Supercondutividade

Visão geral

Um supercondutor carrega corrente persistente sem resistência dissipativa comum quando a temperatura, o campo magnético e densidade de correntes permanecem dentro dos limites específicos do material. Também expele fluxo magnético através do efeito Meissner, distinguindo o estado de um condutor clássico hipotético perfeito.

Fundações técnicas

A teoria BCS descreve a supercondutividade convencional através de um condensado dos pares Cooper cujos momentos opostos e spines produzem uma função coerente das ondas muitos electrões. Uma lacuna de excitação suprime o espalhamento com baixa energia, enquanto a quebra espontânea da simetria do medidor dá ao campo eletromagnético uma profundidade finita. A teoria de Ginzburg-Landau usa um parâmetro complexo para descrever a variação espacial, o comprimento da coerência e resposta magnética perto do transito. A relação entre profundidade de penetração e comprimento da coerência separa o tipo I do comportamento Tipo II; este último apresenta vórtices quantizados cujo movimento gera dissipação, a menos que os defeitos as preguem.

Como funciona

Em materiais convencionais, as vibrações de treliça mediam uma atração eficaz que emparelha elétrons com momentos oposto a momento. Muitos pares de Cooper sobrepostos condensam-se em um estado coerente a fases separados das excitações por uma lacuna energética. Materiais tipo II admitem vórtices magnéticos quantizados entre campos críticos inferiores e superiores.

Métodos de medição e pesquisa

Experimentos identificam transições utilizando resistência de quatro sondas, suscetibilidade magnética e capacidade térmica. A espectroscopia de tunnelamento mede o gap, sondas com rotação muon-spin campos internos e a fotoemissão resolvida por ângulo resolve dispersão eletrônica. Os ensaios de corrente crítica devem indicar o critério da orientação do campo magnético, a temperatura e os campos eléctricos. A microscopia de materiais conecta limites e defeitos aos pinnings do vórtice, enquanto as células da alta pressão revelam fases inacessiveis em condições ambientais. Uma queda de resistência por si só é insuficiente quando mudanças em contato ou transições estruturais podem imitá-la; expulsão reprodutível do fluxo magnético e evidência termodinâmica fortalecem uma reivindicação da superconductividade.

Ideias-chave

• A resistência zero e a expulsão do fluxo magnético são assinaturas complementares da supercondutividade.
• A coerência de fase é macroscópica, embora os elétrons subjacentes permaneçam partículas quântica.
• A temperatura crítica por si só não determina o valor da engenharia; a tolerância ao campo e matéria de densidade atual.

Fronteira actual da investigação

Pesquisas sobre cupratos, compostos à base de ferro e níquels ou hidreto busca mecanismos para emparelhar além dos modelos simples do fólon eletrônico. Os hidretos de alta pressão atingem temperaturas muito altas, mas requerem compressão extrema e motivam as busca por análogo da metaestável. Os dispositivos quânticos exploram junções Josephson, onde as diferenças de fase controlam a supercorrente e permitem os padrões dos qbits . A engenharia foca em condutores longos, fortes pinning e ímãs tolerantes. Problemas centrais de abertura incluem pseudogap, ordens concorrentes e previsão dos materiais.

Por que importa

Os supercondutores permitem imagens médicas, aceleradoras de partículas e circuitos quânticos. Os materiais melhorados poderão reduzir as perdas em sistemas de energia especializados e alargar o acesso a instrumentos científicos compacto.

Limites e questões em aberto

Mecanismos de alta temperatura permanecem incompletomente compreendido, e muitos compostos são frágeis ou anisotrópico. Refrigeração, movimento de vórtice e proteção contra estresse mecânico adicionam custos do sistema que podem superar a ausência da resistência elétrica.