Fórmula de energía de fusión. El calor específico de fusión es muy interesante.

2. ¿Qué temperatura se llama crítica?

3. ¿Qué efecto se llama isotópico? ¿Por qué el efecto isotópico es la clave para explicar la superconductividad?

4. ¿En qué se diferencia la naturaleza del movimiento de los electrones en un superconductor de su movimiento en un conductor? ¿Cómo se puede modelar mecánicamente el movimiento de los pares de Cooper en un superconductor?

5. ¿Por qué desaparece la superconductividad a temperaturas superiores a las críticas? ¿Qué explica el prometedor desarrollo de los superconductores de alta temperatura?

UNIVERSIDAD ESTATAL DE TYUMEN

DEPARTAMENTO DE FÍSICA MOLECULAR

DETERMINACIÓN DE TEMPERATURA CRÍTICA

I. Breve teoría

§ 1. Gases reales.

La ecuación de estado de Clapeyron-Mendeleev describe bastante bien las propiedades de los gases conocidas experimentalmente. Sin embargo, es aproximado y resulta válido sólo a presiones suficientemente bajas. Además, la experiencia demuestra que a determinados valores de presión y temperatura los gases se condensan, es decir, entrar en estado líquido. La ecuación de Clapeyron-Mendeleev no describe este fenómeno. isoterma para gasolina de verdad al mismo tiempo tiene aspecto característico(Figura 1).

Consideremos el proceso correspondiente a esta gráfica, realizado en la dirección ABCD. Parte de la isoterma AB describe el proceso de compresión del gas antes de que comience la condensación. Puede coincidir bastante bien con la isoterma calculada mediante la ecuación de Clapeyron-Mendeleev (mostrada por la línea de puntos). Sin embargo, en un proceso realizado con una sustancia real a una determinada presión, comenzará la condensación (punto B del gráfico). Esta presión se llama presión. vapores saturados o simplemente presión de saturación.

La parte BC del gráfico describe el estado de dos fases de una sustancia. A medida que el volumen disminuye de a, una proporción cada vez mayor de la sustancia pasa del estado de vapor al estado líquido. El punto C representa el estado en el que toda la materia se ha vuelto líquida. Finalmente, CD describe el proceso de compresión de fluidos, el gráfico corre casi paralelo eje vertical, lo que refleja un hecho bien conocido: los líquidos tienen mucha menos compresibilidad que los gases.

Si se llevan a cabo procesos isotérmicos similares con la misma cantidad de sustancia en diferentes temperaturas, obtenemos el sistema isotérmico que se muestra en la Fig. 2.

Curvas correspondientes a más altas temperaturas, se encuentran más lejos del origen. Al aumentar la temperatura, las partes horizontales de las isotermas que describen el estado de dos fases disminuyen y, a una determinada temperatura, degeneran en un solo punto. Esta temperatura se llama crítica.

A temperaturas superiores a las críticas es imposible obtener una sustancia en estado bifásico.

§ 2. Ecuación de Van der Waals. Isotermas de Van der Waals.

La ecuación de estado de un gas ideal a altas densidades no puede concordar bien con el experimento, ya que cuando se escribió se suponía que las moléculas no tienen tamaño y no interactúan entre sí. Para obtener una ecuación de estado que describa satisfactoriamente las propiedades de los gases reales, es necesario tener en cuenta los tamaños de las moléculas o las fuerzas repulsivas que surgen entre moléculas ubicadas a cortas distancias entre sí. Además, también hay que tener en cuenta las fuerzas de atracción entre moléculas.

Puede tomar como base la ecuación de estado de Clapeyron-Mendeleev y hacerle las modificaciones apropiadas. Tendremos en cuenta fuerzas repulsivas o tamaños moleculares introduciendo una corrección al volumen en la ecuación de Clapeyron-Mendeleev para un kilomol de gas.

(1)

(2)

De la segunda expresión queda claro que cuando la presión tiende al infinito, es decir Es imposible comprimir una sustancia a un volumen igual a cero.

Con comparativamente largas distancias Las fuerzas de atracción juegan un papel importante entre las moléculas. Se pueden tener en cuenta introduciendo una corrección adecuada a la presión en la ecuación (2):

(3)

Esta enmienda debe tomarse de signo negativo, creyendo que la atracción de moléculas conduce a una disminución de la presión sobre las paredes del recipiente que contiene un gas determinado. La ecuación (3) se puede reorganizar de la siguiente manera:

(4)

Ésta es la ecuación de estado de los gases reales, obtenida por primera vez por Van der Waals. Puedes escribirlo para una cantidad arbitraria de sustancia:

(5)

¿Dónde está la masa molecular relativa?

La ecuación (4) se puede representar como serie de potencias por volumen:

(6)

A presión y temperatura fijas, será una ecuación de tercer grado con respecto al volumen y debe tener tres raíces. Mayoría resultados interesantes se obtienen analizando las isotermas de van der Waals, una de las cuales se muestra en la Fig. 3.

A una temperatura fija, cada valor de presión corresponderá a tres raíces de la ecuación (6). La presión corresponde a tres raíces reales , , . Presiones y corresponden a una raíz real y dos raíces conjugadas complejas, que no tienen significado físico y no se considerarán más a fondo.

Es interesante comparar la isoterma de van der Waals y la isoterma experimental. En la Fig. 3, la sección horizontal de la isoterma experimental se muestra como una línea recta BF. La parte AB describe el estado gaseoso de la sustancia y coincide satisfactoriamente con la isoterma experimental. La parte FG describe la compresión isotérmica de un fluido. Así, la ecuación de van der Waals describe relativamente bien el comportamiento de la materia en medios gaseosos y estados líquidos en un proceso isotérmico.

Las isotermas difieren significativamente en la sección BF. . Sin embargo, las sucursales BC y EF tienen una cierta significado fisico. Los estados de la materia representados por la región BC se pueden obtener experimentalmente. Se trata de vapor sobresaturado o sobreenfriado. También se observan experimentalmente los estados de la materia correspondientes a la región EF. El líquido en tales estados se llama sobrecalentado. Estos estados se denominan metaestables. Parte de la isoterma de van der Waals CDE nunca se observa en experimentos. Describe el estado inestable de la materia.

