Fig. 1. Diagrama fazelor stadiului supraconductorilor de tipul 1 și 2, care arată modul în care se schimbă fazele superconductorului, pe măsură ce se schimbă temperatura și inducția câmpului magnetic extern. Starea Meissner corespunde fazei supraconductoare, când liniile câmpului magnetic nu pot pătrunde în substanță. O stare mixtă sau turbionară înseamnă coexistența superconductivității și a filamentelor fine neconductoare normale alungite de-a lungul liniilor de forță a câmpului magnetic. Astfel de fire sunt numite vortexuri abrikosov, sau vortexuri cuantice (a se vedea detaliile din text). Desenul lui Yuri Erin
Oamenii de știință japonezi au demonstrat posibilitatea utilizării stării superconductoare a materiei ca o capcană magnetică stabilă și stabilă pentru atomii neutri, în special condensul Bose-Einstein. Principiul funcționării dispozitivului lor se bazează pe trăsăturile mecanismului de penetrare a câmpului magnetic în unele supraconductoare.
Când vine vorba de utilizarea practică a fenomenului de superconductivitate, mai întâi vorbește despre crearea unor magneți foarte puternici, a cablurilor electrice și a detectorilor de câmp magnetic ultrasensibil - SQUID. În prezent, domeniul de aplicare al supraconductorilor sa extins semnificativ. Printre altele, ele sunt folosite ca elemente de bază ale detectorilor cu un singur foton pentru radiațiile infraroșii; pe baza unui film supraconductor, oamenii de știință propun să înregistreze undele gravitationale; Banda superconductoare este capabilă să detecteze energia moleculelor cu eficiență și precizie ridicată. În cele din urmă, munca continuă pe baza unei joncțiuni supraconductoare Josephson (contactul a două superconductoare separate printr-un strat subțire de metal normal sau dielectric) a elementului de bază al unui calculator cuantic, un qubit. Există și alte proiecte în care supraconductivitatea materialelor este utilizată sau planificată. Unul dintre ei va fi discutat.
Supraconductoare de tipul 1 și 2
În primul rând, amintim că superconductivitatea este rezistența zero a unei substanțe și a diamagnetismului său ideal, constând în ejecția și nepătrânarea câmpului magnetic în interiorul substanței. Dacă este foarte corect, atunci câmpul magnetic pătrunde încă în supraconductor. Dar adâncimea acestei pătrunderi este extrem de mică și este în cel mai bun caz (pentru unele substanțe) de ordinul a 100 nm. Într-un astfel de strat subțire, curenții de supraconductori sunt excitați, care ajută supraconductorul să protejeze câmpul magnetic extern și să împiedice intrarea mai adâncă în material. Acesta este motivul pentru diamagnetismul ideal sau, așa cum se mai numește și acest fenomen, efectul Meissner-Oxenfeld. Starea diamagnetismului ideal al unui superconductor în literatura științifică este, de asemenea, numită Meissner, iar screening-ul curenților superconductori este Meissnerian.
Dacă la o anumită temperatură pentru a începe a spori câmpul magnetic, la o anumită valoare de inducție sale Bc (câmpul critic) La supraconductibilitate încetează brusc să mai existe, deoarece curenții Meissner nu mai sunt în măsură să protejeze supraconductor de invazia unui câmp magnetic exterior. Substanța din starea superconductoare intră în starea normală (Figura 1). Materialele care se comportă în acest fel se numesc supraconductoare de primul tip. Supraconductorii de primă clasă includ toate elementele superconductoare din tabelul periodic al lui Mendeleyev, cu excepția niobiului și a vanadiului.
Fig. 2. Penetrarea unui câmp magnetic într-un superconductor de al doilea tip are loc sub formă de vortexuri cuantice - regiuni normale microscopice (evidențiate în albastru), înconjurate de curenți supraconductori de circulație. Spațiul dintre vartejuri este supraconductor. Pe el scapă scurgeri de curenți Meissner. Imagine de pe site-ul nauka.relis.ru
În supraconductorii de tipul al doilea, distrugerea superconductivității se realizează într-un mod mai complicat și are loc în două etape (figura 1). Atâta timp cât inducția câmpului magnetic nu depășește o anumită limită, denumită Bc1 și numită "câmpul critic inferior", superconductorul este un diamagnet ideal, adică în starea Meissner. După ce câmpul magnetic "a depășit" Bc1. devine din punct de vedere energetic favorabil ca supraconductorul să-l admită în sine sub forma unor "filamente" microscopice (o dimensiune caracteristică de ordinul de 100 nm) alungite de-a lungul liniilor de forță ale câmpului exterior. Cu cât este mai mare inducția câmpului, cu atât mai mult aceste filamente vor fi în supraconductor. Cu o creștere mare, aceste formațiuni sunt vortexuri ale căror nuclei nu sunt superconductoare, normale, iar în jurul lor circulă fluxuri de curenți supraculductori care ecranizează regiunea normală a vârtejului (figura 2).
