Supraconductivit??
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La supraconductivit?? est un ph??nom??ne dans certains mat??riaux g??n??ralement ?? tr??s basses temp??ratures , caract??ris?? par z??ro exactement r??sistance ??lectrique et l'exclusion de l'int??rieur champ magn??tique (la Effet Meissner).
L'??lectrique r??sistivit?? d'un m??tal conducteur diminue progressivement ?? mesure que la temp??rature est abaiss??e. Cependant, dans les conducteurs ordinaires tels que le cuivre et l'argent , les impuret??s et autres d??fauts imposer une limite inf??rieure. M??me proche du z??ro absolu un ??chantillon r??el de cuivre pr??sente une r??sistance non nulle. La r??sistance d'un supraconducteur, d'autre part, diminue brusquement ?? z??ro lorsque le mat??riau est refroidi en dessous de sa "temp??rature critique". Une courant ??lectrique circulant dans une boucle de fil supraconducteur peut persister ind??finiment sans alimentation ??lectrique. Comme ferromagn??tisme et lignes spectrales atomiques , la supraconductivit?? est une m??canique quantique ph??nom??ne. Il ne peut pas ??tre comprise simplement comme l'id??alisation de la " conductivit?? parfaite ??dans la physique classique.
La supraconductivit?? se produit dans une grande vari??t?? de mat??riaux, y compris des ??l??ments simples tels que l'??tain et l'aluminium , divers m??tallique alliages et certains heavily- dop??s semi-conducteurs . La supraconductivit?? ne se produit pas dans m??taux nobles comme l'or et l'argent , ni dans des ??chantillons purs de m??taux ferromagn??tiques.
En 1986, la d??couverte d'une famille de cuprate- perovskite des mati??res c??ramiques connues sous le nom supraconducteurs ?? haute temp??rature, avec des temp??ratures critiques sup??rieures ?? 90 Kelvin, stimul?? un regain d'int??r??t et de recherche dans la supraconductivit?? pour plusieurs raisons. Comme un sujet de recherche pure, ces mat??riaux repr??sentent un ph??nom??ne nouveau pas expliqu?? par la th??orie actuelle. Et, parce que l'??tat supraconducteur persiste jusqu'?? des temp??ratures plus faciles ?? g??rer, derni??res ??conomiquement importante point d'??bullition de azote liquide (77 K), des applications plus commerciales sont possibles, surtout si des mat??riaux ?? m??me critique plus ??lev??e des temp??ratures pourraient ??tre d??couverts.
Pour l'histoire de la supraconductivit?? voir ici.
Propri??t??s ??l??mentaires des supraconducteurs
La plupart des propri??t??s physiques des supraconducteurs varient d'un mat??riau ?? mat??riau, tel que le la capacit?? thermique et de la temp??rature critique, le champ critique, et la densit?? de courant critique ?? laquelle la supraconductivit?? est d??truite.
D'autre part, il existe une classe de propri??t??s qui sont ind??pendantes de la mati??re sous-jacente. Par exemple, tous les supraconducteurs ont exactement z??ro r??sistivit?? ?? des courants faibles appliqu??e quand il ya pas de champ magn??tique pr??sente. L'existence de ces propri??t??s "universelles" implique que la supraconductivit?? est une phase de thermodynamique , et poss??dent donc certaines propri??t??s distinctives qui sont largement ind??pendantes des d??tails microscopiques.
Z??ro ??lectrique "dc" r??sistance
La m??thode la plus simple pour mesurer la r??sistance ??lectrique d'un ??chantillon d'un mat??riau est de le placer dans un circuit ??lectrique en s??rie avec une source de courant I et de mesurer l'r??sultantes la tension V aux bornes de l'??chantillon. La r??sistance de l'??chantillon est donn??e par La loi d'Ohm que 
. Si la tension est nulle, cela signifie que la r??sistance est ??gale ?? z??ro et que l'??chantillon est ?? l'??tat supraconducteur.