§ 3. Temperatura crítica. Condición crítica.

Construyamos una familia de isotermas de van der Waals (Fig. 4). Al aumentar la temperatura, las curvas se ubicarán más lejos del origen y su carácter cambiará. Los máximos y mínimos se acercarán tanto a lo largo del eje de abscisas como de ordenadas y, a una determinada temperatura, se fusionarán en un punto, el punto de inflexión. A esta temperatura y la presión correspondiente a este punto, las tres raíces reales se vuelven múltiplos. La distinción entre líquido y vapor y la interfaz entre ellos desaparecen. Este estado se llama crítico y la temperatura se llama temperatura crítica. Esta temperatura es una propiedad característica de cada sustancia.

Utilizando la ecuación de van der Waals, es posible expresar los parámetros críticos , , a través de las constantes individuales de la sustancia y , así como a través de la constante universal de los gases.

Una forma de encontrar parámetros críticos se basa en el hecho de que las raíces de la ecuación de van der Waals escrita para el estado crítico son múltiplos, es decir, la ecuación se puede representar de la siguiente manera:

Comparar con la ecuación (6)

Esta igualdad se cumplirá idénticamente si los coeficientes en grados iguales serán iguales entre sí:

,

, (8)

.

Resolviendo el sistema de ecuaciones (8), obtenemos expresiones para los parámetros críticos:

, , . (9)

Los mismos resultados se pueden obtener de otra manera. Como ya se señaló, el punto que representa el estado crítico es el punto de inflexión en el gráfico. proceso isotérmico en coordenadas, . Usamos la ecuación (3), que determina la presión en función del volumen a una temperatura fija. Del curso Análisis matemático se sabe que en el punto de inflexión las derivadas primera y segunda son iguales a cero:

(10)

(11)

Resolviendo el sistema de ecuaciones (3), (10), (11) para , obtenemos las mismas relaciones (9) para ellos.

Habiendo determinado experimentalmente los parámetros críticos, es posible encontrar las constantes individuales de la sustancia y .

, . (12)

Así, la ecuación de van der Waals describe las propiedades de líquidos y gases y predice la existencia de un estado crítico. Sin embargo, es menos universal que la ecuación de Clapeyron-Mendeleev, ya que incluye dos constantes individuales de materia y.

II. Descripción de la INSTALACIÓN.

El conocimiento de los parámetros críticos es de gran interés científico y práctico. A temperaturas superiores a las críticas, una sustancia sólo puede existir en estado gaseoso. Calor latente de vaporización y coeficiente. tensión superficial a la temperatura crítica desaparecen.

Al construir un sistema de isotermas basado en datos experimentales (como se muestra en la Fig.2), es posible determinar la temperatura crítica y otros dos parámetros. Andrews utilizó por primera vez este método para determinar los parámetros críticos del dióxido de carbono. Al definir sólo temperatura crítica Puede utilizar un método menos engorroso para la desaparición del menisco. La sustancia a analizar se coloca en una ampolla de vidrio sellada y se calienta. Si la cantidad de líquido en la ampolla se selecciona de tal manera que durante el proceso de calentamiento el menisco prácticamente permanezca en su lugar, en un momento determinado la sustancia alcanzará un estado crítico (el menisco desaparecerá). Cuando se enfríe, volverá a aparecer y la sustancia se separará en dos fases. La temperatura a la que aparece y desaparece el menisco será la temperatura crítica.

La determinación de la temperatura crítica se realiza en una instalación cuyo esquema se muestra en la Fig. 5.

Un iluminador 1 y un termostato 2 están montados en un soporte común, en el que se coloca una microprensa especial 3 con la sustancia en estudio. En la parte inferior del cuerpo del iluminador hay dos interruptores de palanca: uno enciende el iluminador y el otro enciende los calentadores 4 en el termostato. La temperatura del termostato se controla mediante dos termopares Chromel-Copel conectados en serie. Las uniones de trabajo de los termopares 5 están ubicadas muy cerca de la microprensa. F.e.m. térmica medido con un voltímetro digital 6.

La estructura de una microprensa, que combina estructuralmente una cámara de trabajo y una prensa en miniatura, se muestra en la Fig. 6. El volumen de trabajo de la prensa es el volumen de un tubo de vidrio delgado 1, que se coloca en el cuerpo de la prensa 2. En ambos extremos, el tubo de vidrio está sellado herméticamente con tornillos 3 y 4 con sellos fluoroplásticos 5. Dentro del tornillo 4, un pistón 6 puede moverse a lo largo de la rosca y así cambiar el volumen de trabajo. La observación visual de los cambios en el estado de la sustancia se realiza a través de rendijas de visualización en el cuerpo de la prensa y en la carcasa del termostato.

III. MEDICIÓN. PROCESAMIENTO DE LOS RESULTADOS DE MEDICIÓN.

Durante el trabajo de laboratorio, es necesario calibrar termopares y construir una curva de calibración. Para hacer esto, primero encienda el voltímetro y luego, después de 20 a 30 minutos, encienda los calentadores del termostato. En lugar de una microprensa, en el termostato se coloca un termómetro de mercurio con un rango de medición de 0°C a 350°C. A medida que aumenta la temperatura, es necesario registrar las lecturas del voltímetro y del termómetro a través de Dt=20°С. Luego debe encender la calefacción del termostato y registrar las lecturas correspondientes a medida que se enfría. Presente los resultados finales de la calibración en forma de gráfico: las lecturas del voltímetro en milivoltios se trazan verticalmente Ud. , horizontalmente la diferencia entre la temperatura del termostato y la temperatura ambiente. Es necesario tomar exactamente la diferencia de temperatura, ya que las uniones "frías" de los termopares están a temperatura ambiente.

