Superlaidumas - tai ypatinga medžiagos būsena, kuriai būdingas visiškas elektrinės varžos išnykimas. Fizikai superlaidumu laiko tokią medžiagos būseną, kuomet elektros srovė ja gali tekėti nesutikdama jokio pasipriešinimo, t. y. varžos. Tai reiškia, kad elektros energija nepereina į šilumą.
Meisnerio efektas superlaidininke
Šis reiškinys atveria plačias pritaikymo galimybes įvairiose srityse, tačiau didžiausias iššūkis yra superlaidininkų, veikiančių aukštesnėse temperatūrose, kūrimas. Šiame straipsnyje nagrinėsime superlaidumo priklausomybę nuo temperatūros, įvairių superlaidininkų tipų savybes ir mokslinių tyrimų, skirtų kambario temperatūros superlaidumui pasiekti, perspektyvas.
Superlaidumas ir jo savybės
Tai reiškia, kad elektros srovė, pradėjusi tekėti superlaidžioje grandinėje, be jokio išorinio šaltinio nesusilpnėdama galėtų tekėti amžinai. Superlaidumo reiškinys naudojamas magnetinio rezonanso pagrindu veikiančiuose prietaisuose, mobiliųjų telefonų bazinėse stotyse, greituosiuose magnetinių pagalvių traukiniuose.
Deja, daugelis dabartinių superlaidžių medžiagų veikia esant tik itin žemoms temperatūroms, todėl tokioms medžiagoms šaldyti reikalinga brangi įranga.
Taip pat skaitykite: Socialinio darbo metodai priklausomybėms įveikti
Tradiciniai ir aukštatemperatūriai superlaidininkai
Yra dviejų pagrindinių tipų superlaidininkai: tradiciniai (metalai) ir aukštatemperatūriai (vario oksidų keramikos). Kitaip nei ankstesnieji metaliniai superlaidininkai, naujieji pasižymi dielektrinėmis savybėmis. Įprastuose superlaidininkuose elektronai sudaro poras prie virsmo temperatūros ir kondensuojasi į kolektyvinę koherentinę būseną elektros srovės pernešimui.
Aukštatemperatūriniai superlaidininkai turi didelį panaudojimo potencialą kasdieniniame gyvenime, nes jie veikia prie žymiai aukštesnių temperatūrų nei įprasti superlaidininkai, kuriuos reikia atšaldyti iki beveik absoliutaus nulio (0 K arba -273 laipsniai Celsijaus).
Temperatūros įtaka superlaidumui
Superlaidumas pasireiškia tik žemesnėje nei kritinė temperatūra (Tc) temperatūroje. Ši temperatūra yra skirtinga kiekvienai medžiagai. Superlaidumo energijos juosta (lygi energijai, kurios reikėtų norint suardyti tokią elektronų porą) nusako superlaidumo būsenos stiprumą. Ši juosta yra plačiausia esant žemoms temperatūroms ir visiškai išnyksta, kai temperatūra pasiekia superlaidumo susidarymo ribą.
Superlaidumo fliuktuacijos
Siekiant ištirti fazinį virsmą susijusį su superlaidumu, mokslininkų grupė ieškojo superlaidumo fliuktuacijų virš virsmo temperatūros. Šios fliuktuacijos panašios į mažytes superlaidumo saleles ar lašelius, kurių viduje elektronų poros yra koherentiškos.
Šios salelės pasirodo trumpam ir vėl dingsta, kad vėl išlįstų kitoje vietoje. Tokios fliuktuacijos yra stebimos kiekviename superlaidininke, tik įprastuose jos vyksta labai arti virsmo temperatūros, todėl fazinis virsmas yra labai staigus.
Taip pat skaitykite: Kaip atpažinti priklausomybę nuo muzikos
Mokslininkai tyrė superlaidininką, turintį įvairius lantano ir stroncio, tarp kurių yra vario oksido sluoksniai, atomų kiekius. Tiriamieji bandiniai buvo paruošti Brukhaveno nacionalinėje laboratorijoje, o terahertcinė spektroskopija atlikta Džonso Hopkinso universitete.
Mokslininkai aiškiai matė superlaidines fliuktuacijas, bet jos santykinai greitai slopdavo - apie 10-15 K virš virsmo temperatūros nepriklausomai nuo lantano ir stroncio atomų skaičiaus santykio. Galima daryti išvadą, kad kupratuose elektronų poros netenka koherentiškumo prie virsmo temperatūros.
Aukštatemperatūrio superlaidumo mįslė
Nuo pat aukštatemperatūriniu superlaidumu pasižyminčių medžagų atradimo prieš dvidešimt penkerius metus, mokslininkai bando šį efektą paaiškinti. Dėl tos priežasties, daugelis mokslininkų įsitikinę, kad vienas svarbiausių šių dienų fizikos neišspręstų uždavinių yra aukštatemperatūrinio superlaidumo supratimas.
Mokslininkų komanda išmatavo energijos juostą ir ištyrė jos priklausomybę nuo temperatūros. Paaiškėjo, kad geležies pagrindo superlaidininkų ir įprastinių vario pagrindo aukštatemperatūrių superlaidininkų porų susidarymo mechanizmai skiriasi.
Tyrėjus labiausiai nustebino tai, kad gauti rezultatai buvo visiškai nesuderinami su naujomis šios „karštos“ fizikos srities teorijomis.
