Supergeleiding van metalen, de ontdekking van Heike Kamerling-Onnes

De eerste die het fenomeen supergeleiding tegenkwam Heike Kamerling Onnes — Nederlandse natuurkundige en scheikundige. Het jaar van ontdekking van het fenomeen was 1911. En al in 1913 ontvangt de wetenschapper de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn onderzoek.

Tijdens een onderzoek naar de elektrische weerstand van kwik bij ultralage temperaturen, wilde hij bepalen tot welk niveau de weerstand van een stof tegen een elektrische stroom zou kunnen dalen als het werd ontdaan van onzuiverheden, en om zoveel mogelijk te verminderen wat kan worden genaamd. » thermische ruis «, dat wil zeggen om de temperatuur van deze stoffen te verlagen. De resultaten waren onverwacht en verbluffend. Bij temperaturen onder de 4,15 K verdween de weerstand van kwik ineens helemaal!

Hieronder een grafiek van wat Onnes waarnam.

In die tijd wist de wetenschap al minstens zoveel stroom in metalen is de stroom van elektronen, die zijn gescheiden van hun atomen en, net als het geladen gas, worden meegevoerd door het elektrische veld.Het is als wind wanneer lucht van een gebied met hoge druk naar een gebied met lage druk beweegt. Alleen nu zijn er in het geval van stroom in plaats van lucht vrije elektronen en is het potentiaalverschil tussen de uiteinden van de draad analoog aan het drukverschil voor het luchtvoorbeeld.

In diëlektrica is dit onmogelijk, omdat de elektronen stevig aan hun atomen zijn gebonden en het erg moeilijk is om ze van hun plaats te rukken. En hoewel in metalen de elektronen die de stroom vormen relatief vrij bewegen, botsen ze af en toe op obstakels in de vorm van trillende atomen en ontstaat er een soort wrijving die we elektrische weerstand.

Maar bij ultra-lage temperatuur begint het zich te manifesteren supergeleiding, het wrijvingseffect verdwijnt om de een of andere reden, de weerstand van de geleider daalt tot nul, wat betekent dat de elektronen volledig vrij en onbelemmerd kunnen bewegen. Maar hoe is dit mogelijk?

Om het antwoord op deze vraag te vinden, hebben natuurkundigen tientallen jaren onderzoek gedaan. En zelfs vandaag de dag worden gewone draden "normale" draden genoemd, terwijl geleiders in een toestand van nul weerstand worden "supergeleiders" genoemd.

Opgemerkt moet worden dat hoewel gewone geleiders hun weerstand verminderen bij afnemende temperatuur, koper, zelfs bij een temperatuur van enkele Kelvin, geen supergeleider wordt, en kwik, lood en aluminium wel, hun weerstand blijkt minstens honderd biljoen te zijn maal lager dan die van koper onder dezelfde omstandigheden.

Het is vermeldenswaard dat Onnes geen ongefundeerde beweringen deed dat de weerstand van kwik tijdens het passeren van stroom precies nul werd, en niet simpelweg zo veel daalde dat het onmogelijk werd om het te meten met instrumenten uit die tijd.

Hij zette een experiment op waarbij de stroom in een supergeleidende spoel ondergedompeld in vloeibaar helium bleef circuleren totdat de geest verdampte. De kompasnaald, die het magnetisch veld van de spoel volgde, week helemaal niet af! In 1950 zal zo'n nauwkeuriger experiment anderhalf jaar duren en de stroom zal ondanks zo'n lange tijd op geen enkele manier afnemen.

In eerste instantie is bekend dat de elektrische weerstand van een metaal sterk afhankelijk is van de temperatuur, voor koper kun je zo'n grafiek maken.

Hoe hoger de temperatuur, hoe meer de atomen trillen.Hoe meer de atomen trillen, hoe belangrijker ze een obstakel worden in het pad van de elektronen die de stroom vormen. Als de temperatuur van het metaal afneemt, zal de weerstand afnemen en een bepaalde restweerstand R0 naderen. En deze resterende weerstand, zo bleek, hangt af van de samenstelling en "perfectie" van het monster.

Het is een feit dat defecten en onzuiverheden worden aangetroffen in elk monster van metaal. Deze afhankelijkheid interesseerde Ones vooral in 1911, aanvankelijk streefde hij niet naar supergeleiding, maar wilde hij alleen een zo hoog mogelijke frequentie van de geleider bereiken om de restweerstand te minimaliseren.

In die jaren was kwik gemakkelijker te zuiveren, dus de onderzoeker kwam het per ongeluk tegen, ondanks het feit dat platina, goud en koper bij gewone temperaturen betere geleiders zijn dan kwik, is het gewoon moeilijker om ze te zuiveren.

Naarmate de temperatuur daalt, treedt de supergeleidende toestand abrupt op op een bepaald moment wanneer de temperatuur een bepaald kritiek niveau bereikt. Deze temperatuur wordt kritisch genoemd, wanneer de temperatuur nog lager zakt, zakt de weerstand scherp naar nul.

Hoe zuiverder het monster, hoe scherper de druppel, en in de zuiverste monsters vindt deze druppel plaats in een interval van minder dan een honderdste van een graad, maar hoe meer vervuild het monster, hoe langer de druppel en bereikt tientallen graden, dit is vooral merkbaar in supergeleiders op hoge temperatuur.

De kritische temperatuur van het monster wordt gemeten in het midden van het scherpe druppelinterval en is individueel voor elke stof: voor kwik 4,15K, voor niobium, 9,2K, voor aluminium, 1,18K, enz. Legeringen zijn een verhaal apart, hun supergeleiding werd later ontdekt door Onnes: kwik met goud en kwik met tin waren de eerste supergeleidende legeringen die hij ontdekte.

Zoals hierboven vermeld, voerde de wetenschapper de koeling uit met vloeibaar helium. Trouwens, Onnes verkreeg vloeibaar helium volgens zijn eigen methode, ontwikkeld in zijn eigen speciale laboratorium, opgericht drie jaar vóór de ontdekking van het fenomeen supergeleiding.

Om iets te begrijpen over de fysica van supergeleiding, die optreedt bij een kritische temperatuur van het monster, zodat de weerstand tot nul daalt, moet worden vermeld fase transitie… De normale toestand, wanneer het metaal een normale elektrische weerstand heeft, is de normale fase. Supergeleidende fase - dit is de toestand waarin het metaal geen weerstand heeft. Deze faseovergang vindt direct na de kritische temperatuur plaats.

Waarom vindt de faseovergang plaats? In de aanvankelijke "normale" toestand voelen de elektronen zich comfortabel in hun atomen, en wanneer er in deze toestand stroom door een draad stroomt, wordt de energie van de bron verbruikt om sommige elektronen te dwingen hun atomen te verlaten en langs het elektrische veld te gaan bewegen, hoewel ze flikkerende obstakels op hun pad tegenkomen.

Wanneer de draad wordt afgekoeld tot een temperatuur onder de kritische temperatuur en er tegelijkertijd een stroom doorheen komt, wordt het handiger voor de elektronen (energie gunstig, energie goedkoop) om in deze stroom te zijn, en terug te keren naar de oorspronkelijke "normale" toestand zou het in dit geval nodig zijn om ergens extra energie vandaan te halen, maar het komt nergens vandaan. Daarom is de supergeleidende toestand zo stabiel dat materie deze niet kan verlaten tenzij deze opnieuw wordt opgewarmd.

Zie ook:Meissner-effect en het gebruik ervan