Después de la calibración, llene la microprensa con la sustancia problema desde el lado del tornillo 3 usando una jeringa. En este caso, el pistón debe insertarse en el tubo de vidrio hasta la marca correspondiente, aproximadamente 3/4 de su longitud. A continuación, debe cerrar la prensa con el tornillo 3 con un sello para que no entre ninguna burbuja de aire en el tubo de vidrio. Los tornillos 3 y 4 deben apretarse firmemente. A continuación se puede retirar el pistón del tubo de vidrio de tal manera que la fase gaseosa resultante ocupe aproximadamente el mismo volumen que la fase líquida. Luego se coloca la prensa en el termostato de modo que el mango del pistón quede arriba fuera del termostato y se enciende la calefacción.

Durante el proceso de calentamiento, es necesario controlar la posición del menisco, moviendo el pistón en una dirección u otra, y no permitir que salga del campo de visión. A cierta temperatura el menisco debería desaparecer. Ésta es una temperatura crítica. Una sustancia en estado crítico dispersa intensamente la luz y se vuelve blanca turbia y opaca. En esta instalación, las piezas de la microprensa se extienden más allá del termostato, a través de ellas se produce una intensa evacuación de calor, por lo que la temperatura en el tubo de vidrio no es uniforme y sólo se puede obtener un estado crítico en la parte inferior del tubo. Esto es lo que se observa en el experimento. En este caso se puede observar una interfaz entre dos fases en la parte superior del tubo.

Durante el funcionamiento, es necesario medir la temperatura a la que comienza la intensa dispersión de la luz por la sustancia en la parte inferior del tubo de vidrio. A continuación hay que apagar los calentadores y medir la temperatura a la que desaparece esta dispersión. Realice mediciones similares varias veces y tome el valor medio como temperatura crítica.

Tabla 1.

Basado en los resultados de la medición de la temperatura crítica. y utilizando los datos de la Tabla 1 para la presión crítica, calcule las constantes de van der Waals para la sustancia en estudio.

PREGUNTAS DE CONTROL

1) ¿Por qué se introdujeron constantes en la ecuación de van der Waals?

2) Comparar el sistema de isotermas reales y el sistema de isotermas de van der Waals.

3) ¿Cómo cambia la presión de saturación con los cambios de temperatura?

4) Hable sobre dos métodos para derivar fórmulas para parámetros críticos.

5) Escribe la ecuación reducida de van der Waals.

6)
Formular la ley de los estados correspondientes.

LITERATURA.

1) A.K.Kikoin, I.K.Kikoin. Física molecular. Editorial "Ciencia", 1976, págs. 208-237.

2) D.V. Curso general física. TP, ed. "Ciencia", 1976, págs.

existe tal cosa un fenómeno natural, que los científicos llaman superconductividad y los ingenieros llaman "el futuro de la energía, la medicina, el transporte de alta velocidad y los asuntos militares". A pesar de que los primeros materiales superconductores se descubrieron hace más de cien años, su uso se aprendió hace relativamente poco tiempo y sólo en unos pocos dispositivos bastante específicos, como el Gran Colisionador de Hadrones o en la resonancia magnética. ¿Por qué? Porque todavía no entendemos del todo cómo funciona este fenómeno. En el nuevo material los editores. N+1 Intenté hablar de la manera más breve y sencilla posible sobre varias versiones científicas del origen de la superconductividad, después de comprender cuál comprenderá lo que los físicos de todo el mundo han estado desconcertando durante un siglo.

Entonces, ¿qué es la superconductividad? Esta es la propiedad de algunas sustancias de tener una resistencia estrictamente cero por debajo de una determinada temperatura; se llama crítica. El segundo criterio obligatorio por el cual un compuesto en particular se clasifica como superconductor es el efecto Meissner: la capacidad de los materiales para expulsar un campo magnético fuera de su volumen cuando se enfrían, nuevamente, por debajo de una temperatura crítica.

La levitación de un superconductor sobre un imán es una manifestación del efecto Meissner.

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El fenómeno de la superconductividad es único y completamente "ordinario". Es único debido a su amplia gama de existentes y posibles aplicaciones: transmisión corriente eléctrica sin desperdiciar energía en calentar cables, fabricar imanes superfuertes, varios detectores, magnetómetros SQUID, trenes de levitación magnética e incluso patinetas flotantes.

Y "ordinario", porque resultó que la superconductividad se manifiesta en cantidad inmensa compuestos: aquí y óxidos metálicos y conductores orgánicos, fulleruros metálicos, que contienen hierro y calcogenuros y muchos otros. Por lo tanto, los informes sobre el descubrimiento de otro nuevo superconductor ya no sorprenden a nadie, especialmente a los científicos.

Pero aún así, más de cien años después del descubrimiento de la superconductividad, todos los intentos de lograrla aplicación práctica encontrarse con problema principal- baja temperatura crítica. Por esta razón, para trabajar con productos superconductores es necesario construir voluminosos sistemas de refrigeración que utilicen un nitrógeno líquido o incluso helio líquido caro. Pero si se pudiera encontrar un material con una temperatura crítica del orden de la temperatura ambiente, los trenes levitantes y la electrónica superconductora podrían pasar de los sueños de los futuristas a la realidad cotidiana.

Los físicos que estudian nuevos superconductores no suelen tener como objetivo aumentar su temperatura crítica. Hablan de mecanismos: las razones que llevan a que un determinado compuesto presente propiedades superconductoras. Los científicos creen que es la comprensión de estos mecanismos lo que permitirá predecir compuestos no solo con una temperatura crítica más alta, sino también con otros, no menos parámetros importantes, como campo magnético crítico, densidad de corriente y otros.

Se considera que el principal mecanismo reconocido para la aparición de la superconductividad es la interacción electrón-fonón, cuando se produce una atracción entre dos electrones bajo la influencia de vibraciones de la red cristalina y se forman los llamados pares de Cooper. Así se manifiesta la superconductividad según la teoría Nobel de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). También se han propuesto otros mecanismos, por ejemplo, magnón o excitón. En el primero, el apareamiento de electrones se produce debido a magnones, no a fonones, y en el segundo, los excitones en el estado de condensado de Bose son responsables de la superconductividad.

