Superconductividad
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La superconductividad es un fen??meno en cierto materiales generalmente a muy bajas temperaturas , caracterizado por exactamente cero resistencia el??ctrica y la exclusi??n de la interior campo magn??tico (la Efecto Meissner).
La el??ctrica resistividad de un met??licos conductor disminuye gradualmente a medida que se baja la temperatura. Sin embargo, en los conductores ordinarios tales como cobre y plata , impurezas y otros defectos imponer un l??mite inferior. Incluso cerca de cero absoluto una muestra real de cobre muestra una resistencia no-cero. La resistencia de un superconductor, por otro lado, cae abruptamente a cero cuando se enfr??a el material por debajo de su "temperatura cr??tica". Una corriente el??ctrica que fluye en un bucle de alambre superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de energ??a. Como ferromagnetismo y l??neas espectrales at??micas , la superconductividad es una mec??nica cu??ntica fen??meno. No puede entenderse simplemente como la idealizaci??n de la " conductividad perfecta "en la f??sica cl??sica.
La superconductividad se produce en una amplia variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el esta??o y aluminio , diversos met??lico aleaciones y algunos heavily- dopados semiconductores . La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata , ni en muestras puras de metales ferromagn??ticos.
En 1986, el descubrimiento de una familia de cuprate- perovskita materiales cer??micos conocidos como superconductores de alta temperatura, con temperaturas cr??ticas de m??s de 90 grados Kelvin, estimularon un renovado inter??s y la investigaci??n en superconductividad por varias razones. Como un tema de investigaci??n pura, estos materiales representan un nuevo fen??meno no explicado por la teor??a actual. Y, debido a que el estado superconductor persiste hasta temperaturas m??s manejables, m??s all?? de la econ??micamente importante punto de ebullici??n de nitr??geno l??quido (77 Kelvin), las aplicaciones m??s comerciales son factibles, especialmente si los materiales con incluso mayor cr??tico temperaturas podr??an ser descubiertos.
Para la historia de la superconductividad ver aqu??.
Propiedades elementales de los superconductores
La mayor??a de las propiedades f??sicas de los superconductores puede variar de material a material, tal como el capacidad de calor y la temperatura cr??tica, campo cr??tico, y la densidad de corriente cr??tica en la que se destruye la superconductividad.
Por otro lado, hay una clase de propiedades que son independientes del material subyacente. Por ejemplo, todos los superconductores tienen exactamente resistividad cero a bajas corrientes aplicado cuando no hay campo magn??tico presente. La existencia de estas propiedades "universales" implica que la superconductividad es una fase termodin??mica , y por lo tanto poseen ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microsc??picos.
Cero el??ctrico "dc" resistencia
El m??todo m??s simple para medir la resistencia el??ctrica de una muestra de alg??n material es colocarlo en una circuito el??ctrico en serie con una fuente de corriente I y medir la resultante voltaje V a trav??s de la muestra. La resistencia de la muestra est?? dada por La ley de Ohm como 
. Si la tensi??n es cero, esto significa que la resistencia es cero y que la muestra est?? en el estado superconductor.
Los superconductores tambi??n son capaces de mantener una corriente sin tensi??n aplicada en absoluto, una propiedad explotada en superconductor electroimanes tales como los encontrados en M??quinas de resonancia magn??tica. Los experimentos han demostrado que las corrientes en bobinas superconductoras pueden persistir durante a??os sin ninguna degradaci??n mensurable. Experimentales evidencia apunta a un curso de la vida corriente de al menos 100.000 a??os, y las estimaciones te??ricas de la vida ??til de una corriente persistente exceden la vida ??til estimada del universo .
En un conductor normal, una corriente el??ctrica puede ser visualizado como un fluido de electrones que se mueven a trav??s de una pesada i??nica de celos??a. Los electrones est??n constantemente colisionando con los iones en la red, y durante cada colisi??n algunos de la energ??a transportada por la corriente es absorbida por la celos??a y se convierten en calor , que es esencialmente la vibraci??n de la energ??a cin??tica de los iones de la red. Como resultado, la energ??a transportada por la corriente est?? siendo constantemente disipa. Este es el fen??meno de la resistencia el??ctrica.