Les supraconducteurs sont ??galement en mesure de maintenir un courant sans tension appliqu??e que ce soit, un bien exploit??e dans supraconducteur des ??lectro-aimants, tels que ceux trouv??s dans Appareils d'IRM. Des exp??riences ont d??montr?? que les courants dans les bobinages supraconducteurs peuvent persister pendant des ann??es sans aucune d??gradation mesurable. Points de preuve exp??rimentale ?? une dur??e de vie de courant d'au moins 100000 ann??es, et les estimations th??oriques pour la dur??e de vie d'un courant persistant d??passent la dur??e de vie estim??e de l' univers .
Dans un conducteur normal, un courant ??lectrique peut ??tre visualis??e en tant que fluide de ??lectrons se d??pla??ant ?? travers un lourd ionique treillis. Les ??lectrons sont constamment en collision avec les ions dans le r??seau, et lors de chaque collision partie de l' ??nergie transport??e par le courant est absorb?? par le r??seau et converti en chaleur , qui est essentiellement la vibration de l'??nergie cin??tique des ions du r??seau. En cons??quence, l'??nergie transport??e par le courant est constamment dissip??e. Ce est le ph??nom??ne de r??sistance ??lectrique.
La situation est diff??rente dans un supraconducteur. Dans un supraconducteur conventionnel, le fluide ??lectronique ne peut pas ??tre r??solu en ??lectrons individuels. Au lieu de cela, il se compose de paires d'??lectrons reli??s appel??s Paires de Cooper. Cette association est provoqu??e par une force d'attraction entre ??lectrons de l'??change de phonons. En raison de la m??canique quantique , le spectre d'??nergie de cette paire de fluide poss??de une Cooper ??cart de l'??nergie, ce qui signifie qu'il se agit d'un montant minimum de AE de l'??nergie qui doit ??tre fourni afin d'exciter le fluide. Par cons??quent, si AE est plus grande que la l'??nergie thermique du treillis, donn??s ?? kT, o?? k est Constante de Boltzmann et T est la temp??rature , le fluide ne sera pas diffus?? par le r??seau. La paire fluide Cooper est donc un superfluide, ce qui signifie qu'il peut se ??couler sans dissipation d'??nergie.
Dans une classe de supraconducteurs connus sous le nom les supraconducteurs de type II, y compris tous connus supraconducteurs ?? haute temp??rature, une quantit?? extr??mement faible de r??sistivit?? appara??t ?? des temp??ratures pas trop loin en dessous de la transition supraconductrice nominal lorsqu'un courant ??lectrique est appliqu?? en combinaison avec un champ magn??tique puissant, qui peut ??tre provoqu??e par le courant ??lectrique. Ceci est d?? au mouvement de vortex dans le superfluide ??lectronique, qui dissipe une partie de l'??nergie transport??e par le courant. Si le courant est suffisamment petite, les tourbillons sont stationnaires, et la r??sistivit?? dispara??t. La r??sistance en raison de cet effet est minime par rapport ?? celle des mat??riaux non-supraconducteurs, mais doivent ??tre prises en compte dans les exp??riences sensibles. Toutefois, lorsque la temp??rature baisse suffisamment loin en dessous de la transition supraconductrice nominal, ces tourbillons peuvent ??tre congel??es dans une phase d??sordonn??e, mais immobile, dite "verre de vortex". En dessous de cette temp??rature de transition vitreuse de vortex, la r??sistance du mat??riau devient r??ellement z??ro.
Transition de phase supraconductrice
Dans les mat??riaux supraconducteurs, les caract??ristiques de supraconductivit?? apparaissent lorsque la temp??rature T est abaiss??e en dessous d'une temp??rature critique T c. La valeur de cette temp??rature critique varie de mat??riau ?? mat??riau. Supraconducteurs conventionnels ont g??n??ralement des temp??ratures critiques allant d'environ 20 K ( Kelvin ) ?? moins de 1 K. solide du mercure , par exemple, a une temp??rature critique de 4,2 K. En 2001 , la temp??rature critique plus ??lev??e constat??e pour un supraconducteur conventionnel est 39 K pour diborure de magn??sium (MgB 2), bien que ce mat??riau affiche assez propri??t??s exotiques qu'il ya doute sur le classant comme un supraconducteur "classique". supraconducteurs cuprates peuvent avoir des temp??ratures critiques beaucoup plus ??lev??s: YBa 2 Cu 3 O 7, l'un des premiers cuprates supraconducteurs ?? d??couvrir, a une temp??rature critique de 92 K et cuprates ?? base de mercure ont ??t?? trouv??s avec des temp??ratures critiques de plus de 130 K. L'explication de ces hautes temp??ratures critiques restes inconnue. Electron appariement en raison de ??changes de phonons explique la supraconductivit?? dans les supraconducteurs conventionnels, mais il ne explique pas la supraconductivit?? dans les supraconducteurs nouveaux qui ont une temp??rature critique tr??s ??lev??.
L'apparition de la supraconductivit?? se accompagne de changements brusques de diverses propri??t??s physiques, ce qui est la marque d'un transition de phase. Par exemple, le dispositif ??lectronique la capacit?? thermique est proportionnel ?? la temp??rature dans la (non supraconductrice) r??gime normal. A la transition supraconductrice, elle subit un saut discontinu et cesse d'??tre lin??aire par la suite. A basse temp??rature, il varie plut??t comme e -α / T pour certains α constant. Ce comportement exponentielle est l'un des ??l??ments de preuve de l'existence de la d??ficit ??nerg??tique.
Le ordre de la transition de phase supraconductrice fut longtemps un sujet de d??bat. Des exp??riences indiquent que la transition est le deuxi??me ordre, ce qui signifie qu'il n'y a pas de chaleur latente. Calculs dans les ann??es 1970 ont sugg??r?? qu'il peut effectivement ??tre faiblement du premier ordre en raison de l'effet des fluctuations ?? long terme dans le champ ??lectromagn??tique. Seulement r??cemment, il a ??t?? montr?? th??oriquement ?? l'aide d'un th??orie du corps de trouble, dans lequel le lignes de vortex du supraconducteur jouent un r??le majeur, que la transition est de second ordre au sein du r??gime de type II et de premier ordre (ce est ?? dire, chaleur latente) dans le r??gime de type I, ainsi que les deux zones sont s??par??es par une point tricritique.
Effet Meissner
Quand un supraconducteur est plac?? dans une faible externe champ magn??tique H, le champ p??n??tre le supraconducteur pour seulement un λ de courte distance, appel??e Londres profondeur de p??n??tration, apr??s quoi elle d??cro??t rapidement ?? z??ro. Ceci est appel?? le L'effet Meissner, et est une caract??ristique d??terminante de la supraconductivit??. Pour la plupart des supraconducteurs, la profondeur de p??n??tration de London est de l'ordre de 100 nm.
L'effet Meissner est parfois confondu avec le genre de diamagn??tisme on pourrait se attendre dans un conducteur ??lectrique parfait: selon La loi de Lenz, quand un champ magn??tique variable est appliqu?? ?? un conducteur, il va induire un courant ??lectrique dans le conducteur qui cr??e un champ magn??tique oppos??. Dans un conducteur parfait, un courant arbitrairement grand peut ??tre induite, et le champ magn??tique r??sultant annule exactement le champ appliqu??.
L'effet Meissner est distincte de cela parce que un supraconducteur expulse tous les champs magn??tiques, et pas seulement ceux qui sont en train de changer. Supposons que nous ayons un mat??riau dans son ??tat normal, contenant un champ magn??tique interne constante. Lorsque le mat??riau est refroidi en dessous de la temp??rature critique, nous observerions l'expulsion brutale du champ magn??tique interne, que nous ne aurions pas attendre sur la base de la loi de Lenz.
L'effet Meissner a ??t?? expliqu?? par les fr??res Fritz et Heinz Londres, qui ont montr?? que l'??lectromagn??tique ??nergie libre dans un supraconducteur est minimis?? fourni
o?? H est le champ magn??tique et λ est la profondeur de p??n??tration de London.
Cette ??quation, qui est connu comme le ??quation de London, pr??dit que le champ magn??tique dans un supraconducteur d??cro??t de fa??on exponentielle ?? partir de ne importe quelle valeur il poss??de ?? la surface.
L'effet Meissner se d??compose lorsque le champ magn??tique appliqu?? est trop grande. Supraconducteurs peuvent ??tre divis??s en deux cat??gories selon la fa??on dont cette panne survient. Dans les supraconducteurs de type I, la supraconductivit?? est brusquement d??truit lorsque l'intensit?? du champ appliqu?? d??passe une valeur critique H c. En fonction de la g??om??trie de l'??chantillon, on peut obtenir un ??tat interm??diaire comprenant des r??gions de mat??riau normale transportant un champ magn??tique en m??lange avec des r??gions de mat??riau supraconducteur contenant pas de champ. Dans les supraconducteurs de type II, portant le champ appliqu?? pass?? une valeur critique H c 1 conduit ?? un ??tat mixte dans lequel une quantit?? croissante de le flux magn??tique p??n??tre dans le mat??riau, mais il ne en reste pas la r??sistance ?? l'??coulement du courant ??lectrique tant que le courant ne est pas trop grand. Lors d'une seconde force de champ critique H c 2, la supraconductivit?? est d??truite. L'??tat mixte est en fait caus??e par des tourbillons dans le superfluide ??lectronique, parfois appel?? fluxons car le flux port?? par ces tourbillons est quantifi??. La plupart des pures ??l??mentaires supraconducteurs, ?? l'exception de niobium , le techn??tium , le vanadium et nanotubes de carbone, sont de type I, alors que presque tous les supraconducteurs impures et compos??s sont de type II.
Moment de London
Inversement, un supraconducteur filage g??n??re un champ magn??tique, pr??cis??ment align?? avec l'axe de rotation. L'effet, le Moment de London, a ??t?? mis ?? profit dans Gravity Probe B. Cette exp??rience a mesur?? les champs magn??tiques des supraconducteurs quatre gyroscopes pour d??terminer leurs axes de spin. Ce ??tait essentiel pour l'exp??rience, car il est l'un des rares moyens de d??terminer avec pr??cision l'axe de rotation d'une sph??re, autrement sans particularit??s.
Les th??ories de la supraconductivit??
Depuis la d??couverte de la supraconductivit??, de grands efforts ont ??t?? consacr??s ?? d??couvrir comment et pourquoi cela fonctionne. Durant les ann??es 1950, th??oriques mati??re condens??e physiciens sont arriv??s ?? une solide compr??hension de la supraconductivit?? "classique", ?? travers une paire de th??ories remarquables et importants: l'ph??nom??nologique La th??orie de Ginzburg-Landau (1950) et le microscopique La th??orie BCS (1957). G??n??ralisations de ces th??ories forment la base de la compr??hension du ph??nom??ne ??troitement li?? superfluidit??, parce qu'ils tombent dans le Lambda transition de classe universalit??, mais la mesure dans laquelle des g??n??ralisations similaires peuvent ??tre appliqu??s ?? supraconducteurs non conventionnels est ainsi encore controvers??e. L'extension ?? quatre dimensions de la La th??orie de Ginzburg-Landau, le Mod??le Coleman-Weinberg, est important dans la th??orie quantique des champs et de la cosmologie .
Histoire de la supraconductivit??
La supraconductivit?? a ??t?? d??couverte en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes, qui ??tudiait la r??sistance du solide mercure au des temp??ratures cryog??niques ?? l'aide du liquide r??cemment d??couvert l'h??lium en tant que r??frig??rant. A la temp??rature de 4,2 K, il a observ?? que la r??sistance brusquement disparu. Dans les d??cennies suivantes, la supraconductivit?? a ??t?? trouv?? dans plusieurs autres mat??riaux. En 1913, le plomb a ??t?? trouv?? ?? supraconducteur ?? 7 K, et en 1941 nitrure de niobium supraconducteur a ??t?? trouv?? ?? 16 K.
La prochaine ??tape importante dans la compr??hension de la supraconductivit?? se est produite en 1933, lorsque Meissner et Ochsenfeld d??couvert que supraconducteurs expuls??s champs magn??tiques appliqu??s, un ph??nom??ne qui est venu ?? ??tre connu sous le nom Effet Meissner. En 1935, F. H. et Londres a montr?? que l'effet Meissner est une cons??quence de la r??duction au minimum de la ??lectromagn??tique l'??nergie libre port?? par courant supraconducteur.