Pero todavía hay un debate entre los científicos sobre si existen otros mecanismos además del fonón; el hecho es que, en algunos casos, los datos experimentales se pueden interpretar. diferentes caminos. Por lo tanto, los físicos que estudian la superconductividad se dividen en dos campos opuestos y aparentemente irreconciliables: los partidarios del BCS clásico, que intentan modificar de alguna manera la teoría para adaptarla a nuevos datos, y aquellos que consideran que los nuevos mecanismos son un reflejo de procesos reales que ocurren en superconductores.

Nuevos datos experimentales demostrarán si estos u otros mecanismos son reales. Hemos estudiado moderno. literatura cientifica sobre este tema y trató de hablar lo más simplificadamente posible sobre cómo una variedad de procesos aparentemente no relacionados pueden conducir a la superconductividad. También prestamos atención varios efectos, que puede afectar la temperatura crítica de un superconductor en particular.

Historia uno: fonones

Superconductor: elementos simples, algunas de sus aleaciones y otros compuestos.

Mecanismo: interacción electrón-fonón ( teoría clásica BCS).

Artículos: Teoría de la superconductividad // Phys. Rdo. 108, 1175 (1957).

Leon N. Cooper, pares de electrones unidos en un gas Fermi degenerado // Phys. Rdo. 104, 1189 (1956).

J. Bardeen, L. N. Cooper y J. R. Schrieffer, Teoría microscópica de la superconductividad // Phys. Rdo. 106, 162 (1957).

Temperatura ambiente, conductor normal. Los átomos de la red cristalina (más precisamente, iones con carga positiva) vibran en diferentes direcciones, con diferentes frecuencias. Estas "ondas de oscilación" son descritas por los físicos como cuasipartículas-fonones , y cada fonón tiene su propia frecuencia y energía. Los electrones de conducción se mueven casi caóticamente entre estos iones vibrantes, cambian de dirección, interactúan con los iones y entre sí. Como resultado de estas interacciones, los electrones ceden parte de su energía y la disipan en los átomos circundantes; esta es la razón de la aparición de resistencia distinta de cero en los conductores.

Por debajo de la temperatura ambiente, por encima de la crítica, un conductor ordinario. Las vibraciones atómicas provocadas por la temperatura se amortiguan, pero no por completo. Los electrones continúan disipando energía, pero les resulta mucho más fácil moverse: los átomos no "parpadean" tanto en su camino. La resistencia disminuye gradualmente.

Temperatura crítica, transición superconductora. Hay incluso menos fonones: los átomos apenas vibran. Surge un nuevo estado "conveniente" para los electrones: unirse en pares con un impulso y espín total cero. La unificación se produce debido a la interacción con las vibraciones de los iones en la red cristalina, es decir, con los fonones. Pero estos fonones no son los mencionados anteriormente: fluctuaciones de temperatura, sino " virtual- causado por el movimiento de electrones. Como resultado de esta interacción, se forman pares de electrones, que se denominan Cooper's, resulta no rentable disipar energía en los átomos de la red. Todavía quedan "electrones ordinarios" en el material, pero la corriente fluye a lo largo del camino. menor resistencia- salta a cero.

Por debajo de la temperatura crítica, superconductor. Cada vez hay más parejas de Cooper. Dado que el par tiene un espín entero (-1/2+1/2 = 0 o, menos comúnmente, 1/2+1/2 = 1), dicha “partícula total” es un bosón. Pero la prohibición de Pauli no se aplica a los bosones: pueden estar simultáneamente en el mismo estado cuántico o en el mismo nivel de energía. Cada vez más parejas "caen" a este nivel de energía - un Condensado de Bose. En un condensado de Bose, las partículas se comportan coherentemente(acordado), y su curso no disipativo(sin pérdida de energía).

En sentido estricto, la teoría de Bose-Einstein trata de gases ideales, y no con sistemas de interacción tan complejos como los electrones en los superconductores. Pero la esencia de los procesos es la oportunidad que tienen las partículas de "acumularse" en una nivel de energía- es el mismo. Por tanto, nos permitimos hacer esta analogía.

¿Cómo se forman las parejas de Cooper? Los electrones, que vuelan entre átomos cargados positivamente, provocan su atracción hacia ellos mismos, como hacia un área. carga negativa. Pero los átomos son “torpes”; son mucho más pesados ​​y se mueven más lentamente. Como resultado, se crea una región de carga positiva después del paso del electrón. Otro electrón es atraído hacia él. Y así, en parejas, se mueven a lo largo de la red cristalina entre átomos, sin disipar energía en las colisiones. Los físicos llaman a este proceso la interacción de los electrones con los fonones virtuales de la red cristalina.

¿Por qué los pares de Cooper no disipan energía? Para explicar por qué los electrones no pierden su energía, debemos recurrir al concepto espectro electrónico- dependencia de la energía del vector de onda. Un superconductor, a diferencia de un metal normal, tiene una brecha- región de estados prohibidos. Es decir, un electrón no puede ocupar un estado con energía de esta región prohibida. La brecha se "abre" justo en la temperatura crítica y continúa "creciendo" a medida que se enfría. En los superconductores, en medio de este hueco hay un nivel con energía permitida, donde se encuentran los pares de Cooper. Pero por encima y por debajo de este nivel hay una "banda prohibida", lo que significa que los pares de electrones parecen estar bloqueados en este nivel en el medio de la brecha. Pueden perder o absorber energía sólo en porciones que son mayores que la banda prohibida; a bajas velocidades de movimiento del par de Cooper, este es un proceso casi imposible. Se produce un movimiento no disipativo (sin pérdida de energía) de los electrones de conducción a través de la red cristalina: esto es superconductividad. Agreguemos que dicha brecha no es lo mismo que la banda prohibida en semiconductores y dieléctricos, por lo que la conductividad desaparece por completo o disminuye con la temperatura. Los dieléctricos o semiconductores no tienen ningún nivel con los pares de Cooper en la banda prohibida, y la conductividad misma sólo puede surgir (sin mencionar la superconductividad) si el electrón puede adquirir la energía para "saltar" la barrera.

