Υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται σε μερικά υλικά, σύμφωνα με το οποίο, όταν αυτά ψυχθούν κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία Τc αυτά εμφανίζουν τις εξής δύο ιδιότητες:
* Μηδενική Ηλεκτρική Αντίσταση
* Τέλειος διαμαγνητισμός (φαινόμενο Meissner)
- Μηδενική ηλεκτρική αντίσταση σημαίνει ότι δεν δαπανάται καθόλου ενέργεια ως θερμότητα όταν το υλικό διαρρέεται από Ηλεκτρικό Ρεύμα.
- Η δεύτερη από τις ιδιότητες, τέλειος διαμαγνητισμός σημαίνει ότι το υπεραγώγιμο υλικό απωθεί εκτός της μάζας του όλες τις δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου, οι οποίες αν το υλικό ήταν σε κανονική αγώγιμη κατάσταση θα το διαπερνούσαν.
Φυσική Ερμηνεία
Η ηλεκτρική αντίσταση στα μέταλλα πηγάζει από την σκέδαση των ηλεκτρονίων καθώς διαδίδονται μέσα στο μέταλλο και συναντούν αποκλίσεις από την τέλεια περιοδικότητα. Ως γνωστόν, αν υπήρχε τέλεια περιοδικότητα στις θέσεις των ιόντων στο πλέγμα του μετάλλου, δεν θα υπήρχε αντίσταση. Η σκέδαση αυτή γίνεται είτε επί των προσμίξεων που πιθανόν υπάρχουν στο μέταλλο, είτε από τα φωνόνια, δηλαδή τις ταλαντώσεις των πλεγματικών θέσεων. Η σκέδαση επί των προσμίξεων οδηγεί σε αντίσταση που δεν εξαρτάται από την θερμοκρασία.
Θεωρία BCS
Τζον Μπαρντίν, Λέον Νιλ Κούπερ και Τζον Ρόμπερτ Σρίφερ Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1972
Για την εξήγηση της υπεραγωγιμότητας προτάθηκε το 1957 από τους Bardeen, Cooper και Schrieffer μια θεωρία που φέρει τα αρχικά των ονομάτων τους, η θεωρία (BCS).
Τα βασικά σημεία της θεωρίας έχουν ως εξής:
Τα ηλεκτρόνια καθώς κινούνται μέσα στο μέταλλο, αλληλεπιδρούν με τα κατιόντα, δημιουργώντας τοπικές παραμορφώσεις του φορτίου - δηλαδή περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα θετικού φορτίου γύρω τους - οι οποίες διαδίδονται μέσα στην πλεγματική δομή καθώς ταξιδεύει το ηλεκτρόνιο και προκαλούν με τη σειρά τους νέες παραμορφώσεις στο περιοδικό δυναμικό. Βλέπε και την παραπάνω εικόνα.
Ένα άλλο ηλεκτρόνιο τώρα που βρίσκεται σε κάποια απόσταση, έλκεται από αυτήν την τοπική θετική πυκνότητα φορτίου που διαδίδεται μαζί με το πρώτο ηλεκτρόνιο. Ουσιαστικά δηλαδή πρόκειται για μια αλληλεπίδραση ηλεκτρονίου-φωνονίου. Με τον τρόπο αυτό τα ηλεκτρόνια έλκονται έμμεσα το ένα με το άλλο και σχηματίζουν ένα ζεύγος Cooper. Η κατάσταση αυτή των δύο ηλεκτρονίων είναι μια δέσμια κατάσταση, και τα ζεύγη αυτά είναι οι φορείς του ρεύματος κατά την υπεραγωγιμότητα.
Ζεύγη Cooper
Μαθηματικά η απάντηση στο γιατί όμως τα ζεύγη αυτά έχουν τόσο υψηλή αγωγιμότητα είναι ότι ένα ζεύγος Cooper είναι πιο σταθερό ενεργειακά από ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο.
Φυσικά αυτό εξηγείται επειδή το ζεύγος Cooper είναι πιο ανθεκτικό κατά τις σκεδάσεις με τις ταλαντώσεις του πλέγματος, καθώς η έλξη του κάθε ηλεκτρονίου με τον συνέταιρό του βοηθάει και τα δύο να μην ξεφεύγουν από την πορεία τους. Τα ζευγάρια Cooper κινούνται μέσα στο πλέγμα, σχετικά ανεπηρέαστα από τις θερμικές ταλαντώσεις, κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία.
Η θεωρία BCS όμως προβλέπει μια θεωρητική μέγιστη τιμή για κρίσιμη θερμοκρασία, της τάξης των 30-40K, καθώς πάνω από αυτήν η θερμική ενέργεια θα απαιτούσε αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωνονίων πολύ υψηλής ενέργειας για να δημιουργηθούν και να παραμείνουν σταθερά τα ζεύγη Cooper.
To 1986 ωστόσο γνωρίσαμε υπεραγωγούς με υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία, που έσπασαν το όριο των 30-40Κ. Η υψηλότερη Τc σήμερα φτάνει τους 150Κ. Η θεωρία BCS δεν μπορεί να εξηγήσει αυτή την υπεραγωγιμότητα.
Ιστογραφία
* Physics4u
Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License