Existența vortexurilor a fost prezisă în 1957 de către fizicianul sovietic Aleksey Abrikosov. De asemenea, el a arătat că vârtejurile sunt obiecte cuantice în sensul că ambele transporta puțin o linie de putere a unui câmp magnetic exterior sau cuantic flux magnetic ^ 0 = h / 2e = 2,07 · 10 -15 T · m 2. Datorită ei De asemenea, din calcule rezultă că vortexurile cuantice trebuie să formeze o latură triunghiulară de vârtejuri (figura 3). O astfel de stare de supraconductor al celui de-al doilea tip era numită mixtă sau vortex.
Fig. 3. Vederea de sus a laturii triunghiulare a vârfului lui Abrikosov într-un superconductor de al doilea fel. Tabelele neagră conțin zone normale de vârtejuri. Imagine de pe site-ul elementy.ru
La zece ani de la prezicerea lui Abrikosov, oamenii de știință germani din plumb superconductor au primit prima imagine a unei rețele de vîrfuri triunghiulare.
Dacă, la o anumită temperatură, vom continua să creștem inducția câmpului magnetic la o anumită valoare a lui Bc2 (câmpul critic superior), vortexul va deveni atât de mare încât nucleii să se suprapună și să umple întregul volum de materie. Ca rezultat, supraconductorul din statul mixt va fi transferat la starea normală.
În prezent, superconductivitatea tipului de 1,5-a se găsește numai în diborura de magneziu. Oamenii de știință sugerează că supraconductorii de tipul 1.5 ar trebui să includă și superconductorul Ba0.6 K0.4 Fe2 As2 care conține fier. Cu toate acestea, până în prezent această ipoteză nu și-a găsit confirmarea experimentală.
Instabilitatea termomagnetică a superconductorului de ordinul doi
Starea mixtă a superconductorilor de tipul al doilea descris mai sus este oarecum idealizată. În primul rând, vortexurile se pot mișca într-un superconductor. Mișcarea lor apare deoarece regiunile superconductoare dintre vartejuri sunt însoțite de ecranarea curenților Meissner. Deoarece fiecare vortex poartă un flux magnetic, o forță acționează asupra ei din partea curentului, matematic (conform formulei) asemănătoare cu forța Lorentz care acționează pe o sarcină în mișcare. Această forță asemănătoare Lorentzului determină schimbarea vartejilor.
În al doilea rând, o rețea triunghiulară de vortex este realizată numai pentru o substanță superconductoare foarte pură, fără defecte structurale. De fapt, supraconductori de două fel în grade diferite, sunt eterogene în structura lor internă: acestea există limite de cereale, impurități, goluri, etc., călătorind prin supraconductor, vortexul se pot bloca sau garantate de astfel de defecte ... Astfel de vortexuri "încovoiate" sunt numite fixate, iar fenomenul de "fixare" în sine era numit fixare. Echilibrul dintre forța tip Lorentz și forța de fixare determină poziția stabilă a vîrtejurilor, care poate să nu fie sub forma unei lattice periodice triunghiulare.
La începutul anilor '90, odată cu apariția de înaltă rezoluție microscoape magneto-optice, oamenii de știință au început să exploreze în mod activ descoperit în 1967, un fenomen foarte neobișnuit de penetrare a câmpului magnetic în supraconductori într-un copac sau ramificare structurilor normale (non-superconductor), cu dimensiuni macroscopice. Formațiile deosebit de bine arborice se manifestă în filme subțiri (figura 4). Mai târziu, acest comportament al unui superconductor de al doilea tip într-un câmp magnetic a fost numit instabilitate termomagnetică.
Fig. 4. Imagini magnetooptice ale structurilor ramificate ale copacilor în filme subțiri YBaCuO la 4,2 K (a), în MgB2 la 3,8 K (b) și 10 K (s). În figura (a), zonele întunecate corespund stării normale a lui YBaCuO; în Figurile (b) și (c) secțiunile normale sunt arătate ca zone luminoase. Imagini dintr-o recenzie a lui E. Altshuler și a lui T. H. Johansen în jurnalul Rev. Mod. Phys.