Llegados a este punto conviene hacer una pequeña aclaración. Casi ninguno de los científicos duda de que la corriente superconductora surge debido a la formación. pares de cobre u otras partículas de Bose y condensarlas al mismo nivel de energía. Surgen disputas sobre ¿Cómo se forman exactamente estas partículas de Bose?. La teoría BCS propone la interacción electrón-fonón como tal mecanismo. Pero ¿por qué no “utilizar” otras cuasipartículas para esto? Nuestra próxima historia trata sobre esto.

Historia dos: magnones

Superconductor: ZrZn 2 y otros.

Mecanismo: Formación de pares tripletes de Cooper debido al fenómeno del ferromagnetismo de electrones itinerantes.

Artículo: C. Pfleiderer et. al Coexistencia de superconductividad y ferromagnetismo en el metal de banda d ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001).

D. Fay y J. Appel Coexistencia de superconductividad del estado p y ferromagnetismo itinerante / Phys. Rdo. B 22, 3173 (1980).

Temperatura ambiente, metal paramagnético. Un electrón en un sólido está sujeto a las fuerzas de repulsión de Coulomb de otros electrones, a la atracción de iones de la red cristalina, así como a las fuerzas. interacción de intercambio entre electrones. Estos últimos tienen una naturaleza puramente cuántica y se deben a la presencia de electrones. atrás- momento angular intrínseco, tomando valores ±½. Son las interacciones de intercambio las que con mayor frecuencia causan el ordenamiento magnético en los materiales, una clase de fenómenos conocidos como ferro, ferri y antiferromagnetismo. En muchos casos, estos fenómenos ocurren cuando la sustancia no es conductora, es decir, los electrones que contiene localizado, o “unido” a un ion específico. Esta historia trata sobre el ferromagnetismo. colectivizado electrones, es decir, "móviles", responsables de la conductividad.

Temperatura de orden ferromagnético, metal ferromagnético. La interacción de intercambio de electrones en un conductor en algunos casos puede llevar al hecho de que los espines de los electrones, que "vuelan" caóticamente hacia adelante y hacia atrás en un conductor ordinario, de repente comienzan a "mirar" en la misma dirección. En principio, una situación similar se puede observar en una multitud de personas asustadas que corren. Persona individual En una multitud puede correr en una dirección completamente caótica, chocando con otras personas, paredes y vallas, provocando un efecto similar a la resistencia de los metales comunes. Pero al mismo tiempo, lo más probable es que la mayoría de las personas corran con las piernas, no con los brazos, por lo que sus "espaldas", la dirección desde las piernas hasta la cabeza, coincidirán. Por lo tanto, si la temperatura ( velocidad media personas en una multitud) es lo suficientemente bajo, la mayoría de los espines de los electrones estarán codirigidos y dicho material será un metal ferromagnético.

Temperatura crítica de la transición superconductora, ferroimán-superconductor. A pesar de que los espines de los electrones individuales son codireccionales, no están fijados rígidamente en una dirección particular. Pueden tambalearse, volcarse y romperse. orden estricto. Pero, desviándose de direccion GENERAL, un espín particular induce a los electrones vecinos a "perturbar la paz" y ellos, a su vez, intentan devolverla a su estado original. Esto ocurre debido al hecho de que en un ferroimán los electrones energéticamente favorable tienen espines codireccionales, ya que están interconectados por la energía de interacción de intercambio. Debido a esta ganancia de energía en temperaturas bajas Entre los electrones comienza a surgir algo parecido a una atracción: se combinan en pares. Pero, a diferencia de un superconductor “fonón”, el espín total de este par no es cero, sino uno, ya que los espines están codirigidos. Este fenómeno se llama trillizo superconductividad. Y los "alborotadores" que pueden invertir sus espines y propagar el desorden a los electrones vecinos se llaman magnones. Son los magnones los que ayudan a los electrones a combinarse en pares durante la transición superconductora.

Historia tres: excitones

Superconductor: materiales artificiales, que consta de varias capas ordenadas de dieléctricos y semiconductores, cada capa de casi un átomo de espesor.

Mecanismo: Condensación de Bose-Einstein de excitones indirectos.

Artículos : J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose-Einstein Condensación de excitones en sistemas de electrones bicapa / Nature 432, 691-694 (9 de diciembre de 2004).

M. M. Fogler, L. V. Butov y K. S. Novoselov Superfluidez a alta temperatura con excitones indirectos en heteroestructuras de van der Waals / Nature Communications 5, 4555 (2014).

Temperatura ambiente, sin superconductividad. El material de origen es una “pila” artificial de capas monoatómicas de dieléctricos (materiales que no conducen corriente) y semiconductores (que conducen corriente, pero peor que los verdaderos conductores). Para que se produzca una corriente en un semiconductor, los electrones deben recibir suficiente energía para "saltar" a través de él. zona prohibida. Cuando un electrón “salta” y se vuelve conductor, lo que queda en su lugar es agujero, o, simplemente dicho, la ausencia de un electrón. Electrón + agujero = excitón. Es cierto que para que se forme un excitón a partir de un electrón y un hueco, deben estar conectados entre sí, es decir, tener un poco menos de energía que la energía total de las partículas individuales; solo que en este caso se mueven a través del material en un manera coordinada. De lo contrario, por ejemplo, un electrón "ligero" puede simplemente "volar" y un agujero "torpe" no podrá seguirle el ritmo.

