Superkonduktivitas logam, penemuan Heike Kamerling-Onnes

Yang pertama menemukan fenomena superkonduktivitas Heike Kamerling Onnes — Fisikawan dan kimiawan Belanda. Tahun penemuan fenomena itu adalah 1911. Dan sudah pada tahun 1913, ilmuwan tersebut akan menerima Hadiah Nobel Fisika untuk penelitiannya.

Melakukan studi tentang hambatan listrik merkuri pada suhu yang sangat rendah, ia ingin menentukan sampai tingkat mana hambatan suatu zat terhadap arus listrik dapat turun jika dibersihkan dari kotoran, dan untuk mengurangi sebanyak mungkin apa yang dapat terjadi. ditelepon. » kebisingan termal «, yaitu menurunkan suhu zat-zat ini. Hasilnya tidak terduga dan mencengangkan. Pada suhu di bawah 4,15 K, hambatan merkuri tiba-tiba hilang sama sekali!

Di bawah ini adalah grafik dari apa yang diamati Onnes.

Pada masa itu, sains setidaknya sudah mengetahui sebanyak itu arus dalam logam adalah aliran elektron, yang dipisahkan dari atomnya dan, seperti gas bermuatan, terbawa oleh medan listrik.Ini seperti angin ketika udara bergerak dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Hanya sekarang, dalam kasus arus, bukannya udara, ada elektron bebas, dan perbedaan potensial antara ujung kabel analog dengan perbedaan tekanan untuk contoh udara.

Dalam dielektrik, ini tidak mungkin, karena elektron terikat erat pada atomnya dan sangat sulit untuk melepaskannya dari tempatnya. Dan meskipun dalam logam elektron yang membentuk arus bergerak relatif bebas, mereka kadang-kadang bertabrakan dengan rintangan berupa atom yang bergetar dan terjadi semacam gesekan yang disebut hambatan listrik.

Tetapi pada suhu yang sangat rendah, ia mulai memanifestasikan dirinya superkonduktivitas, efek gesekan menghilang karena suatu alasan, resistansi konduktor turun menjadi nol, yang berarti elektron bergerak bebas sepenuhnya, tanpa hambatan. Tapi bagaimana ini mungkin?

Untuk menemukan jawaban atas pertanyaan ini, fisikawan telah menghabiskan waktu puluhan tahun untuk meneliti. Dan bahkan hari ini kabel biasa disebut kabel "normal", sementara konduktor dalam keadaan resistansi nol disebut "superkonduktor".

Perlu dicatat bahwa meskipun konduktor biasa mengurangi resistansi dengan penurunan suhu, tembaga, bahkan pada suhu beberapa kelvin, tidak menjadi superkonduktor, dan merkuri, timah, dan aluminium menjadi, resistansi mereka ternyata setidaknya seratus triliun. kali lebih rendah dari tembaga di bawah kondisi yang sama.

Perlu dicatat bahwa Onnes tidak membuat klaim yang tidak berdasar bahwa resistansi merkuri selama aliran arus menjadi nol, dan tidak turun begitu saja sehingga menjadi tidak mungkin untuk mengukurnya dengan instrumen saat itu.

Dia melakukan percobaan di mana arus dalam kumparan superkonduktor yang direndam dalam helium cair terus bersirkulasi sampai jin menguap. Jarum kompas yang mengikuti medan magnet kumparan tidak menyimpang sama sekali! Pada tahun 1950, eksperimen yang lebih akurat semacam ini akan berlangsung selama satu setengah tahun, dan arusnya tidak akan berkurang sama sekali, meskipun dalam jangka waktu yang lama.

Awalnya, diketahui bahwa hambatan listrik suatu logam sangat bergantung pada suhu, Anda dapat membuat grafik seperti itu untuk tembaga.

Semakin tinggi suhunya, semakin banyak atom yang bergetar.Semakin banyak atom yang bergetar, semakin signifikan hambatannya di jalur elektron yang membentuk arus. Jika suhu logam menurun, maka resistansinya akan berkurang dan mendekati resistansi sisa tertentu R0. Dan resistansi sisa ini, ternyata, bergantung pada komposisi dan "kesempurnaan" sampel.

Faktanya adalah cacat dan kotoran ditemukan pada sampel yang terbuat dari logam. Ketergantungan ini menarik perhatian Ones terutama pada tahun 1911, awalnya dia tidak berjuang untuk superkonduktivitas, tetapi hanya ingin mencapai frekuensi konduktor sebanyak mungkin untuk meminimalkan resistansi sisa.

Pada tahun-tahun itu, merkuri lebih mudah untuk dimurnikan, jadi peneliti menemukannya secara tidak sengaja, meskipun platina, emas, dan tembaga adalah konduktor yang lebih baik daripada merkuri pada suhu biasa, hanya lebih sulit untuk memurnikannya.

Saat suhu menurun, keadaan superkonduktor terjadi secara tiba-tiba pada saat tertentu ketika suhu mencapai tingkat kritis tertentu. Suhu ini disebut kritis, ketika suhu turun lebih rendah lagi, resistansi turun tajam ke nol.

Semakin murni sampelnya, semakin tajam penurunannya, dan pada sampel paling murni penurunan ini terjadi dalam selang waktu kurang dari seperseratus derajat, tetapi semakin tercemar sampelnya, semakin lama penurunannya dan mencapai puluhan derajat, ini terutama terlihat di superkonduktor suhu tinggi.

Suhu kritis sampel diukur di tengah interval penurunan tajam dan bersifat individual untuk setiap zat: untuk merkuri 4,15K, untuk niobium, 9,2K, untuk aluminium, 1,18K, dll. Paduan adalah cerita terpisah, superkonduktivitasnya ditemukan kemudian oleh Onnes: merkuri dengan emas dan merkuri dengan timah adalah paduan superkonduktor pertama yang ia temukan.

Seperti disebutkan di atas, ilmuwan melakukan pendinginan dengan helium cair. Ngomong-ngomong, Onnes memperoleh helium cair dengan metodenya sendiri, dikembangkan di laboratorium khususnya sendiri, didirikan tiga tahun sebelum penemuan fenomena superkonduktivitas.

Untuk memahami sedikit tentang fisika superkonduktivitas yang terjadi pada suhu kritis sampel sehingga resistansi turun menjadi nol, perlu disebutkan transisi fase… Keadaan normal, ketika logam memiliki hambatan listrik normal, adalah fase normal. Fase superkonduktor - ini adalah keadaan ketika logam memiliki resistansi nol. Transisi fase ini terjadi segera setelah suhu kritis.

Mengapa transisi fase terjadi? Dalam keadaan "normal" awal, elektron merasa nyaman di atomnya, dan ketika arus mengalir melalui kabel dalam keadaan ini, energi sumber dikeluarkan untuk memaksa beberapa elektron meninggalkan atomnya dan mulai bergerak di sepanjang medan listrik, meskipun menemui hambatan yang berkedip-kedip di jalan mereka.

Ketika kawat didinginkan ke suhu di bawah suhu kritis dan pada saat yang sama arus dibuat melaluinya, akan lebih mudah bagi elektron (energi yang disukai, energi yang murah) untuk berada di arus ini, dan untuk kembali ke aslinya. keadaan "normal", dalam hal ini perlu, untuk mendapatkan energi ekstra dari suatu tempat, tetapi tidak datang dari mana pun. Oleh karena itu, keadaan superkonduktor sangat stabil sehingga materi tidak dapat meninggalkannya kecuali jika dipanaskan kembali.

Lihat juga:efek Meissner dan penggunaannya