La situaci??n es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electr??nica no se puede resolver en electrones individuales. En su lugar, se compone de pares ligados de electrones conocidos como Pares de Cooper. Este emparejamiento es causada por una fuerza de atracci??n entre los electrones del intercambio de fonones. Debido a la mec??nica cu??ntica , la espectro de energ??a de este fluido par de Cooper posee una brecha de energ??a, es decir, hay una cantidad m??nima de energ??a AE que debe suministrarse con el fin de excitar el fluido. Por lo tanto, si? E es m??s grande que el energ??a t??rmica de la red, dado por kT, donde k es La constante de Boltzmann y T es la temperatura , el fluido no ser?? dispersada por la red. El fluido par de Cooper es, pues, un superfluido, lo que significa que puede fluir sin disipaci??n de energ??a.
En una clase de superconductores conocidos como II superconductores de tipo, incluidos todos conocida superconductores de alta temperatura, una cantidad extremadamente peque??a de la resistividad aparece a temperaturas no demasiado lejos por debajo de la transici??n superconductora nominal cuando se aplica una corriente el??ctrica en conjunci??n con un fuerte campo magn??tico, que puede ser causada por la corriente el??ctrica. Esto es debido al movimiento de los v??rtices en el superfluido electr??nico, que disipa algo de la energ??a transportada por la corriente. Si la corriente es suficientemente peque??o, los v??rtices son estacionarias, y la resistividad se desvanece. La resistencia debido a este efecto es peque??o en comparaci??n con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en los experimentos sensibles. Sin embargo, al disminuir la temperatura lo suficientemente por debajo de la transici??n superconductora nominal, estos v??rtices pueden llegar a ser congelado en una fase desordenada, pero estacionaria conocido como un "v??rtice de vidrio". Por debajo de esta temperatura de transici??n v??trea de v??rtice, la resistencia del material se vuelve verdaderamente cero.
Transici??n de fase superconductora
En los materiales superconductores, las caracter??sticas de la superconductividad aparecen cuando la temperatura T se baja por debajo de una temperatura cr??tica T c. El valor de esta temperatura cr??tica var??a de un material a otro. Superconductores convencionales suelen tener temperaturas cr??ticas que van desde alrededor de 20 K ( Kelvin ) a menos de 1 K. s??lido de mercurio , por ejemplo, tiene una temperatura cr??tica de 4.2 K. A partir de 2001 , la m??s alta temperatura cr??tica encontrado para un superconductor convencional es de 39 K para diboruro de magnesio (MgB 2), aunque este material presenta suficientes propiedades ex??ticas de que existen dudas acerca de clasificarlo como un superconductor "convencional". Superconductores de cuprato pueden tener mucho m??s altas temperaturas cr??ticas: YBa 2 Cu 3 O 7, uno de los primeros superconductores de cuprato a ser descubierto, tiene una temperatura cr??tica de 92 K, y cupratos base de mercurio se han encontrado con temperaturas cr??ticas de m??s de 130 K. La explicaci??n para estas temperaturas altas restos cr??ticos desconocido. Electron emparejamiento debido a intercambios fonones explica la superconductividad en los superconductores convencionales, pero no explica la superconductividad en los superconductores nuevos que tienen una muy alta temperatura cr??tica.
El inicio de la superconductividad se acompa??a de cambios abruptos en diversas propiedades f??sicas, que es el sello de una transici??n de fase. Por ejemplo, la electr??nica capacidad de calor es proporcional a la temperatura en la (no superconductor) r??gimen normal. En la transici??n superconductora, sufre un salto discontinuo y a partir de entonces deja de ser lineal. A bajas temperaturas, que var??a en cambio, como e -α / T para algunos α constante. Este comportamiento exponencial es una de las piezas de evidencia para la existencia de la brecha de energ??a.
La fin de la transici??n de fase superconductora fue durante mucho tiempo un tema de debate. Los experimentos indican que la transici??n es de segundo orden, lo que significa que no hay calor latente. Los c??lculos en la d??cada de 1970 sugirieron que en realidad puede ser d??bilmente primer orden debido al efecto de las fluctuaciones a largo plazo en el campo electromagn??tico. S??lo recientemente se demostr?? te??ricamente con la ayuda de una trastorno de la teor??a de campo, en el que la l??neas de v??rtice del superconductor desempe??an un papel importante, que la transici??n es de segundo orden dentro del r??gimen de tipo II y de primer orden (es decir, calor latente) dentro del r??gimen de tipo I, y que las dos regiones est??n separadas por una punto tricritical.