Numeroase studii arată că, în cazul filmelor superconductoare, apariția instabilității termomagnetice nu are loc peste o anumită temperatură, în funcție de materialul supraconductorului. De exemplu, pentru niobiu această temperatură este de 7 K. Deasupra acestei instabilități termomagnetice în niobiu supraconductor nu a fost niciodată observată. În ciuda unui număr mare de date experimentale, oamenii de știință nu dispun de o teorie cantitativă completă a acestui fenomen. Cercetatorii sunt de acord doar prin faptul că instabilitatea termomagmetica este probabil să apară din două motive: 1) mișcarea nezapinningovannyh vortexuri este însoțită de eliberarea de căldură, ceea ce determină creșterea locală a temperaturii la punctul de penetrare; 2) o creștere a temperaturii scade puternic forța de fixare. Aceasta contribuie la continuarea mișcării vîrtejului. Ca urmare, ele se îmbină și formează structuri macroscopice bizare. Întregul proces este foarte rapid, astfel încât oamenii de știință spun adesea că fluxul magnetic a pătruns în film.
Capcană magnetică pentru BEC
Concentrația materiei Bose-Einstein apare atunci când este foarte răcită (mult mai mică decât 1 K, de fapt aproape de zero). În sine, BEC are un mare interes științific pentru oamenii de știință ca un sistem de atomi în care efectele cuantice încep să apară la temperaturi atât de scăzute. Pentru a putea studia suficient proprietățile BEC, acesta trebuie păstrat în capcane speciale. Și, deși atomii sunt neutri în sarcina lor, majoritatea, din cauza caracteristicilor cochiliilor electronice exterioare, sunt magneți mici, care pot fi ținute de câmpuri magnetice. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință creează o astfel de configurație de linii de forță, astfel încât să apară un minim local de inducție a câmpului magnetic total. Atomii BEC percep acest minim ca o fantă de energie cu pereți impermeabili și netede, unde cad (atomi) și nu pot scăpa rapid din ea (a se vedea și aplicația Java). Un exemplu simplu al unei capcane magnetice este proiectarea a două inele paralele cu un curent orientat opus.
Ar trebui să fie, de asemenea, a spus despre film instabilitatea termomagmetica. Pentru temperatura critica niobiu Tc (temperatura la care trecerea de la normal la starea supraconductoare sau invers) de 9 K. Temperatura sub care poate apărea structura arborescentă, - 7 C. Se pare că intervalul de temperatură în care zăbrele turbionare filmului niobiu este previzibilă formă (triunghiulară), foarte mici - doar 2 K. Acest lucru ridică problema controlului temperaturii: răcire prea puternică poate destabiliza capcana magnetic - campul magnetic din cauza imprevizibile Structuri de arbori din film nu va fi stabilă și nu va avea minim dorit. Cu toate acestea, așa cum este demonstrat de oamenii de știință japonezi în anumite rapoarte de câmpuri magnetice termomagnetice instabilitate nu poate fi un impediment pentru stabilitatea capcanei magnetice. Dar despre asta mai jos.
S-ar părea că capcana magnetică trebuie să fie stabilă numai într-un interval de temperatură foarte îngust de la 7 la 9 K, în care filmul este în starea supraconductoare și nu există nici o apariție a precondițiile instabilitate termomagmetica (vezi. De mai sus). Cu toate acestea, oamenii de știință japonezi au stabilit că la temperaturi sub 7 K există regiuni de valori de inducție ale câmpurilor magnetice externe Bi și Bm. sub care capcana păstrează în siguranță BEC (Figura 6).
Fig. 6. Limita dintre regiunile în care BEC a avut loc atomi de rubidiu (regiune trapping) și în care o capcană magnetică a fost menținută nu (fără capcană regiune) în funcție de temperatură Tm și include un al doilea câmp magnetic Bm. Triunghiurile. pătratele și cercurile de culori diferite sunt date experimentale. De exemplu, pentru datele marcate cu un cerc roșu. inducția câmpului magnetic Bi. care este pornit mai întâi, a fost fixat la 1,5 mT. Figura din articolul discutat în Phys. Rev. Lett.
Cercetătorii cred că „bazinelor hidrografice“, care determină în cazul în care capcana magnetică funcționează și ce nu este, arată limitele instabilității termomagmetica. Cu alte cuvinte, când BEC este ținut un câmp magnetic la o temperatură sub 7 K, penetrarea fluxului magnetic avalanșă în film și care formează structuri de copac în aceasta are loc. Aceasta indică faptul că criteriul instabilității termomagnetice într-un film este determinat nu numai de temperatură, ci și de câmpul magnetic. Cu toate acestea, experții care studiază acest fenomen, a fost deja cunoscut anterior, precum și dependența de formarea unei structuri de copaci pe lățimea filmului.
Importanța acestei lucrări este că arată utilizarea filmelor supraconductoare ca un bun și de încredere pentru capcane atomi (dar încă cu un ochi pe trăsăturile esențiale ale comportamentului unui supraconductor într-un câmp magnetic).
Trimiteți-le prietenilor: