Süperiletkenlik
Kritik bir sıcaklığın altında, belirli malzemeler elektriği tam olarak sıfır dirençle iletmekte ve manyetik alanları dışarı atmaktadır; bu durum, elektronların eşleşmesiyle açıklanan makroskopik bir kuantum halidir.
Tanım
Süperiletkenlik, kritik bir sıcaklığın altında girilen bir termodinamik faz olup, bu fazda elektronlar Cooper çiftleri halinde bağlanarak tek bir koherent kuantum durumuna yoğunlaşmakta, tam olarak sıfır elektriksel direnç ve Meissner etkisi olarak bilinen manyetik akının dışarı atılmasını sağlamaktadır.
Kapsam
Bu alan, süperiletkenliğin fenomenolojisini ve mikroskobik kuramını kapsamaktadır: sıfır direnç ve Meissner etkisi, London ve Ginzburg-Landau fenomenolojik kuramları, Cooper eşleşmesinin BCS kuramı, akı girdapları ile tip-I ve tip-II davranış, Josephson etkisi ve hala açıklanamayan yüksek sıcaklık kuprat ve demir bazlı süperiletkenler. Süperiletken halini makroskopik bir kuantum fenomeni olarak ele almakta ve manyetizma, fononlar ve güçlü elektron korelasyonu ile bağlantılıdır.
Alt konular
Temel sorular
- Bir süperiletken neden sadece sıfır dirence sahip olmak yerine manyetik alanı (Meissner etkisi) dışarı atar?
- BCS mekanizması, birbirini iten elektronların Cooper çiftleri halinde bağlanmasına nasıl izin verir?
- Tip-I süperiletkenleri tip-II'den ayıran nedir ve akı girdapları nasıl ortaya çıkar?
- Yüksek sıcaklık kuprat süperiletkenleri neden geleneksel BCS kuramı tarafından açıklanamamaktadır?
Anahtar kavramlar
- Sıfır direnç ve Meissner etkisi
- Cooper çiftleri ve süperiletken enerji aralığı
- London ve Ginzburg-Landau kuramları
- Tip-I, tip-II süperiletkenler ve akı girdapları
- Josephson etkisi ve makroskopik faz koheransı
Temel kuramlar
- BCS theory
- Bardeen, Cooper ve Schrieffer, zayıf bir fonon aracılı çekimin Fermi yüzeyine yakın elektronları, bir enerji aralığı ile koherent bir duruma yoğunlaşan Cooper çiftleri halinde bağladığını göstermiştir; bu durum sıfır direnci, Meissner etkisini ve izotop etkisini açıklamaktadır.
- Ginzburg-Landau theory
- Fenomenolojik bir düzen parametresi kuramı, süperiletken geçişini ve kondensatın uzaysal değişimlerini tanımlamaktadır; nüfuz derinliğinin koherans uzunluğuna oranı, süperiletkenleri tip-I veya tip-II olarak sınıflandırmakta ve Abrikosov girdap kafesini öngörmektedir.
Klinik önem
Süperiletkenler, kayıpsız güç iletimini, MRI tarayıcılarında ve parçacık hızlandırıcılarda kullanılan yüksek alanlı mıknatısları ve Josephson etkisine dayalı ultra hassas SQUID manyetometrelerini ve kuantum bilgisayar kübitlerini mümkün kılmaktadır; yüksek sıcaklık süperiletkenliği fizikteki temel açık sorunlardan biri olmaya devam etmektedir.
Tarihçe
Kamerlingh Onnes, 1911'de cıvada süperiletkenliği keşfetmiştir; Meissner etkisi (1933) ile London ve Ginzburg-Landau fenomenolojileri, 1957 BCS mikroskobik kuramından önce gelmiştir ve Bednorz ve Müller'in 1986'da kuprat süperiletkenliğini keşfetmesi, yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin hala açık olan bölümünü başlatmıştır.
Tartışmalar
- Yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin mekanizması
- Kuprat ve diğer geleneksel olmayan süperiletkenlerdeki eşleşme mekanizması henüz kesinleşmemiştir; spin dalgalanmaları, diğer elektronik korelasyonlar veya bazı fonon destekli süreçler tarafından yönlendirilip yönlendirilmediği aktif ve çözülmemiş bir soru olmaya devam etmektedir.
Öne çıkan isimler
- John Bardeen
- Heike Kamerlingh Onnes
- Vitaly Ginzburg
İlgili konular
Temel eserler
- bardeen1957
- bednorz1986
- tinkham2004
Sıkça sorulan sorular
- Bir süperiletken sadece mükemmel bir iletken midir?
- Hayır. Mükemmel bir iletken sadece mevcut alanı hapsederdi; bir süperiletken manyetik akıyı (Meissner etkisi) aktif olarak dışarı atmaktadır, bu da onu sadece dirençsiz bir metal olmaktan ziyade ayrı bir termodinamik faz olarak işaretlemektedir.
- Birbirini iten elektronlar nasıl eşleşebilir?
- Geleneksel süperiletkenlerde bir elektron pozitif iyon kafesini bozmakta ve ortaya çıkan pozitif yük yoğunlaşması ikinci bir elektronu çekmektedir; bu fonon aracılı çekim, perdelenmiş Coulomb itmesini aşarak bir Cooper çifti bağlayabilmektedir.