Efecto Meissner
Cuando un superconductor se coloca en un d??bil externa campo magn??tico H, el campo penetra en el superconductor por s??lo una corta distancia λ, llamada London profundidad de penetraci??n, despu??s de lo cual decae r??pidamente a cero. Esto se llama el Efecto Meissner, y es una caracter??stica definitoria de la superconductividad. Para la mayor??a de los superconductores, la profundidad de penetraci??n Londres es del orden de 100 nm.
El efecto Meissner es a veces confundido con el tipo de diamagnetism uno esperar??a en un conductor el??ctrico perfecto: seg??n La ley de Lenz, cuando un campo magn??tico variable se aplica a un conductor, induce una corriente el??ctrica en el conductor que crea un campo magn??tico opuesto. En un conductor perfecto, una corriente arbitrariamente grande puede ser inducida, y el campo magn??tico resultante cancela exactamente el campo aplicado.
El efecto Meissner es distinto de esto porque un superconductor expulsa todos los campos magn??ticos, no s??lo a aquellos que est??n cambiando. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magn??tico interno constante. Cuando se enfr??a el material por debajo de la temperatura cr??tica, se podr??a observar la expulsi??n brusca del campo magn??tico interno, que no esperar??amos en base a la ley de Lenz.
El efecto Meissner fue explicado por los hermanos Fritz y Heinz Londres, que mostr?? que la electromagn??tica energ??a libre en un superconductor se minimiza proporcionado
donde H es el campo magn??tico y λ es la profundidad de penetraci??n de Londres.
Esta ecuaci??n, que se conoce como la Ecuaci??n Londres, predice que el campo magn??tico en un superconductor decae exponencialmente desde cualquier valor que posee en la superficie.
El efecto Meissner se rompe cuando el campo magn??tico aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases de acuerdo a c??mo se produce este aver??a. En los superconductores de tipo I, se destruye la superconductividad abruptamente cuando la fuerza del campo aplicado se eleva por encima de un valor cr??tico H c. Dependiendo de la geometr??a de la muestra, se puede obtener un estado intermedio que consiste de las regiones de material normal que llevan un campo magn??tico mezclado con regiones de material superconductor que contiene ning??n campo. En los superconductores de tipo II, elevando el campo aplicado m??s all?? de un valor cr??tico Hc 1 conduce a un estado mixto en el que una cantidad cada vez mayor de flujo magn??tico penetra en el material, pero no queda ninguna resistencia al flujo de corriente el??ctrica, siempre y cuando la corriente no es demasiado grande. En una segunda intensidad de campo cr??tico Hc 2, se destruye la superconductividad. El estado mixto es en realidad causada por los v??rtices en el superfluido electr??nica, a veces llamado fluxons porque el flujo transportado por estos v??rtices es cuantizada. La mayor??a de los puros elementales superconductores, a excepci??n de niobio , tecnecio , vanadio y los nanotubos de carbono, son de tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestas son de tipo II.
Momento en Londres
A la inversa, un superconductor en rotaci??n genera un campo magn??tico, precisamente alineada con el eje de giro. El efecto, la Momento en Londres, fue puesto a buen uso en Gravity Probe B. Este experimento mide los campos magn??ticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar sus ejes de giro. Esto era fundamental para el experimento, ya que es una de las pocas formas de determinar con precisi??n el eje de giro de una esfera de otro modo sin rasgos.
Las teor??as de la superconductividad
Desde el descubrimiento de la superconductividad, grandes esfuerzos se han dedicado a averiguar c??mo y por qu?? funciona. Durante la d??cada de 1950, te??ricos de la materia condensada f??sicos llegaron a un entendimiento s??lido de la superconductividad "convencional", a trav??s de un par de teor??as notables e importantes: la fenomenol??gica Teor??a Ginzburg-Landau (1950) y la microsc??pica Teor??a BCS (1957). Las generalizaciones de estas teor??as son la base para la comprensi??n del fen??meno estrechamente relacionado de superfluidez, porque caen en la Lambda transici??n clase de universalidad, pero el grado en que las generalizaciones similares se pueden aplicar a superconductores no convencionales, as?? sigue siendo controvertido. La extensi??n de cuatro dimensiones de la Teor??a Ginzburg-Landau, el Modelo de Coleman-Weinberg, es importante en la teor??a cu??ntica de campos y la cosmolog??a .
