1. 100 років надпровідності Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011
2. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Нар 21.09. 1853 р. Ґ ронінґен, Нідерланди Помер 21.02. 1926 ( у віці 72 р.) у Лейдені Хайке Камерлінг Оннес Heike Kamerlingh Onnes (фото з музею Boerhaave)
15. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Звичайний метал Надпровідник Температура Залишковий опір Електричний опір
16. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 1913 Nobel Prize Хайке Камерлінг Оннес " за дослідження властивостей речовини при низьких температурах, які привели, серед іншого, до виробництва рідкого He4" 1972 Nobel Prize Джон Бардін, Леон Купер, Роберт Шріффер за " теорію надпровідності, знану як теорію БКШ" 1973 Nobel Prize Івар Йевер "за відкриття тунельних явищ у надпровідниках"; Браєн Девід Джозефсон "за теоретичні передбачення властивостей надпровідних струмів крізь тунельний бар ’ єр, зокрема явища, відомого як ефект Джозефсона " 1987 Nobel Prize Георг Беднорц та Алекс Мюллер "за відкриття надпровідності в керамічних матеріалах" 2003 Nobel Prize А.А.Абрикосов, В.Л.Гінзбург та Ентоні Леггет "за визначальний внесок в теорію надпровідності та надплинності"
18. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Відкриття абсолютного діамагнетизму надпровідників Вальтер Мейснер та Роберт Оксенфельд, 1933 р.
19. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Виштовхування магнітного поля з надпровідника
25. Відкриття надпровідності другого роду 1936 р., Харків, Український фізико-технічний інститут Л. Шубніков , В.Хоткевич, Г.Шепелев, Ю.Рябінін Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 75 років тому!
26. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Проникнення магнітного поля у надпровідник другого роду
27. Харків, Український фізико-технічний інститут Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011
28.
29. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Вихор Абрикосова — область проникнення магнітного поля в надпровідник 1952 р. STM image of Vortex lattice, 1989
30. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 температура опір температура опір
31. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Висока температура: електрони рухаються хаотично Низька температура: проявляються хвильові властивості Критична температура: з ’ являється перекриття хвильових функцій електронів Температура близька до абсолютного нуля: виникає бозе-ейнштейнівський конденсат
33. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 1957 рік: теорія БКШ Нобелівська премія 1972 р.
34.
35. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011 Ефект Джозефсона (1962р.) – протікання струму через тонкий шар, який розділяє два надпровідника
44. Superconducting Solenoid Purpose: Provide a magnetic field for bending charged particles 13m long, 6m inner diameter largest superconducting solenoid ever made. Niobium-Titanium wires cooled to -271 o C carry 20000 Amps to provide a 4 teslas magnetic field – about 100000 times stronger than that of the earth Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011
45. Квантові комп ’ ютери?! Надпровідний кубіт Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011
59. Використані джерела Доповідь А.Г. Шепелєва на ювілейній конференції Українського фізичного товариства (УФТ), присвячена 20-річчю його заснування , The Discovery Of Type Ii Superconductors ( shubnikov Phase ), published by InTech - Open Access Publisher, ISBN 978-953-307-107-7. Lecture s on Applied Superconductivity by T . P. Orlando ( MIT ) Довгий Я.О. Це чарівне явище надпровідність - Львів: Євросвіт, 2000. Фестиваль науки 2011 в ТНТУ імені І.Пулюя 17.05.2011
60.
Editor's Notes
Today marks the 100th anniversary of superconductivity by Heike Kamerlingh Onnes . In a superconductor, the electrons flow without any electrical resistance. Apart from their fundamental scientific interest, superconductors are used to make powerful electromagnets, for example for MRI and NMR machines in medical diagnostics. Other promising applications include power transmission cables with low losses, highly sensitive devices to measure magnetic fields and so on. Working in his lab at Leiden University , on 8 April 1911 he experimented with the electrical resistance of mercury at low temperatures. In his notebook he noted that at 3 K (-270°C), ‘Kwik nagenoeg nul’, mercury’s resistance drops to ‘practically zero’. This discovery at such low temperatures was only made possible by Kamerlingh Onnes previous achievement of liquifying helium at 4.22 K. this provided the means to cool samples down to even lower temperatures. For this breakthrough in cryogenics, Kamerlingh Onnes received the 1913 Nobel prize in physics . When superconductivity was discovered, it certainly was a puzzling observation at the time. Some scientists believed that at low temperatures electrical resistance would shoot up towards infinity, whereas others thought that it would gradually go down, which is what indeed happens for many materials. However, superconductivity is not simply a new form of electrical resistance – it is a thermodynamic state in its own right, and its unique properties can’t be explained by classical physics alone. Indeed, it was not until 1957, when Bardeen , Cooper and Schrieffer provided the quantum-theory that explains superconductivity of materials such as mercury. However, that’s not where research into superconductivity stops. In 1987, the so-called high-temperature superconductors were discovered. Their superconducting temperatures are so high that cooling with helium isn’t even necessary. Interestingly, mercury (Hg) plays a key role there as well: the superconductor with the highest known temperature at normal pressures (135 K) is HgBa2Ca2Cu3Ox! The origin of superconductivity in these new superconductors is different to the classical superconductors, and remains not fully understood. This makes Kamerlingh Onnes discovery all the more relevant to this day.
Голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес родился в Гронингене на севере Нидерландов. Его отец Харм Камерлинг-Оннес был преуспевающим владельцем кирпичного завода, мать, урожденная Анна Гердина Коерс, была дочерью архитектора. По окончании средней школы К.-О. в 1870 г. поступил в Гронингенский университет, где изучал математику и физику. Степень кандидата (примерно эквивалентную степени бакалавра) он получил в 1871 г. Три семестра К.-О. провел в Гейдельбергском университете (Германия), где его занятиями руководили химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф. В 1873 г. К.-О. возвратился в Гронинген. Через шесть лет он блестяще защитил докторскую диссертацию, в которой предложил новое доказательство вращения Земли. С 1878 по 1882 г. К.-О. читал лекции в Политехническом училище (позднее преобразованном в Технический университет) Дельфта. Внимание К.-О. привлекала теория газов Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, устанавливающая соотношение между давлением, температурой и объемом. Она позволяла учесть различия в поведении реальных и идеальных газов. В то время Ван-дер-Ваальс преподавал в Амстердаме, и К, – О. вступил с ним в переписку по поводу молекулярной теории. В 1882 г., в возрасте двадцати девяти лет, К.-О. получил назначение на должность профессора экспериментальной физики Лейденского университета и стал во главе физической лаборатории этого университета. В своей вступительной лекции К.-О. провозгласил принцип, которым неукоснительно руководствовался на протяжении сорока двух лет своего пребывания в Лейденском университете: «Через измерение к знанию». По мнению К.-О., физические лаборатории должны производить количественные измерения и ставить качественные эксперименты; теоретические описания должны подкрепляться точными измерениями, производимыми с астрономической точностью. Согласно теории соответственных состояний Ван-дер-Ваальса, все газы ведут себя одинаково, если единицы давления и температуры выбраны с учетом слабых сил притяжения между молекулами. К.-О. считал, что исследование поведения газов при низких температурах может дать важную информацию для проверки теории соответственных состояний. Для достижения низких температур необходимо сжижать газы. К.-О. выбрал темой для работы своей лаборатории узкую область криогеники – исследование низкотемпературных эффектов. Он построил крупный завод по сжижению газов для получения больших количеств низкотемпературных жидкостей – кислорода, азота и воздуха. Эти жидкости были необходимы для проведения экспериментов по изучению свойств материалов и достижения еще более низких температур. Чтобы подготовить квалифицированных ассистентов, К.-О. в 1909 г. открыл училище для механиков и стеклодувов. Вскоре выпускников лейденского училища можно было встретить в физических лабораториях всего мира. Лаборатория К.-О. стала образцом для научно-исследовательских институтов XX века. Хотя шотландский ученый Джеймс Дьюар получил жидкий водород в 1898 г., только К.-О. удалось наладить получение жидкого водорода в значительных количествах. Его заводская установка производила 4 литра жидкого водорода в час. Для создания установки потребовалось все искусство подготовленных К.-О. техников: механиков – для создания насосов, стеклодувов – для изготовления прозрачных сосудов, сквозь стенки которых можно было бы наблюдать за поведением веществ при низких температурах. Через два года К.-О. впервые удалось получить жидкий гелий при температуре всего лишь на 4° выше абсолютного нуля. Некоторые ученые сомневались, что это вообще достижимо. «Я был вне себя от радости, когда смог продемонстрировать жидкий гелий моему другу Ван-дер-Ваальсу, чья теория была моей путеводной нитью, позволившей довести сжижение до конца», – вспоминал впоследствии К.-О. С помощью жидкого гелия К.-О. удалось достичь еще более низких температур: 1,38 К в 1909 г. и 1,04 К в 1910-м. Однако основной его заботой оставалось исследование свойств веществ при столь низких температурах. Он изучал спектры поглощения элементов, фосфоресценцию различных соединений, вязкость сжиженных газов и магнитные свойства веществ. Поскольку температура является мерой случайного движения молекул вещества, а это затемняет суть некоторых явлений, понижение температуры может, по выражению К.-О., помочь «приподнять завесу, которую простирают над внутренним миром атомов и электронов тепловые движения при обычных температурах». Свое наиболее поразительное открытие К.-О. сделал в 1911 г. Он обнаружил, что при низких температурах электрическое сопротивление некоторых металлов полностью исчезает. Это явление К.-О. назвал сверхпроводимостью. К.-О. предположил, что объяснение сверхпроводимости будет дано квантовой теорией. В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер предложили теоретическое объяснение явления сверхпроводимости. К.-О. был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». Представляя лауреата, Теодор Нордстрем из Шведской королевской академии наук сказал, что «достижение столь низких температур имеет огромное значение для физических исследований и работы К.-О. внесут свой вклад в новые теории электрона». К.-О., снискавший всеобщую любовь и заслуживший почетное прозвище Господин Абсолютный Нуль, многое сделал для развития международного сотрудничества в области науки. Он охотно приглашал иностранных ученых поработать в своей лаборатории. Основанный им журнал «Сообщения из физической лаборатории Лейденского университета» ("Communications From the Physical Laboratory of the University of Leiden") стал самым авторитетным изданием по физике низких температур. К.-О. принимал деятельное участие в разработке методов использования низких температур: хранении пищевых продуктов; создании вагонов-рефрижераторов и производстве льда.