La temperatura es superior a la crítica, inferior a la temperatura ambiente, no hay superconductividad. Si en un material multicapa de este tipo sólo pudieran existir excitones ordinarios (que se propagan dentro de la capa semiconductora), no habría esperanzas de superconductividad. Pero las capas de dieléctrico y semiconductor se ubican en él de forma no aleatoria. Representan una “hamburguesa” en la que la chuleta es un dieléctrico no conductor y las dos capas de pan son semiconductores con electrones libres, huecos y excitones “no libres”. Tal “hamburguesa” puede formar excitones indirectos. Para ello, es necesario que un electrón del trozo de “pan” inferior vuele a través de la “chuleta”, se atasque en el trozo superior y permanezca conectado a su orificio del trozo de “pan” inferior. Por lo tanto, es posible crear condiciones en las que se recojan predominantemente electrones en una capa del pan semiconductor y agujeros en la otra capa. Luego, la capa de chuleta dieléctrica evitará que el electrón regrese a su lugar original, creando una barrera energética. Es decir, para que el electrón retroceda, necesita gastar energía adicional.

La temperatura crítica de la condensación de Bose-Einstein, el surgimiento de la superconductividad. Un excitón tiene espín cero, lo que significa que es un bosón. Por tanto, los excitones pueden formar un condensado de Bose, al igual que los pares de Cooper. Por otro lado, la carga del par de Cooper es igual a dos cargas del electrón, pero la carga del excitón es cero. El movimiento de cargas cero no puede crear una corriente, entonces, ¿de dónde viene la conductividad, e incluso con el prefijo super-? Esos mismos excitones indirectos ayudarán con esto. Con su ayuda, la carga del excitón se dividirá en dos partes, y luego los electrones negativos pertenecerán a una capa del semiconductor y los huecos positivos a la otra. Ahora puede "soldar" contactos conductores, por ejemplo, a la capa superior de pan semiconductor y aplicarles voltaje: los electrones de la capa superior comenzarán a moverse y con ellos los agujeros de la capa inferior comenzarán a moverse. creando corrientes en direcciones opuestas. Si bajas tanto la temperatura que los excitones se condensan al mismo nivel de energía, se moverán a través del material sin perder energía. Se observará superconductividad, ya sea hueca o electrónica, en cada capa del semiconductor.

Por debajo de la temperatura crítica, superconductor. Ud. este método La creación de superconductividad artificial tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, los electrones seguirán regresando a los agujeros debido al fenómeno. tunelización. En este caso, los excitones "desaparecerán" (los físicos llaman a este proceso recombinación), y la conductividad total disminuye. Además, la creación de tales excitones requiere energía, porque el electrón debe ser "lanzado" a través de la barrera creada por el dieléctrico. A medida que la temperatura disminuye, se vuelve más difícil crear nuevos excitones, por lo que es difícil decir si una "hamburguesa" artificial de semiconductores y dieléctricos podrá alguna vez reemplazar a un superconductor real.

Vale la pena señalar que, además del "superconductor de excitón" artificial discutido en la historia anterior, también existe el término "mecanismo de superconductividad de excitón", y estos fenómenos no son exactamente lo mismo. En el ejemplo anterior, esencialmente no hay pares de Cooper. El mecanismo de los excitones es similar al mecanismo de los fonones de la teoría BCS, sólo que el enlace entre los dos electrones del par de Cooper no son fonones, sino excitones en el estado de condensado de Bose. En ambos mecanismos, esta conexión conduce al hecho de que los electrones cargados negativamente parecen sentirse atraídos entre sí (aunque, según la ley de Coulomb, deberían repelerse). De hecho, ambos electrones son atraídos por una región de carga positiva temporal creada por fonones o excitones. Además, dado que los excitones son más fáciles de "crear", se cree que dicho mecanismo puede explicar valores altos Temperatura crítica para algunos materiales.

Cuarta historia: fluctuaciones

Superconductor: seleniuro de hierro FeSe y otros.

Mecanismo: fluctuaciones de espín en compuestos que contienen iones con un momento magnético distinto de cero, combinado con una transición de fase estructural nemática.

Artículo : Qisi Wang y. al Fuerte interacción entre las fluctuaciones del giro de las rayas, la nematicidad y la superconductividad en FeSe / Nature Materials, 15, 159-163 (2015).

Fa Wang, Steven A. Kivelson y Dung-Hai Lee Nematicidad y paramagnetismo cuántico en FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).

Temperatura ambiente, paramagnética. Este mecanismo sólo es posible si el material contiene iones con un momento magnético distinto de cero; esto significa que el total girar(característica cuántica - momento angular intrínseco) de electrones localizados en el ion igual a cero. Dichos materiales pertenecen a paramagnetos. Los momentos magnéticos pueden interactuar entre sí y ordenarse, razón por la cual muchos materiales exhiben propiedades ferromagnéticas y antiferromagnéticas y otras opciones más exóticas. A temperatura ambiente, las vibraciones térmicas de los iones de la red interfieren en el orden de los momentos magnéticos; vibran de forma casi caótica: la sustancia permanece paramagnética.

Por debajo de la temperatura ambiente, paramagnético. A medida que la temperatura disminuye, las oscilaciones se debilitan y interacciones magnéticas, por el contrario, comienzan a intensificarse. Los momentos magnéticos ahora oscilan de manera más consistente, tendiendo a encontrar una posición “favorable”, pero debido a la simetría de la red cristalina (tetragonal, es decir, cuboides con a = b ≠ c) no existe un estado único con energía mínima. Para reducir la energía, momentos magnéticos, ubicado en una celosía cuadrada, comienza alinearse en una cadena- su movimiento predominante se produce en una determinada dirección.

Transición de fase nemática, paramagnética. Girar fluctuaciones(vibraciones) ahora hacen una contribución significativa en comparación con las vibraciones de los iones reticulares. Los "intentos" de los espines de alinearse en una cadena eventualmente comienzan a afectar la red cristalina, reduciendo su simetría (ahora a ≠ b ≠ c - ortorrómbico). Se produce un cambio de fase. nemático transición (este es el nombre que se le da a una transición con una disminución similar en la simetría de la red cristalina). Esto, a su vez, mejora aún más la anisotropía de las oscilaciones de espín, que eventualmente se alinean en cadenas. Pero no se produce un ordenamiento completamente magnético, ya que las cadenas no pueden “fijarse” en ninguna posición específica, ya que tal estado no es estable.

