Fizyka nadprzewodnictwa

Temperatury przejścia

Zdecydowana większość znanych nadprzewodników ma temperatury przejścia między 1 K a 10 K. Spośród pierwiastków chemicznych wolfram ma najniższą temperaturę przejścia, 0,015 K, a niob najwyższą, 9,2 K. Temperatura przejścia jest zwykle bardzo wrażliwa na obecność zanieczyszczeń magnetycznych. Na przykład kilka części na milion manganu w cynku znacznie obniża temperaturę przejścia.

Specyficzne przewodnictwo cieplne i cieplne

Właściwości termiczne nadprzewodnika można porównać z właściwościami tego samego materiału w tej samej temperaturze w stanie normalnym. (Materiał może zostać zmuszony do normalnego stanu w niskiej temperaturze za pomocą wystarczająco dużego pola magnetycznego.)

Kiedy niewielka ilość ciepła jest wprowadzana do układu, część energii jest wykorzystywana do zwiększenia wibracji sieci (ilość, która jest taka sama dla układu w stanie normalnym i nadprzewodzącym), a pozostała część służy do zwiększenia energia elektronów przewodzących. Elektroniczne ciepło właściwe (C _e) elektronów jest zdefiniowane jako stosunek tej części ciepła zużytej przez elektrony do wzrostu temperatury układu. Ciepło właściwe elektronów w nadprzewodniku zmienia się wraz z temperaturą absolutną (T) w stanie normalnym i nadprzewodzącym (jak pokazano na rycinie 1). Elektroniczne ciepło właściwe w stanie nadprzewodzącym (oznaczonym C _es) jest mniejsze niż w stanie normalnym (oznaczonym C _en) w wystarczająco niskich temperaturach, ale C _es staje się większe niż C _{en w} miarę zbliżania się do temperatury przejścia T _c, w którym to momencie nagle spada do C _en dla klasycznych nadprzewodników, chociaż krzywa ma kształt guzka w pobliżu T _c dla nadprzewodników o wysokiej T _c. Dokładne pomiary wykazały, że w temperaturach znacznie poniżej temperatury przejścia logarytm elektronowego ciepła właściwego jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury. Ta zależność temperaturowa, wraz z zasadami mechaniki statystycznej, zdecydowanie sugeruje, że istnieje luka w rozkładzie poziomów energii dostępnych elektronom w nadprzewodniku, tak że minimalna energia jest wymagana do wzbudzenia każdego elektronu ze stanu poniżej luka do stanu powyżej luki. Niektóre nadprzewodniki o wysokiej T _c zapewniają dodatkowy wkład w ciepło właściwe, które jest proporcjonalne do temperatury. To zachowanie wskazuje, że istnieją stany elektroniczne o niskiej energii; dodatkowe dowody takich stanów uzyskuje się z właściwości optycznych i pomiarów tunelowych.

Przepływ ciepła na jednostkę powierzchni próbki jest równy iloczynowi przewodności cieplnej (K) i gradientu temperatury △ T: J _Q = -K △ T, znak minus wskazujący, że ciepło zawsze przepływa z cieplejszego do zimniejszego regionu substancja.

Przewodność cieplna w stanie normalnym (K _n) zbliża się do przewodności cieplnej w stanie nadprzewodzenia (K _s), gdy temperatura (T) zbliża się do temperatury przejścia (T _c) dla wszystkich materiałów, niezależnie od tego, czy są one czyste, czy nieczyste. Sugeruje to, że przerwa energetyczna ()) dla każdego elektronu zbliża się do zera, gdy temperatura (T) zbliża się do temperatury przejścia (T _c). To również wyjaśnia fakt, że elektronowe ciepło właściwe w stanie nadprzewodzącym (C _es) jest wyższe niż w stanie normalnym (C _en) w pobliżu temperatury przejścia: w miarę wzrostu temperatury w kierunku temperatury przejścia (T _c), luka energetyczna w stanie nadprzewodzącym maleje, rośnie liczba elektronów wzbudzanych termicznie, a to wymaga absorpcji ciepła.