Historia de la superconductividad
La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, que estaba estudiando la resistencia del s??lido de mercurio en temperaturas criog??nicas utilizando el l??quido reci??n descubierto helio como refrigerante. A la temperatura de 4,2 K, observ?? que la resistencia desapareci?? abruptamente. En las d??cadas siguientes, la superconductividad se encuentra en otros materiales. En 1913, el plomo se encontr?? que superconducir a 7 K, y en 1941 nitruro de niobio se encontr?? que superconducir a 16 K.
El siguiente paso importante en la comprensi??n de la superconductividad se produjo en 1933, cuando Meissner y Ochsenfeld descubri?? que los superconductores expulsados campos magn??ticos aplicados, un fen??meno que ha llegado a ser conocido como el Efecto Meissner. En 1935, F. y H. Londres mostr?? que el efecto Meissner fue una consecuencia de la minimizaci??n de la electromagn??tico energ??a libre llevado por superconductor actual.
En 1950, la fenomenol??gica Teor??a Ginzburg-Landau de la superconductividad fue ideado por Landau y Teor??a Ginzburg.This, que combina la teor??a de segundo orden de Landau transiciones de fase con un Ecuaci??n de onda de Schr??dinger-como, tenido un gran ??xito en la explicaci??n de las propiedades macrosc??picas de los superconductores. En particular, Abrikosov demostr?? que la teor??a Ginzburg-Landau predice la divisi??n de los superconductores en las dos categor??as ya mencionadas como Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg fueron galardonados con el 2003 Premio Nobel por su trabajo (Landau hab??a muerto en 1968).
Tambi??n en 1950, Maxwell y Reynolds et al. Encontraron que la temperatura cr??tica de un superconductor depende de la masa isot??pica del componente de elemento . Este importante descubrimiento se??al?? el electr??n - la interacci??n de fonones como el mecanismo microsc??pico responsable de la superconductividad.
La teor??a microsc??pica completa de la superconductividad fue finalmente propuesto en 1957 por Bardeen, Cooper, y Schrieffer. Independientemente, el fen??meno de la superconductividad se explica por Nikolay Bogolyubov. Este Teor??a BCS explic?? la actual superconductor como un superfluido de Pares de Cooper, pares de electrones que interact??an a trav??s del intercambio de fonones. Para este trabajo, los autores fueron galardonados con el Premio Nobel en 1972.
La teor??a BCS se encuentra en una posici??n m??s firme en 1958, cuando Bogoliubov mostr?? que la funci??n de onda BCS, que originalmente hab??a sido derivado de un argumento variacional, se podr??a obtener mediante una transformaci??n can??nica de la electr??nica Hamiltoniano. En 1959, Lev Gor'kov mostr?? que la teor??a BCS reducido a la teor??a Ginzburg-Landau cerca de la temperatura cr??tica.
En 1962, el primer cable superconductor comercial, una aleaci??n de niobio-titanio, fue desarrollado por investigadores de la Westinghouse. En el mismo a??o, Josephson hizo la predicci??n te??rica importante que un supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una fina capa de aislante. Este fen??meno, que ahora se llama la Efecto Josephson, es explotada por los dispositivos superconductores como SQUID. Se utiliza en las mediciones disponibles m??s precisas de la cuanto de flujo magn??tico 
, Y por lo tanto (junto con el Hall cu??ntico resistividad) para H la constante de Planck. Josephson fue galardonado con el Premio Nobel por este trabajo en 1973.
Superconductividad de alta temperatura
Hasta 1986, los f??sicos cre??an que la teor??a BCS prohibi?? superconductividad a temperaturas por encima de 30 K. En ese a??o, Bednorz y M??ller descubri?? la superconductividad en una de lantano basado en cuprato material de perovskita, que ten??a una temperatura de transici??n de 35 K (Premio Nobel de F??sica, 1987). Fue encontrado por poco MK Wu et al. que la sustituci??n del lantano con itrio , es decir, hacer YBCO, plante?? la temperatura cr??tica de 92 K, que era importante porque nitr??geno l??quido podr??a entonces ser utilizado como un refrigerante (a presi??n atmosf??rica, el punto de ebullici??n del nitr??geno es 77 K). Esto es importante comercialmente porque el nitr??geno l??quido se puede producir a bajo costo en el lugar sin materias primas, y no es propenso a algunos de los problemas (tapones de aire s??lidos, etc??tera) de helio en la tuber??a. Muchos otros superconductores de cuprato ya que se han descubierto, y la teor??a de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales retos pendientes de te??rica f??sica de la materia condensada .