Fase nemática, paramagnética. Las fluctuaciones de giro son " hermanos menores» magnones (los magnones son fluctuaciones de espín en imanes ordenados). Como regla general, los "intentos de espines" de alinearse en una determinada dirección conducen en última instancia a magnéticos. transición de fase y la sustancia se convierte, por ejemplo, en un antiferromagnético. Sin embargo, en algunos materiales esto se ve obstaculizado por las vibraciones de los iones de la red cristalina. Son estos materiales los candidatos a superconductores.

Temperatura crítica de transición superconductora. Cuando se acerca a la temperatura de transición superconductora, la energía de las fluctuaciones de espín se vuelve comparable a las vibraciones de la red. orden magnético nunca tiene tiempo de establecerse, pero el comportamiento constante de los electrones debido a las fluctuaciones de espín limita la "lista" de posibles estados de los electrones. Esto conduce a la aparición de una brecha en el espectro electrónico y la transición magnética es "reemplazada" por una superconductora. Así, las fluctuaciones de espín, junto con las vibraciones de la red cristalina y los cambios en su simetría, conducen en última instancia a otro camino para la formación de pares de Cooper.

/ Físico. Rdo. Letón. 101, 026406 (2008).

S. V. Borisenko et. al Observación directa del acoplamiento espín-órbita en superconductores a base de hierro / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).

De temperatura ambiente a crítica. La interacción giro-órbita afecta espectro electrónico, “interfiriendo” así con las propiedades conductoras. Este fenómeno, la interacción entre un electrón en movimiento y su propio espín, se manifiesta con mayor fuerza a altas velocidades de movimiento del electrón (a física cuántica operar con el concepto de impulso), es decir, es efecto relativista. Afecta a las propiedades electrónicas de todos los compuestos, pero su contribución es mayor cuanto mayor es el número atómico en la tabla periódica, ya que las “velocidades” de movimiento de los electrones en niveles de energía más altos son mucho mayores. En LiFeAs y otros arseniuros de hierro superconductores, la contribución de la interacción espín-órbita es suficiente para influir significativamente estructura electronica. Imagina que tienes una bola de plastilina en tus manos. El efecto de la interacción espín-órbita sobre la estructura electrónica se puede imaginar como si se crearan abolladuras y protuberancias en esta bola con los dedos, distorsionando así su forma original.

Como conclusión, podemos decir que nuestras historias enumeran sólo algunas de posibles procesos, que en última instancia conducen a la superconductividad. Todos ellos, incluido el mecanismo clásico electrón-fonón, pueden combinarse en un solo material, o uno de ellos será el principal para una sustancia en particular. Quizás todos estos numerosos y complejos mecanismos sean sólo parte de algún proceso global. ley fisica, que los científicos aún tienen que descubrir. Pero también puede resultar que la naturaleza sea mucho más compleja y multifacética de lo que podemos imaginar, y simplemente no existe una ley única de superconductividad.

Ekaterina Kozlyakova

Durante mucho tiempo ha surgido la idea de que al aumentar la presión y al mismo tiempo reducir la temperatura, es posible llevar los gases ordinarios, así como los vapores no saturados, a un estado de saturación y luego convertirlos en líquidos. De esta forma, el científico inglés Faraday licuó varios gases: amoníaco, dióxido de carbono, cloro, etc. Pero gases como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno y metano no se volvieron líquidos ni siquiera cuando se comprimieron a 3000 atm y cuando se enfriaron a –110 ° C. Era necesario descubrir las razones. para este fenómeno.

El gran científico ruso D.I Mendeleev también estudió el problema de la licuefacción de gases. Mientras que sus predecesores, en sus discusiones sobre la licuefacción de gases, partían de la similitud de este proceso con el proceso de convertir vapor no saturado en líquido, Mendeleev llamó la atención sobre las condiciones para el proceso inverso: la transición de líquido a vapor.

Habiendo estudiado estas condiciones, Mendeleev llegó a la conclusión de que para cada sustancia existe una temperatura por encima de la cual la sustancia se encuentra en estado gaseoso. Mendeleev nombró esta temperatura. punto de ebullición absoluto. Posteriormente pasó a ser conocido como temperatura crítica.

¿Qué tipo de temperatura es esta? Para responder a esta pregunta, hagamos el siguiente experimento.

Colocamos en el baño de aire un tubo sellado, parte de cuyo volumen está ocupado por líquido, el resto por vapor saturado, y lo calentamos. Cuando se calienta, la densidad del líquido y la densidad del vapor en el tubo cambiarán.

Como ejemplo, construyamos gráficos de cambios en la densidad del agua y el vapor de agua versus la temperatura. Para ello, trazaremos la temperatura en el eje de abscisas y las densidades del líquido y del vapor en el eje de ordenadas.

Dado que un líquido se expande cuando se calienta, la curva CD, que muestra la densidad del líquido en función de la temperatura, cae, lo que indica que la densidad del líquido disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Y como el líquido se evapora a medida que aumenta la temperatura, aumenta la densidad del vapor. Este aumento en la densidad del vapor se representa en el gráfico mediante la línea curva AB.

La curva AB se ubica debajo de la curva CD, ya que a cualquier temperatura la densidad del vapor en presencia de líquido menos densidad líquidos.

A medida que aumenta la temperatura, la densidad del líquido disminuye y la densidad del vapor aumenta. La curva CD bajará y la curva AB subirá. Ambas curvas se unen en algún punto K, que se llama punto crítico, y la temperatura a la que se fusionan las curvas se llama temperatura crítica. El punto crítico K corresponde a condición especial una sustancia llamada crítica, en la que desaparece toda diferencia entre el líquido y su vapor saturado.

La presión y el volumen específico de una sustancia (volumen por unidad de masa) en un estado crítico también se denominan críticos.

El primer trabajo sistemático para determinar las temperaturas críticas de diversas sustancias lo llevaron a cabo los científicos rusos M. P. Avenarius, A. I. Nadezhdin y otros.

