Viele haben den Begriff "Supraleitung" gehört, aber nur wenige können erklären, was es ist. Erzählen!
Physiker des späten 19. Jahrhunderts interessierten sich sehr dafür, wie sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen bei ultratiefen Temperaturen verhält. Es gab verschiedene Theorien darüber, aber ihre Anwendbarkeit nahe dem absoluten Nullpunkt erschien zweifelhaft. Im Dezember 1910 begann Kamerling-Onnes zusammen mit Cornelis Dorsmann und Gilles Holst mit Experimenten. Zunächst maßen sie die Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines mit flüssigem Helium gekühlten Platindrahts. Es stellte sich heraus, dass sie mit der Temperatur abnimmt, aber unter 4,25 K konstant wird. Kamerling-Onnes glaubte, dass ein chemisch reines Metall nahe dem absoluten Nullpunkt Strom ungehindert durchlassen muss, und erklärte den Restwiderstand durch den Einfluss von Verunreinigungen. Künftig entschied er sich für Quecksilber, das durch wiederholte Destillation im Vakuum gereinigt werden kann. Flüssiges Quecksilber bei Raumtemperatur wurde in dünne Kapillaren gegossen und in einem Heliumkryostaten gekühlt, wonach sein Widerstand gemessen wurde. Am bedeutenden 8. April 1911 sorgte Kamerling-Onnes lediglich dafür, dass bei einer Abkühlung von 4,3 auf 3 K der Widerstand des Quecksilbers auf nahezu Null abfällt. In einem Wiederholungsexperiment am 11. Mai stellte er fest, dass Quecksilber an Widerstand verliert, wenn es auf 4,2 K abgekühlt wird (eigentlich war seine Temperaturskala nicht ganz korrekt; tatsächlich wird reines Quecksilber bei 4,15 K zum Supraleiter).
Entdecker. So verhält sich ein Normalleiter (N), wenn ein Magnetfeld eingesch altet wird.
Kamerling-Onnes erkannte, dass das plötzliche Verschwinden des elektrischen Widerstands von Quecksilber (oder zumindest sein Absinken auf nicht messbare Werte) keine theoretische Erklärung hat. Er kam zu dem Schluss, dass Quecksilber in einen neuen Zustand übergegangen war, den er supraleitend nannte (die Temperatur eines solchen Übergangs wird heute als kritische Temperatur Tc bezeichnet).
Später wurden unter der Führung von Kamerling-Onnes in Leiden vier weitere Supraleiter entdeckt - Zinn und Blei (1912), Thallium (1919) und Indium (1923). Aber die interessantesten Entdeckungen seines Labors waren nicht darin. Bereits im Herbst 1911 wurde festgestellt, dass die Supraleitung von Quecksilber zerstört wird, wenn die Stromdichte über eine bestimmte Grenze steigt, die mit abnehmender Temperatur zunimmt. Weitere Experimente zeigten, dass sich diese Schwelle um ein Vielfaches verringert, wenn der supraleitende Draht zu einer Spirale gewickelt wird. Die für diese Experimente hergestellten Zinn- und Bleidrahtspulen wurden zu den ersten supraleitenden Magneten der Welt.
Ein idealer Leiter sollte auf unterschiedliche Weise mit dem Magnetfeld wechselwirken, je nachdem, wie es vom normalen in den "idealen" (IC) Zustand überführt wird.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Supraleitung durch ein Magnetfeld zerstört wird (das bei gleicher Stromstärke in einem Solenoid viel stärker ist als in einem linearen Leiter). Seltsamerweise dachte Kamerling-Onnes nicht an diese Möglichkeit und erklärte das Verschwinden der Supraleitung durch eine schlechte Kühlung der Spulen. Er interessierte sich jedoch sehr für den Einfluss eines äußeren Magnetfelds auf das Verh alten eines Supraleiters. Nachdem er 1914 mit diesen Studien begonnen hatte, war er bald davon überzeugt, dass ein Feld von nur wenigen hundert Oersted zu den gleichen Folgen führt wie eine Erwärmung, das heißt, es beseitigt die Supraleitung. Obwohl Kamerling-Onnes diese Schlussfolgerung eindeutig formulierte und zeigte, dass der Schwellenwert des Magnetfelds (in moderner Terminologie das kritische Feld Hc) mit abnehmender Temperatur zunimmt, wie der Schwellenwert der Stromdichte, sah er keinen Zusammenhang zwischen diesen Phänomene. Und erst 1916 stellte der amerikanische Physiker Francis Brigg Silsby die Hypothese auf, dass die Supraleitung in beiden Fällen durch ein Magnetfeld zerstört wird, unabhängig von seiner Quelle.