Taip pat skaitykite: Kainų analizė
Naujų superlaidininkų paieškos
Aukštatemperatūrio superlaidininko pavyzdys
Mokslininkams reikia pabandyti įveikti rimtą iššūkį: surasti tokių superlaidininkų, kurie veiktų esant kur kas įprastesnėms temperatūroms. Mokslininkų komanda, vadovaujama fizikos profesoriaus ir Džono Hopkinso universiteto medžiagų tyrimo ir inžinerijos centro direktoriaus Čia Ling Čino (Chia Ling Chien), sugalvojo, kaip būtų galima paaiškinti, kodėl naujosios geležies pagrindo superlaidininkų šeimos savybėms apibūdinti reikalingi nauji teoriniai modeliai, kurie, pasak tyrėjų, leistų sukurti superlaidininkus, veikiančius kambario temperatūroje.
Pasako T. Čeno, nors metalai turi laisvųjų elektronų, kurie gali sukurti elektros srovę, tam, kad pasireikštų superlaidumas, būtina, jog du priešingų sukinių orientacijų elektronai sudarytų porą.
Superlaidumo teoriniai modeliai
Prieš keturiolika metų vienas stygų teorijos specialistas Chuanas Maldacena (Juan Maldacena) iškėlė mintį, jog kai kurias stipriai sąveikaujančias kvantines mechanines sistemas būtų galima modeliuoti pastovaus neigiamo kreivio erdvėlaikiu, kurį aprašytų klasikinės gravitacijos teorija.
Kadangi Moto uždavinys yra puikus stipriai sąveikaujančių dalelių pavyzdys, F. Filipas su savo kolegomis iškėlė klausimą: ar įmanoma sukurti gravitacijos teoriją, kuri gebėtų atkartoti Moto dielektriką?
Tyrėjai pasinaudojo Ch. Maldacenos hipoteze ir sugalvojo modelį, aprašantį elektronų judėjimą iškreivintu erdvėlaikiu, jo viduje esant krūviu pasižyminčiai juodajai skylei. Mokslininkai šiai juodajai skylei priskyrė dvi įprastos aukštatemperatūrių superlaidininkų būsenos savybes.
Masačusetso technologijos instituto (MIT) fizikai mano, kad jiems pavyko paaiškinti paslaptingą medžiagos būseną, siejamą su aukštatemperatūriu superlaidumu.
Vadovaujami asistuojančio fizikos profesoriaus Eriko Hadsono (Eric Hudson), MIT tyrėjai nagrinėja medžiagas, kuriomis elektros srovė teka be jokio pasipriešinimo esant maždaug 30 Kelvinų temperatūrai (apie -243° C). Tokių medžiagų pritaikymas taptų praktiškai neribotas, jeigu jos pasižymėtų superlaidumu kambario temperatūroje.
E. Hadsono vadovaujama komanda labiausiai domisi medžiagos būsena, kuri pasireiškia temperatūrai priartėjus prie superlaidumui pasiekti reikalingos temperatūros. Ši vadinamoji pseudotarpinė medžiagos būsena mokslininkams kol kas yra ganėtinai mįslinga, tačiau manoma, kad ją būtina paaiškinti, norint perprasti superlaidumo susidarymo mechanizmą.
Naujausiame darbe, išspausdintame liepos 6 d. žurnalo „Nature Physics“ internetiniame variante, tyrėjai siūlo idėją, kad pseudotarpinė būsena nėra superlaidumo pirmtakė. Priešingai, ji konkuruoja su superlaidumu.
Pasak E. Hadsono, jeigu tai tiesa, tuomet fizikai būtų priversti visiškai kitaip pažvelgti į superlaidumo prigimtį.
MIT mokslininkai tyrinėjo kelis bismuto junginių bandinius, galinčius tapti superlaidžiais pakankamai aukštose temperatūrose. Kiekvienas iš jų buvo nevienodai legiruotas (įterpti papildomi deguonies atomai, keičiantys medžiagos elektrines savybes), todėl pasižymėjo skirtingomis superlaidumo ir pseudotarpinės būsenos savybėmis.
„Mes ištyrėme daugybę bandinių ir aptikome siūlo galą, vedantį prie galimo paaiškinimo - krūvio tankio bangos“, - pasakoja E. Hadsonas.
Kitų mokslininkų teigimu, pseudotarpinė būsena gali būti krūvio tankio banga, tačiau tai tik pirmasis sistemingas „šachmatų lentos“ modelio tyrimas. Vaizdas, primenantis šachmatų lentą, gaunamas bandinius skenuojant tuneliniu mikroskopu (STM).
Mokslininkų komanda, vadovaujama fizikos profesoriaus ir Džono Hopkinso universiteto medžiagų tyrimo ir inžinerijos centro direktoriaus Čia Ling Čino (Chia Ling Chien), sugalvojo, kaip būtų galima paaiškinti, kodėl naujosios geležies pagrindo superlaidininkų šeimos savybėms apibūdinti reikalingi nauji teoriniai modeliai, kurie, pasak tyrėjų, leistų sukurti superlaidininkus, veikiančius kambario temperatūroje.
Nors termometro stulpeliai šoktelės aukštyn, to nepajusime: šilumą užgoš vėjas ir krituliai
tags: #superlaidininku #priklausomybe #nuo #temperaturos