En 1950, le ph??nom??nologique La th??orie de Ginzburg-Landau de la supraconductivit?? a ??t?? con??u par Landau et Ginzburg.This th??orie, qui combinait la th??orie de Landau de second ordre transitions de phase avec un ??quation d'onde de Schr??dinger-like, eu beaucoup de succ??s dans l'explication des propri??t??s macroscopiques des supraconducteurs. En particulier, Abrikosov a montr?? que la th??orie de Ginzburg-Landau pr??dit la division des supraconducteurs dans les deux cat??gories d??sormais d??nomm?? Type I et Type II. Abrikosov et Ginzburg ont re??u le 2003 Prix Nobel pour leurs travaux (Landau ??tant mort en 1968).
Egalement en 1950, et Maxwell Reynolds et al. Ont constat?? que la temp??rature critique d'un supraconducteur d??pend de la masse isotopique du constituant ??l??ment . Cette importante d??couverte a soulign?? l' ??lectronique - interaction phonon comme m??canisme microscopique responsable de la supraconductivit??.
La th??orie microscopique compl??te de la supraconductivit?? a finalement ??t?? propos?? en 1957 par Bardeen, Cooper, et Schrieffer. Ind??pendamment, le ph??nom??ne de supraconductivit?? a ??t?? expliqu?? par Nikolay Bogolyubov. Cette La th??orie BCS a expliqu?? le courant supraconducteur comme un superfluide de Paires de Cooper, paires d'??lectrons qui interagissent ?? travers l'??change de phonons. Pour ce travail, les auteurs ont re??u le prix Nobel en 1972.
La th??orie BCS a ??t?? mis sur un pied ferme en 1958, lorsque Bogolioubov a montr?? que la fonction d'onde de BCS, qui avait ??t?? initialement d??riv?? de un argument variationnel, pourrait ??tre obtenu en utilisant une transformation canonique de l'??lectronique Hamiltonien. En 1959, Lev Gor'kov a montr?? que la th??orie BCS r??duit ?? la th??orie de Ginzburg-Landau proche de la temp??rature critique.
En 1962, le premier fil supraconducteur commercial, un alliage de niobium-titane, a ??t?? d??velopp?? par des chercheurs de Westinghouse. Dans la m??me ann??e, Josephson faite la pr??diction th??orique important qu'un supracourant puisse circuler entre deux morceaux de supraconducteur s??par??es par une mince couche d'isolant. Ce ph??nom??ne, maintenant appel?? le Effet Josephson, est exploit??e par des dispositifs tels que les supraconducteurs SQUID. Il est utilis?? dans les mesures disponibles les plus pr??cises de la quantum de flux magn??tique 
Et ainsi (coupl?? avec le Hall quantique r??sistivit??) pour Constante de Planck h. Josephson a re??u le prix Nobel pour ce travail en 1973.
La supraconductivit?? ?? haute temp??rature
Jusqu'en 1986, les physiciens avaient cru que la th??orie BCS interdit la supraconductivit?? ?? des temp??ratures sup??rieures ?? 30 K. Cette ann??e, Bednorz et M??ller d??couverte de la supraconductivit?? dans une lanthane ?? base de cuprate mat??riau p??rovskite, qui avait une temp??rature de transition de 35 K (Prix Nobel de Physique, 1987). Il a ??t?? peu trouv?? par MK Wu et al. que le remplacement du lanthane par de l'yttrium , ce est ?? dire faire YBCO, soulev?? la temp??rature critique ?? 92 K, ce qui ??tait important car l'azote liquide pourrait alors ??tre utilis??e comme r??frig??rant (?? la pression atmosph??rique, le point d'??bullition de l'azote est de 77 K). Ceci est important dans le commerce, car l'azote liquide peut ??tre produit ?? bon march?? sur place avec pas de mati??res premi??res, et ne est pas sujette ?? certains des probl??mes (bouchons d'air solides, etc.) de h??lium dans la tuyauterie. Beaucoup d'autres supraconducteurs cuprates ont ??t?? d??couverts depuis, et la th??orie de la supraconductivit?? dans ces mat??riaux est l'un des d??fis majeurs de circulation th??orique de la mati??re condens??e .
Depuis environ 1993, le supraconducteur haute temp??rature est un mat??riau c??ramique constitu?? par le thallium, le mercure, le cuivre, le baryum, le calcium, et de l'oxyg??ne, avec T c = 138 K.