1914 demonstrierte Kamerling-Onnes die Entstehung des supraleitenden Stroms auf eine neue Art und Weise. Bei Raumtemperatur wurde die Bleidrahtspule in einem Magnetfeld auf ungefähr 2 K abgekühlt, wonach das durch den Elektromagneten erzeugte Feld abgesch altet wurde. In der Spule entstand ein Induktionsstrom, der die magnetisierte Nadel mit ihrem Magnetfeld über der Spule in der Schwebe hielt. Beobachtungen zufolge nahm die Stromstärke während der anderthalb Stunden, während der die Spule im Kryostaten geh alten wurde, praktisch nicht ab. Wenn es nicht supraleitend wäre, würde der Strom natürlich im Bruchteil einer Sekunde abfallen.
Der Supraleiter verdrängt den magnetischen Fluss vollständig, unabhängig von der Reihenfolge des Übergangs in den supraleitenden Zustand (S).
Supraleitung und Magnetismus
Nach Kamerling-Onnes wurde das Labor von Willem Keesom und Vander de Haas geleitet. Ende der 1920er-Jahre fanden sie heraus, dass nicht nur Metalle, sondern auch bimetallische Verbindungen zu Supraleitern werden und ihre magnetischen Schwellenfelder viele tausend Oersted betragen können, was zehnmal höher ist als die von reinen Metallen. Sie haben auch bewiesen, dass das Anlegen eines externen Magnetfelds die kritische Temperatur senkt.
Supraleitung wurde damals nicht nur in Holland untersucht. Der zweite Komplex zur Verflüssigung von Helium wurde 1923 an der University of Toronto in Betrieb genommen, der dritte zwei Jahre später im Kryolabor des Imperial Physico-Technical Centre in Berlin-Charlottenburg. Dort wurde von 1928 bis 1930 die Supraleitung von Tantal, Thorium und Niob aufgedeckt. Und 1933 fanden Laborleiter W alter Meissner und sein Assistent Robert Ochsenfeld eine paradoxe Eigenschaft bei Supraleitern, die heute als grundlegender gilt als die Fähigkeit, elektrischen Strom störungsfrei zu leiten.
Meißner-Ochsenfeld-Effekt
Wie sollten sich ideale Leiter in einem Magnetfeld verh alten? Nehmen wir eine Metallprobe mit einfacher Geometrie (eine Kugel oder ein dünner langer Zylinder) und platzieren sie bei Raumtemperatur in einem konstanten, gleichmäßigen Magnetfeld. Wie aus dem Schulphysikkurs bekannt, dringt das Feld in der gesamten Dicke in die Probe ein. Lassen Sie uns die Temperatur unter die kritische Temperatur senken, damit die Probe in den Zustand eines idealen Leiters übergeht. Ein solcher Übergang beeinflusst in keiner Weise das Magnetfeld, das die Probe noch durchdringt. Nach dem Absch alten des Feldes bleibt der Magnetismus innerhalb des idealen Leiters aufgrund des Auftretens von Induktionsströmen erh alten (denken Sie an die Lenz-Regel), aber das äußere Feld ändert sich natürlich. Ein idealer Leiter verdrängt die magnetischen Kraftlinien vollständig und erzeugt auf seiner Oberfläche abschirmende Induktionsströme. Nachdem wir jedoch die Temperatur erhöht und den idealen Leiter in ein gewöhnliches Metall verwandelt haben, dringt das Magnetfeld erneut in die Probe ein.
Meissner und Oxenfeld fanden in Experimenten mit Zinn- und Bleizylindern heraus, dass diese Vorhersage nur die Hälfte war erfüllt. In der zweiten Version des Experiments verhält sich der Supraleiter tatsächlich so, wie es sich für einen idealen Leiter gehört. Die erste Variante (Kühlung in einem konstanten Magnetfeld) führt jedoch zu einem völlig unerwarteten Ergebnis. Nach dem Übergang in den supraleitenden Zustand verdrängt die Probe den magnetischen Fluss vollständig, so dass sich die magnetische Induktion in ihr als Null herausstellt. Die Sache sieht so aus, dass auch in diesem Fall ungedämpfte Ströme an der Oberfläche des Supraleiters entstehen, die seinen inneren Teil vom äußeren Magnetfeld abschirmen. Die Experimentatoren fanden auch heraus, dass die Probe ihre Magnetisierung verlor, wenn das Feld anschließend abgesch altet wurde. Daraus folgt, dass die Ströme verschwinden, obwohl sie in einem idealen Leiter erh alten bleiben sollten.
Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt wurde wie die Supraleitung zufällig entdeckt. Damals wurden Supraleiter nur als ideale Leiter ohne Widerstand wahrgenommen. Gertrude de Haas-Lorenz (Ehefrau von Wander de Haas und Tochter des großen niederländischen Physikers Hendrik Lorenz) leitete 1925 theoretisch ab, dass elektrische Ströme in solchen Materialien nur in einer Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm fließen (die Schätzung stellte sich heraus um extrem genau zu sein - für Blei beträgt diese Zahl beispielsweise 40 nm). Einige Jahre später kamen deutsche Physiker zu ähnlichen Ergebnissen. Meissner wollte diese Theorie experimentell überprüfen. Da es unmöglich ist, in den Supraleiter hineinzuschauen, beschloss er, die von supraleitenden Strömen erzeugten Magnetfelder zu untersuchen. Hier erwartete ihn eine Überraschung. Es stellte sich heraus, dass Supraleiter ganz anders mit einem Magnetfeld wechselwirken, als ideale Leiter damit interagieren sollten (siehe Kasten oben). Die Experimente von Meissner und Oksenfeld zeigten, dass das Magnetfeld im Inneren des Supraleiters Null wird, dh der Übergang in den supraleitenden Zustand führt zu einem idealen Diamagnetismus (Substanzen, in denen das äußere Magnetfeld geschwächt ist, werden als Diamagnete bezeichnet). Diese Ergebnisse sahen völlig paradox aus. Wiederholte Wiederholungsexperimente bestätigten, dass schwache Magnetfelder nicht in feste Supraleiter eindringen, obwohl sie Ringe und Hohlzylinder durchdringen.
Klassische Sackgasse
Nach Onnes' Tod wurde die Quantentheorie der Metalle und Legierungen entwickelt, die Hoffnung auf eine Erklärung der Supraleitung versprach. Er wurde von theoretischen Physikern von Weltrang wie Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli, Niels Bohr und Hans Bethe, Lev Landau und Yakov Frenkel, Neville Mott und Hendrik Casimir gesucht, um nur einige zu nennen. Die Supraleitung blieb jedoch lange Zeit ein unnahbares Mysterium. Felix Bloch, einer der Schöpfer der Quantentheorie der Festkörper, sagte Anfang der 1930er Jahre voraus, dass jede Theorie der Supraleitung irgendwann widerlegt werden würde. Diese Prognose dauerte 20 Jahre.
1932 schlug der niederländische Theoretiker Ralph Kronig ein Modell vor, nach dem die Elektronen in einem Supraleiter so etwas wie ein Kristallgitter bilden, in dem eindimensionale Elektronenketten, die elektrischen Strom führen, frei gleiten. Zwei Jahre später entwickelten Cornelis Gorter und Hendrik Casimir diese Idee zu einer Theorie. Sie stellt fest, dass in Supraleitern nahe dem absoluten Nullpunkt fast alle Leitungselektronen in der "Kristallphase" kondensieren, aber ein kleiner Teil von ihnen in Form eines freien Gases bleibt. "Kristallisierte" Elektronen tragen den Transportstrom ohne Widerstand, und "Gas" -Elektronen werden noch durch thermische Schwingungen und Defekte im Kristallgitter gestreut. Beim Erhitzen steigt der „Gas“-Anteil und erreicht bei der kritischen Temperatur 100 %. Das Modell von Gorter und Casimir basierte auf der klassischen Thermodynamik und Elektrodynamik, die Quantenmechanik wurde darin nicht verwendet. Dieses Modell könnte sogar teilweise mit den Ergebnissen der Experimente übereinstimmen, sah aber dennoch extrem künstlich aus.
Ewiger Magnet. Schema des Kamerling-Onnes-Experiments zur Langzeitbeobachtung von Strömen in einem in flüssiges Helium getauchten supraleitenden Sch altkreis. Nach dem Schließen des Sch alters erzeugt der Strom im Stromkreis ein Magnetfeld, das mit einer Magnetnadel beobachtet wird.
Die Aufgabe der Theoretiker war in der Tat keine leichte. Für eine vernünftige Interpretation des Meissner-Ochsenfeld-Effekts musste man zugeben, dass beim Übergang in den supraleitenden Zustand in einem konstanten Magnetfeld ungedämpfte Oberflächenströme in der Probe entstehen. Aber nach den klassischen Gleichungen von Maxwell induzieren nur Änderungen im Magnetfeld einen elektrischen Strom. Die Festkörpertheorie besagt, dass diese Schlussfolgerung für Leitungselektronen in einem normalen Metall durchaus zutrifft. Es blieb anzunehmen, dass sich Stromträger in Supraleitern in einem exotischen Zustand befinden, für dessen Beschreibung neue Modelle benötigt wurden.
