Fizika supravodljivosti

Temperature prijelaza

Ogromna većina poznatih supravodiča ima temperaturu prijelaza koja iznosi između 1 K i 10 K. Od kemijskih elemenata volfram ima najnižu temperaturu prijelaza, 0,015 K, a niobij najviši, 9,2 K. Temperatura prijelaza obično je vrlo osjetljiva na prisutnost magnetskih nečistoća. Na primjer, nekoliko dijelova na milijun mangana u cinku znatno snižava temperaturu prijelaza.

Specifična toplinska i toplinska vodljivost

Toplinska svojstva supravodiča mogu se usporediti s istim materijalom pri istoj temperaturi u normalnom stanju. (Materijal se može prisiliti u normalno stanje pri niskoj temperaturi dovoljno velikim magnetskim poljem.)

Kad se mala količina topline stavi u sustav, dio energije se koristi za povećanje vibracija rešetke (količina koja je jednaka za sustav u normalnom i u supravodljivom stanju), a ostatak se koristi za povećanje energija elektrona provodljivosti. Elektronička specifična toplina (C _e) elektrona definirana je kao omjer onog dijela topline koji elektroni koriste u porastu temperature sustava. Specifična toplina elektrona u supravodiču varira s apsolutnom temperaturom (T) u normalnom i u supravodljivom stanju (kao što je prikazano na slici 1). Elektronička specifična toplina u supravodljivom stanju (označena C _es) je manja nego u normalnom stanju (označena C _en) pri dovoljno niskim temperaturama, ali C _es postaje veća od C _en kada se približi temperatura prijelaza T _c, u kojoj se točki padne naglo C _EN za klasičnih supravodiča, iako krivulja ima šiljak oblika blizini T _c za visoko-T _c supravodiča. Precizna mjerenja pokazala su da je pri temperaturama znatno ispod prijelazne temperature logaritam elektroničke specifične topline obrnuto proporcionalan temperaturi. Ta temperaturna ovisnost, zajedno s načelima statistike mehanike, snažno sugerira da postoji jaz u raspodjeli energetskih razina dostupnih elektronima u superprevodniku, tako da je za pobuđivanje svakog elektrona iz stanja ispod potrebno minimalno energije jaz do stanja iznad jaz. Neki od visoko-T _c supravodiča daju dodatno doprinijeti specifične topline, koja je proporcionalna temperaturi. Ovo ponašanje ukazuje da postoje elektronička stanja koja leže na niskoj energiji; dodatni dokazi o takvim stanjima dobiveni su optičkim svojstvima i mjerenjima tunela.

Tok topline po jedinici površine uzorka jednak je proizvodu toplinske vodljivosti (K) i temperaturnom gradijentu △ T: J _Q = -K △ T, minus znak koji pokazuje da toplina uvijek teče iz toplijeg u hladnije područje od tvar.

Toplinska vodljivost u normalnom stanju (K _n) približava se toplinskoj vodljivosti u supravodljivom stanju (K _s) dok se temperatura (T) približava temperaturi prijelaza (T _c) za sve materijale, bez obzira jesu li čisti ili nečisti. Ovo sugerira da se energetski jaz (Δ) za svaki elektron približava nuli dok se temperatura (T) približava temperaturi prijelaza (T _c). To bi također uzelo u obzir činjenicu da je elektronička specifična toplina u supravodljivom stanju (C _es) veća nego u normalnom stanju (C _en) blizu temperature prijelaza: kako se temperatura povećava prema prijelaznoj temperaturi (T _c), smanjuje se energetski jaz u supravodljivom stanju, povećava se broj termički uzbuđenih elektrona, a to zahtijeva apsorpciju topline.