Desde aproximadamente 1993 el m??s alto superconductor temperatura era de un material cer??mico que consta de talio, mercurio, cobre, bario, calcio y ox??geno, con T c = 138 K.
En febrero de 2008 se descubri?? una familia a base de hierro de los superconductores de alta temperatura. Hideo Hosono del Instituto de Tecnolog??a de Tokio y sus colegas encontraron que el arseniuro de hierro fl??or ox??geno lantano (Lao-1 x F x Feas) un oxypnictide se convierte en un superconductor a 26 Kelvin. Las investigaciones posteriores de otros grupos sugiere que la sustituci??n del lantano en LaO 1-x F x Feas con otros elementos de tierras raras como el cerio, samario, neodimio y praseodimio lleva a superconductores que trabajan en 52 K. Los expertos esperan que tenga otra familia para estudiar voluntad simplificar la tarea de explicar c??mo funcionan estos materiales.
Clasificaci??n
No es s??lo un criterio para clasificar los superconductores. Los m??s comunes son:
- Por sus propiedades f??sicas: pueden ser Tipo I (si su transici??n de fase es de primer orden) o Tipo II (si su transici??n de fase es de segundo orden).
- Por la teor??a de explicarlos: pueden ser convencional (si es que se explican por la teor??a BCS o sus derivados) o no convencional (si no).
- Por su temperatura cr??tica: pueden ser alta temperatura (generalmente se considera si llegan al estado superconductor s??lo les enfriamiento con nitr??geno l??quido, es decir, si T c> 77K), o baja temperatura (generalmente si necesitan otras t??cnicas para ser enfriados bajo su temperatura cr??tica).
- Por el material: pueden ser elementos qu??micos (como el mercurio o el plomo ), aleaciones (como niobio-titanio o germanio-niobio), cer??micas (como se YBCO o la diboruro de magnesio), o superconductores org??nicos (como fullerens o Los nanotubos de carbono, que t??cnicamente podr??an incluirse entre los elementos qu??micos como los que est??n hechos de carbono ).
Aplicaciones
Imanes superconductores son algunos de los m??s poderosos electroimanes conocidos. Se utilizan en los trenes de levitaci??n magn??tica , RM y M??quinas de RMN y los imanes de direcci??n del haz utilizados en aceleradores de part??culas. Tambi??n pueden ser utilizados para la separaci??n magn??tica, donde las part??culas d??bilmente magn??ticas se extraen de un fondo de part??culas de menos o no magn??ticas, como en los pigmentos industrias.
Los superconductores tambi??n se han utilizado para hacer circuitos digitales (por ejemplo, basados en el La r??pida tecnolog??a Single Flux Quantum) y Filtros de RF y microondas para tel??fonos m??viles estaciones base.
Los superconductores se utilizan para construir Uniones Josephson, que son los bloques de construcci??n de SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cu??ntica), la m??s sensible magnet??metros conocidos. Serie de dispositivos de Josephson se utilizan para definir el SI voltios . Dependiendo del modo particular de operaci??n, una Uni??n de Josephson se puede utilizar como fotones o como detector mezclador. El cambio de resistencia grande en la transici??n de la normal- al estado superconductor se utiliza para construir term??metros en criog??nico fot??n micro-calor??metro detectores.
Otros mercados primeros est??n surgiendo en la eficiencia relativa, tama??o y peso ventajas de los dispositivos basados en HTS son mayores que los costos adicionales que ello suponga.
Futuras aplicaciones prometedoras incluyen alto rendimiento transformadores, dispositivos de almacenamiento de energ??a, transmisi??n de energ??a el??ctrica, motores el??ctricos (por ejemplo, para la propulsi??n de veh??culos, como en vactrains o trenes de levitaci??n magn??tica ), dispositivos de levitaci??n magn??tica, y Limitadores de Corriente. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magn??ticos en movimiento para que las aplicaciones que utilizan corriente alterna (por ejemplo, transformadores) ser?? m??s dif??cil de desarrollar que los que conf??an en corriente continua.