Avenarius estudió el estado crítico del éter utilizando un dispositivo especial. En un tubo colocado en un baño de aire, el éter se encuentra en parte en estado líquido y en parte en estado de vapor. A temperatura ambiente, ambos estados están claramente delimitados por un menisco cóncavo de líquido (el éter moja el vidrio). Cuando se calienta el tubo, la interfaz cóncava se endereza gradualmente y desaparece inmediatamente a la temperatura crítica del éter, igual a 194 ° C. Por encima de esta temperatura, el éter en el tubo se encuentra en estado gaseoso. Después de enfriar gradualmente el tubo, se puede observar el estado crítico del éter (el contenido del tubo se oscurecerá) y, detrás de él, la aparición de una frontera que separa el líquido y el vapor.

La siguiente tabla muestra las temperaturas críticas y las presiones críticas de algunos productos químicos.

Si se coloca una cierta cantidad de líquido en un recipiente cerrado, parte del líquido se evaporará y existirá vapor saturado sobre el líquido. La presión, y por tanto la densidad de este vapor, depende de la temperatura. La densidad del vapor suele ser mucho menor que la densidad del líquido a la misma temperatura. Si aumenta la temperatura, la densidad del líquido disminuirá (§ 198), pero la presión y la densidad vapor saturado incrementará. En mesa La Figura 22 muestra los valores de densidad del agua y del vapor de agua saturado para diferentes temperaturas (y por tanto para las presiones correspondientes). En la Fig. 497 los mismos datos se presentan en forma gráfica. La parte superior del gráfico muestra el cambio en la densidad de un líquido en función de su temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la densidad del líquido disminuye. La parte inferior del gráfico muestra la dependencia de la densidad del vapor saturado con la temperatura. La densidad del vapor aumenta. A la temperatura correspondiente al punto , las densidades del líquido y del vapor saturado coinciden.

Arroz. 497. Dependencia de la densidad del agua y su vapor saturado de la temperatura.

Tabla 22. Propiedades del agua y su vapor saturado a diferentes temperaturas

La tabla muestra que cuanto mayor es la temperatura, menor es la diferencia entre la densidad del líquido y la densidad de su vapor saturado. A una determinada temperatura (en el agua) estas densidades coinciden. La temperatura a la que coinciden las densidades del líquido y su vapor saturado se denomina temperatura crítica de la sustancia. En la Fig. 497 corresponde al punto. La presión correspondiente al punto se llama presión crítica. Las temperaturas críticas de diferentes sustancias varían mucho. Algunos de ellos se dan en la tabla. 23.

Tabla 23. Temperatura crítica y presión crítica de algunas sustancias.

¿Qué indica la existencia de una temperatura crítica? ¿Qué sucede a temperaturas aún más altas?

La experiencia demuestra que a temperaturas superiores a las críticas, una sustancia sólo puede estar en estado gaseoso. Si reducimos el volumen ocupado por el vapor a una temperatura superior a la crítica, entonces la presión del vapor aumenta, pero no se satura y sigue siendo homogénea: por muy alta que sea la presión, no encontraremos dos estados separados. por un límite definido, como siempre se observa a temperaturas más bajas debido a la condensación del vapor. Entonces, si la temperatura de una sustancia está por encima de la temperatura crítica, entonces el equilibrio de la sustancia en forma de líquido y vapor en contacto con ella es imposible a cualquier presión.

El estado crítico de una sustancia se puede observar utilizando el dispositivo que se muestra en la Fig. 498. Consiste en una caja de hierro con ventanas, que se puede calentar a mayor altura (“baño de aire”), y una ampolla de vidrio con éter ubicada en el interior del baño. Cuando se calienta el baño, el menisco de la ampolla se eleva, se vuelve más plano y finalmente desaparece, lo que indica una transición a un estado crítico. A medida que el baño se enfría, la ampolla repentinamente se vuelve turbia debido a la formación de muchas gotitas diminutas de éter, después de lo cual el éter se acumula en el fondo de la ampolla.

Arroz. 498. Dispositivo para observar el estado crítico del éter.

Como se puede ver en la tabla. 22, a medida que te acercas punto crítico calor especifico La vaporización es cada vez menor. Esto se explica por el hecho de que a medida que aumenta la temperatura, la diferencia disminuye energías internas Sustancias en estado líquido y vapor. De hecho, las fuerzas adhesivas de las moléculas dependen de las distancias entre las moléculas. Si las densidades del líquido y del vapor difieren poco, entonces las distancias promedio entre las moléculas difieren poco. En consecuencia, los valores de la energía potencial de interacción entre moléculas diferirán poco. El segundo término del calor de vaporización (trabajo contra la presión externa) también disminuye a medida que se acerca a la temperatura crítica. Esto se desprende del hecho de que cuanto menor es la diferencia en las densidades del vapor y del líquido, menor es la expansión que se produce durante la evaporación y, por tanto, menos trabajo realizado durante la evaporación.

La existencia de una temperatura crítica fue señalada por primera vez en 1860. Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), químico ruso que descubrió la ley fundamental de la química moderna. ley periódica elementos químicos. Grandes logros en el estudio de la temperatura crítica pertenecen al químico inglés Thomas Andrews, quien llevó a cabo un estudio detallado del comportamiento del dióxido de carbono durante un cambio isotérmico en el volumen que ocupa. Andrews demostró que a temperaturas más bajas en un recipiente cerrado es posible la coexistencia de dióxido de carbono en estado líquido y gaseoso; a temperaturas más altas tal coexistencia es imposible y todo el recipiente se llena sólo de gas, por mucho que se reduzca su volumen.

Tras el descubrimiento de la temperatura crítica quedó claro por qué gases como el oxígeno o el hidrógeno no se pueden convertir en líquido durante mucho tiempo. Su temperatura crítica es muy baja (Tabla 23). Para convertir estos gases en líquidos, deben enfriarse por debajo de una temperatura crítica. Sin esto, todos los intentos de licuarlos están condenados al fracaso.