En F??vrier 2008, une famille de supraconducteurs ?? haute temp??rature ?? base de fer a ??t?? d??couvert. Hideo Hosono de l'Institut de Technologie de Tokyo et ses coll??gues a constat?? que l'ars??niure de fluor lanthane d'oxyg??ne de fer (Lao-1 x F x FeAs) un Pnicture devient supraconducteur ?? 26 Kelvin. Des recherches ult??rieures d'autres groupes sugg??re que le remplacement du lanthane dans LaO 1-x F x FeAs avec d'autres ??l??ments des terres rares comme le c??rium, le samarium, le n??odyme et le pras??odyme conduit ?? supraconducteurs qui fonctionnent ?? 52 K. experts esp??rent que d'avoir une autre famille pour ??tudier volont?? simplifier la t??che d'expliquer comment ces mat??riaux fonctionnent.
Classification
Il ne est pas seulement un crit??re pour classer les supraconducteurs. Les plus courants sont:
- Par leurs propri??t??s physiques: ils peuvent ??tre Type I (si leur transition de phase est de premier ordre) ou Type II (si leur transition de phase est de second ordre).
- Par la th??orie de les expliquer: ils peuvent ??tre conventionnelle (se ils sont expliqu??s par la th??orie BCS ou de ses d??riv??s) ou non conventionnelle (sinon).
- Par leur temp??rature critique: ils peuvent ??tre haute temp??rature (g??n??ralement consid??r?? comme se ils atteignent l'??tat supraconducteur juste leur refroidissement avec l'azote liquide, qui est, si T c> 77 K), ou ?? basse temp??rature (en g??n??ral si elles ont besoin d'autres techniques pour ??tre refroidis sous leur temp??rature critique).
- En mati??re: ils peuvent ??tre des ??l??ments chimiques (comme le mercure ou le plomb ), alliages (comme niobium-titane ou germanium-niobium), c??ramique (comme YBCO ou la diborure de magn??sium), ou supraconducteurs organiques (comme fullerens ou des nanotubes de carbone, qui peuvent techniquement ??tre inclus entre les ??l??ments chimiques dont ils sont faits de carbone ).
Applications
Les aimants supraconducteurs sont quelques-uns des plus puissants des ??lectro-aimants connus. Ils sont utilis??s dans les trains ?? sustentation magn??tique , IRM et Machines de RMN et les aimants d'orientation de faisceau utilis??s dans des acc??l??rateurs de particules. Ils peuvent ??galement ??tre utilis??s pour la s??paration magn??tique, o?? les particules faiblement magn??tiques sont extraits ?? partir d'un fond de particules de moins ou non-magn??tiques, comme dans les pigments industries.
Les supraconducteurs ont ??galement ??t?? utilis??s pour faire des circuits num??riques (par exemple sur la base du Rapid Single Flux Quantum technologie) et RF et micro-ondes filtres pour t??l??phonie mobile des stations de base.
Supraconducteurs sont utilis??s pour construire Jonctions Josephson qui sont les blocs de construction de SQUID (dispositifs supraconducteurs ?? interf??rence quantique), le plus sensible magn??tom??tres connus. S??rie de dispositifs de Josephson sont utilis??s pour d??finir la SI volts . Selon le mode de fonctionnement particulier, un Jonction Josephson peut ??tre utilis?? comme photon ou comme d??tecteur m??langeur. Le grand changement de r??sistance ?? la transition de la normal- ?? l'??tat supraconducteur est utilis?? pour construire des thermom??tres dans cryog??nique micro-calorim??tre photon d??tecteurs.
Autres march??s d??but se posent lorsque l'efficacit?? relative, la taille et le poids des avantages de dispositifs bas??s sur HTS emportent sur les co??ts suppl??mentaires impliqu??s.
Futures applications prometteuses comprennent haute performance transformateurs, les dispositifs de stockage d'??nergie, transmission de puissance ??lectrique, moteurs ??lectriques (par exemple pour la propulsion du v??hicule, comme dans vactrains ou trains ?? sustentation magn??tique ), Dispositifs de l??vitation magn??tique, et Limiteurs de courant. Cependant la supraconductivit?? est sensible aux champs magn??tiques se d??pla??ant afin que les applications qui utilisent le courant alternatif (par exemple transformateurs) sera plus difficile ?? d??velopper que celles qui reposent sur courant continu.
