojn havas pluaj 25 kemiaj elementoj kaj miloj da kemiaj kombinaĵoj. Unu el ili estas YBaCuO (YBCO). Aliaj materaloj havas - ĉe temperaturo tre proksima al la absoluta nulo - normalan konduktivecon.

La superkonduktivaj materialoj (nomitaj superkonduktantoj) estas perfektaj diamagnetoj: ili povas malhelpi penetron de ekstera magneta kampo en internon de la materialo: la t.n. molaj superkonduktiloj (tipo I) tute ĝis sojla limvaloro de la ekstera magneta kampo, dum la t.n. malmolaj superkonduktiloj (tipo II) forpelas el si la eksteran magnetan kampon ĝis unua sojla limvaloro, kaj parte forbaras la eksteran magnetan kampon inter la unua kaj dua sojla limvaloro. La malmolaj superkonduktiloj ofte tenas la superkonduktivecon eĉ en forta magneta kampo, pro siaj altaj duaj limvaloroj.

En 1986–87 evidentiĝis, ke kelkaj malmolaj superkonduktiloj tenadas la superkonduktivecon eĉ ĉe temperaturo 98 K, oni malkovris superkonduktivajn kombinaĵojn ĉe 134 kaj 127 K. Ĉe tiu "alta* temperaturo la superkonduktilo entenas kuprajn kaj oksigenajn atomojn ordigitajn en ĉenoj aŭ ebenoj de la kristalkrado. Iliaj proprecoj estas anizotropaj, tio estas: ili dependas de la direkto de la kurento kaj la magneta kampo rilate la atomajn ebenojn kaj ĉenojn.

Tiuj alt-temperaturaj superkonduktiloj estas ceramikaĵoj, kies proprecojn influas la oksigen-enteno. Ĉar la ceramik-oksidoj estas teneblaj en superkonduktiva stato per pli malmultekoste produktebla likva nitrogeno ol per likva heliumo, tial ili estas tre gravaj el ekonomia vidpunkto. Ilia malavantaĝo estas la rigideco, kelkfoje nestabileco, surfaca malpuriĝo.

Klasifikado

Estas pluraj kriterioj, laŭ kiuj superkonduktantoj estas klasifikitaj. La plej komunaj klasoj estas:

Laŭ la reago al magneta kampo

Iu superkonduktanto povas esti Tipo I, signifante ke ĝi havas ununuran kritan kampon, super kiu ĉiu superkonduktivo estas perdita kaj sub kiu la magneta kampo estas tute forpelita de la superkonduktanto; aŭ Tipo II, signifante ke ĝi havas du kritajn kampojn, inter kiuj ĝi permesas partan penetron de la magneta kampo tra izolitaj punktoj^[1].

Laŭ la teorio

Ĝi estas konvencia se ĝi povas esti klarigita per la BCS-teorio (teorio laŭ John Bardeen, Leon Cooper kaj John Robert Schrieffer) aŭ ĝiaj derivaĵoj, se ne nekonvencia, alie^[2].

Laŭ la krita temperaturo

Iu superkonduktanto estas komune konsiderata « alta temperaturo », se ĝi atingas superkonduktivan staton super temperaturo je 30 K (−243.15 °C)^[3]. Tamen pri materialoj la termino « alta temperaturo » estas uzita, se ili atingas superkonduktvi stato, kiam malvarmigitaj per likva nitrogeno, t.e. je T_k > 77 K.

Iuj superkonduktantoj konsiderataj « malalta temperaturo » rilatas al materialoj kun krita temperaturo sub 30 K, kiam plej ofte malvarmigitaj per likva heliumo (T_k > 4.2 K).

Elektraj konduktiloj por akceliloj je CERN por kondukti la saman kurenton (12 500 A): supre - aro da nesuperkonduktantaj kabloj por LEP; malsupre - superkonduktanta kablo por la Granda Koliziigilo de Hadronoj (LHC).

Laŭ la materialo

La klasoj de superkonduktivaj materialoj inkludas kemiajn elementojn (ekz. hidrargo aŭ plombo), alojojn (kiel niobio–titanio, germaniumo–niobio, kaj niobia nitrido), ceramikaĵoj (ekz. ĉe altaj temperaturoj oksidoj YBCO) aŭ organikaj superkonduktantoj (fulerenoj kaj karbonaj nanotuboj)^[4][5].

Aplikoj

Oni uzas superkonduktivajn materialojn en kuracistaj bildomontraj aparatoj (MRB), magnetaj energirezervejoj, generatoroj, transformatoroj, iuj partiklaj akceliloj (LHC), nuklea fuzio (ITER, Tokamak) ktp.

Referencoj

1. Superconductivity | CERN. Alirita 2020-10-29 . (angle)
2. (5 March 2018) “Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity (Surpriza grafena malkovro povus malŝlosi sekretojn de superkonduktiveco)”, Nature 555 (7695), p. 151–2. doi:10.1038/d41586-018-02773-w. Bibkodo:2018Natur.555..151G. “Superconductors come broadly in two types: conventional, in which the activity can be explained by the mainstream theory of superconductivity, and unconventional, where it can't.”. 
3. (2011) “The great quantum conundrum”, Nature 476 (7358), p. 37–39. doi:10.1038/476037a. 27665903.  (angle)
4. (2015-07-15) “Superconducting materials classes: Introduction and overview (Supdrkonduktantaj materialoj: enkonduko kaj superrigardo)”, Physica C: Superconductivity and Its Applications (en) 514, p. 1–8. doi:10.1016/j.physc.2015.03.002. Bibkodo:2015PhyC..514....1H. 12895850. 
5. Classification of Superconductors.

Eksteraj ligiloj

(angle) Tabelo de superkonduktantoj sub normala premo (bluaj), kaj nur sub altaj premoj (verdaj)

(angle) Superkonduktiveco de Hyperphysics

• Ĉi tiu artikolo legita esperante ĉe YouTube

Forpelo de magneta fluksolinoj aŭ ne, dependante ĉu la temperaturo estas pli aŭ malpli alta ol la krita (sojla) temperaturo T_c.

Komparo de reagoj de induktiaj kampoj al eksteraj magnetaj kampoj inter superkonduktantoj de tipo I (ruĝa kurbo) kaj de tipo II (blua kurbo).

Konduto de varmokapacito (c_v, blua) kaj elektra rezistanco (ρ, verda) laŭ la temperaturo pri superkonduktanto de tipo I, sen ekstera magneta indukdenso.