Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwo, zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych (spiek). Materiał, dla którego zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem. Ze względu na charakter przemiany fazowej towarzyszącej przejściu materiału ze stanu przewodzącego w nadprzewodzący wyróżnia się dwa rodzaje nadprzewodników: tzw. nadprzewodniki I lub II rodzaju.
Nadprzewodnictwo obserwowane jest w niskich temperaturach, mniejszych od pewnej, charakterystycznej dla danego materiału tzw. temperatury krytycznej Tk. Stan nadprzewodzący może zaniknąć po umieszczeniu nadprzewodnika w dostatecznie silnym polu magnetycznym, nawet gdy materiał znajduje się w temperaturze mniejszej od krytycznej (gdy w nadprzewodniku płynie wtedy prąd elektryczny, zanikowi nadprzewodnictwa towarzyszy wydzielenie ciepła, mające w przypadku silnych elektromagnesów charakter eksplozji). W zamkniętym pierścieniu (lub cewce) wykonanej z nadprzewodnika można wytworzyć indukcyjnie niezanikający przepływ prądu elektrycznego.
Zjawisko nadprzewodnictwa odkrył H. Kamerlingh-Onnes (1911). Pierwotnie stan nadprzewodzący obserwowano w temperaturze kilku (najwyżej kilkunastu) K (tzw. temperatury helowe), w 1986 odkryto (J.G. Bednorz, K.A. Mller) tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe (będące materiałami ceramicznymi), dla których Tk są wyższe od temperatury wrzenia ciekłego azotu (tj. od ok. 77 K).
Zjawisko nadprzewodnictwa dla metalicznych nadprzewodników wyjaśniono (L.N. Cooper, J. Bardeen, J. Schrieff) rozpatrując kondensację Bosego-Einsteina zachodzącą w cieczy zbudowanej z elektronów przewodnictwa w metalu, powiązanych ze sobą w pary w szczególny sposób (Coopera pary elektronowe). W odpowiednio niskiej temperaturze ciecz ta przechodzi w stan nadciekły (nadpłynność), co obserwujemy jako zanik oporu elektrycznego. Zjawisko nadprzewodnictwa jest efektem kwantowym. Istnieje wiele interesujących własności nadprzewodników (m.in. efekt Meissnera-Ochsenfelda, efekt Josephsona, kwantowanie strumienia magnetycznego itp.).
Brak strat energii na wydzielanie ciepła w trakcie przepływu prądu elektrycznego w nadprzewodniku stwarza możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność utrzymywania materiału w niskiej temperaturze, oraz to, że poznane dotychczas nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami ceramicznymi (a więc są kruche, sztywne itd.). Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach. Trwają prace nad uzyskaniem materiałów i technologii umożliwiających konstruowanie z nadprzewodników wysokotemperaturowych nadprzewodzących energetycznych linii przesyłowych, silników elektrycznych itp. Nadprzewodniki mogą znaleźć zastosowanie również w elektronice (złącze Josephsona).



Półprzewodniki półmagnetyczne
Plakat na wystawę "Hoża wczoraj, dziś, jutro" ( 28 stycznia - 2 lutego1996) z okazji 75 lecia Fizyki na Hożej





Półprzewodnik półmagnetyczny:
część jonów "zwykłego" półprzewodnika (np.: CdTe, ZnSe, CdS) została zastąpiona jonami obdarzonymi momentem magnetycznym (np. Mn, Fe)


Skutek:
gigantyczne rozszczepienia w polu magnetycznym stanów energetycznych noników prdu (efekt Zeemana).
J.A. Gaj, J. Ginter, R.R. Gałzka Physica Status Solidi B 89, 655 (1978)


Gigantyczny efekt Faradaya
Płaszczyzna polaryzacji światła przechodzącego przez ośrodek znajdujcy się w polu magnetycznym ulega skręceniu. W półprzewodnikach półmagnetycznych efekt ten jest znacznie większy (o przeszło rzd wielkoci) niż w "zwykłych" materiałach.
W "zwykłym" orodku W półprzewodniku półmagnetycznym

























Związany polaron magnetyczny

W okolicach obcego atomu (domieszki) przypadkowo zorientowane momenty magnetyczne jonów zostają uporządkowane przez oddziaływanie z momentem magnetycznym domieszki. Powstaje mikroskopijny, namagnesowany obszar.
M. Nawrocki, R. Planel, G. Fishman, R.R. Gałzka Physical Review Letters 46, 735 (1981)






Fazy magnetyczne w półprzewodniku pół magnetycznym:
PARAMAGNETYK brak uporządkowania magnetycznego

ANTYFERROMAGNETYK uporządkowanie długo zasięgowe

SZKŁO SPINOWE porzdek krótkozasięgowy, brak porzdku dalekiego zasięgu

A. Twardowski, H.J.M. Swagten, W.J.M. de Jonge, M. Demianiuk Physical Review B 36, 7013 (1987)













Chrom jako domieszka magnetyczna (ZnCrSe, ZnCrS, ZnCrTe)


Jakościowa zmiana efektu Zeemana: stany elektronowe pasma walencyjnego rozszczepiają się w przeciwną stronę niż w związkach z manganem czy żelazem.







W. Mac, Nguyen The Khoi, A. Twardowski, J.A. Gaj, M. Demianiuk Physical Review Letters 71, 2327 (1993)