Ehrenfest's students, Leiden 1924. Left to right: Gerhard Heinrich Dieke , Samuel Abraham Goudsmit , Jan Tinbergen , Paul Ehrenfest, Ralph Kronig , and Enrico Fermi Other young foreign scientists who spent an extended period in his laboratory included Gunnar Nordström , Enrico Fermi , Igor Tamm , Oskar Klein , Robert Oppenheimer , Walter Elsasser , Ralph Kronig , Werner Heisenberg , Paul Dirac , and David Dennison .
http://www.museumboerhaave.nl/AAcollection/english/M21P03_V09686.html Compound dewar flask for recovering liquid helium Originally this was the bottom paert of the heliumliquefier. In the innermost flask, 1,5 cm wide, the first liquid helium was collected. 9686
The density of liquid helium-4 at its boiling point and 1 atmosphere ( atm ) is approximately 0.125 g/mL
He-4 is the more common isotope of helium. The figure shows the phase diagram of 4He at low temperatures. He-4 remains liquid at zero temperature if the pressure is below 2.5 MPa (approximately 25 atmospheres). The liquid has a phase transition to a superfluid phase, also known as He-II, at the temperature of 2.17 K (at vapor pressure). The solid phase has either hexagonal close packed (hcp) or body centered cubic (bcc) symmetry.
The phase diagram of He-3 is shown in the figure. Note the logarithmic temperature scale. The dot in the lower right hand corner denotes room temperature and pressure. There are two superfluid phases of He -3, A and B. The line within the solid phase indicates a transition between spin-ordered and spin disordered structures (at low and high temperatures, respectively).
On 8 April 1911, in this building, Professor Heike Kamerlingh Onnes and his collaborators, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim, and Gilles Holst, discovered superconductivity. They observed that the resistance of mercury approached "practically zero" as its temperature was lowered to 3 kelvin. Today, superconductivity makes many electrical technologies possible, including Magnetic Resonance Imaging (MRI) and high-energy particle accelerators.
Джерело logostory-nobel.html http://www.ewh.ieee.org/tc/csc/
• About six years ago the US and Denmark introduced into operation three Bi-HTSCbased electric transmission lines (Chernoplekov, 2002); • A remarkable progress has been achieved in engineering the MAGLEV trains, in December, 2003, Japan recorded the MAGLEV train speed of 581 km/h: Not a single large magnetic system can be created without Type II superconductors. The sophisticated magnetic system of International Tokamak Reactor (ITER) (see, Fig.26), which is being built at the moment, is to comprise three sub-systems: the core solenoid, 18 toroidal field coils and 6 poloidal field coils. The core solenoid which is manufacturable from Nb3Sn will create the field of 13,5 T, the toroidal magnetic field coils made of the same superconductor will produce the axial magnetic field of 6 T (the maximum field about 12 T), while the Nb-Ti poloidal magnetic field coils will produce the field of 6 T (Salpietro, 2006). It is of interest to note here that the magnetic energy stored only in the toroidal magnetic field coils of this gigantic facility (around 30 m in diameter and in height) is 41 GJ!
STM image of Vortex lattice, 1989 Scanning Tunnel Microscopy NbSe2, 1T, 1.8K H. F. Hess et al. Bell Labs Phys . Rev . Lett . 62, 214 (1989)
Although Cooper pairing is a quantum effect, the reason for the pairing can be seen from a simplified classical explanation An electron in a metal normally behaves as a free particle. The electron is repelled from other electrons due to their negative charge , but it also attracts the positive ions that make up the rigid lattice of the metal. This attraction distorts the ion lattice, moving the ions slightly toward the electron, increasing the positive charge density of the lattice in the vicinity. This positive charge can attract other electrons. At long distances this attraction between electrons due to the displaced ions can overcome the electrons' repulsion due to their negative charge, and cause them to pair up. The rigorous quantum mechanical explanation shows that the effect is due to electron– phonon interactions. The energy of the pairing interaction is quite weak, of the order of 10−3 eV , and thermal energy can easily break the pairs. So only at low temperatures are a significant number of the electrons in a metal in Cooper pairs. The electrons in a pair are not necessarily close together; because the interaction is long range, paired electrons may still be many hundreds of nanometers apart.
Only 20 years ago, there were more than one thousand superconducting solenoids made of Nb-Ti with the aperture 1 m for NMRI scans of human body