Supraleiter vom Typ I und II
Die überzeugendsten Ergebnisse auf dem Gebiet der Wechselwirkung von Supraleitern und Magnetfeld wurden unter der Leitung des bemerkenswerten Experimentators Lev Shubnikov im Kryolabor des Ukrainischen Instituts für Physik und Technologie in Charkow erzielt, wo sich ein Heliumverflüssiger befand 1933 installiert. Shubnikov entdeckte, dass supraleitende Legierungen im Gegensatz zu reinen Metallen nicht ein, sondern zwei kritische Magnetfelder haben - ein unteres und ein oberes (jetzt werden sie als Hc1 und Hc2 bezeichnet). Äußere Magnetfelder, die kleiner als Hc1 sind, dringen überhaupt nicht in die Dicke der Legierung ein, und daher verhält sie sich wie ein reines supraleitendes Metall. Bei weiterer Erhöhung der Intensität beginnt das äußere Feld in die Probe einzudringen, ihr elektrischer Widerstand bleibt jedoch Null. Wenn das Feld gleich Hc2 wird, hört die Legierung auf, supraleitend zu sein. Im Bereich äußerer Felder vom unteren kritischen bis zum oberen kritischen Bereich befindet sich ein solcher Supraleiter in einem Zwischenzustand, in dem der Meissner-Ochsenfeld-Effekt nicht mehr wirkt. Zwei reine Metalle, Vanadium und Niob, verh alten sich ähnlich. Dies wurde erst zwanzig Jahre später erklärt. Solche Supraleiter nennt man heute Supraleiter vom Typ II, und reine Metalle (und einige Legierungen), die vollständig dem Meissner-Effekt unterliegen, werden als Supraleiter vom Typ I klassifiziert.
Erste Quantenschritte
Das erste derartige Modell wurde 1934 von Fritz und Heinz London entwickelt, deutschen Physikern, die nach Hitlers Machtübernahme nach England emigrierten. Die Londoner Brüder arbeiteten am Clarendon Laboratory der Oxford University, wo zu dieser Zeit das erste britische Kryozentrum mit einem Heliumverflüssigungskomplex eröffnet worden war. Sie postulierten zwei Gleichungen, die die Beziehung zwischen supraleitendem Strom, elektrischer Feldstärke und magnetischer Induktion beschreiben. Aus diesen Gleichungen folgte, dass sich das äußere Magnetfeld innerhalb des Supraleiters nur innerhalb einer sehr dünnen Schicht ausbreitet, die als Londoner Eindringtiefe (50−500 nm) bezeichnet wird.
Die Theorie der Londoner war der Höhepunkt des Verständnisses der Natur der Supraleitung, der in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erreicht wurde. Es beschreibt gut das Verh alten eines Supraleiters in einem externen Magnetfeld, das viel kleiner als Hc (oder Hc1) ist. Die Londons-Gleichungen enth alten noch keine Plancksche Konstante und sind daher formal nicht mit der Quantenphysik verwandt. Aber 1935 kam Fritz London zu dem Schluss, dass sich die Elektronen in Supraleitern in stationären Quantenzuständen befinden, in gewissem Maße analog zu den Zuständen von Elektronen in intraatomaren Umlaufbahnen. Als erster weltweit sah er in der Supraleitung ein reines Quantenphänomen makroskopischen Ausmaßes, was für die damalige Zeit eine revolutionäre Idee war. 1948 zeigte er, dass der magnetische Fluss quantisiert ist, das heißt, er dringt nur in endlichen Anteilen in den supraleitenden Ring ein, immer gleich einer ganzen Zahl von Elementarquanten des magnetischen Flusses. Experimente bestätigten die Quantisierung des magnetischen Flusses erst 1961.
Der Zweite Weltkrieg unterbrach die Forschung zur Supraleitung fast vollständig. Sie haben schon damals etwas getan - zum Beispiel entdeckten sie 1941 in Deutschland die Supraleitung von Niobnitrid mit einer damaligen Rekordtemperatur von 15 K. Aber ein echter Durchbruch auf diesem Gebiet kam in den 1960er Jahren, als Substanzen entdeckt wurden, die werden Supraleiter bei deutlich höheren Temperaturen.
