ฟิสิกส์การนำไฟฟ้ายิ่งยวด

อุณหภูมิการเปลี่ยน

ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นที่รู้จักส่วนใหญ่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านซึ่งอยู่ระหว่าง 1 K และ 10 K ขององค์ประกอบทางเคมีทังสเตนมีอุณหภูมิการเปลี่ยนต่ำสุด 0.015 K และไนโอเบียมสูงสุด 9.2 K อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านมักจะอ่อนไหวมากต่อ การปรากฏตัวของสิ่งสกปรกแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่นแมงกานีสในสังกะสีบางส่วนต่อล้านส่วนจะช่วยลดอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านได้อย่างมาก

ความร้อนจำเพาะและการนำความร้อน

คุณสมบัติความร้อนของตัวนำยิ่งยวดสามารถเปรียบเทียบกับวัสดุเดียวกันที่อุณหภูมิเดียวกันในสภาวะปกติ (วัสดุสามารถถูกบังคับให้อยู่ในสภาวะปกติที่อุณหภูมิต่ำโดยสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่พอ)

เมื่อความร้อนจำนวนเล็กน้อยถูกใส่เข้าไปในระบบพลังงานบางส่วนจะถูกใช้เพื่อเพิ่มการสั่นของตาข่าย (จำนวนที่เท่ากันสำหรับระบบในสภาวะปกติและอยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวด) และส่วนที่เหลือจะถูกใช้เพื่อเพิ่ม พลังงานของอิเล็กตรอนตัวนำ ความร้อนจำเพาะทางอิเล็กทรอนิกส์ (C _e) ของอิเล็กตรอนถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของส่วนของความร้อนที่ใช้โดยอิเล็กตรอนต่ออุณหภูมิของระบบที่สูงขึ้น ความร้อนจำเพาะของอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดนั้นแปรผันตามอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ในสภาวะปกติและในสภาวะตัวนำยิ่งยวด (ดังแสดงในรูปที่ 1) ความร้อนเฉพาะอิเล็กทรอนิกส์ในรัฐยิ่งยวด (กำหนด C _ES) มีขนาดเล็กกว่าในสภาวะปกติ (กำหนด C _en) ที่อุณหภูมิต่ำพอ แต่ C _esเป็นใหญ่กว่า C _enเป็นอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง T _คเดินเข้ามาใกล้จุดที่ มันหยดทันทีที่ C _enสำหรับตัวนำยิ่งยวดคลาสสิกแม้ว่าโค้งมีรูปร่างใกล้ cusp T _คสำหรับสูง-T _คตัวนำยิ่งยวด การวัดที่แม่นยำแสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิช่วงเปลี่ยนผ่านลอการิทึมของความร้อนเฉพาะทางอิเล็กทรอนิกส์นั้นแปรผกผันกับอุณหภูมิ การพึ่งพาอุณหภูมินี้พร้อมกับหลักการของกลไกทางสถิติแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามีช่องว่างในการกระจายระดับพลังงานที่มีให้อิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดเพื่อให้พลังงานขั้นต่ำจำเป็นสำหรับการกระตุ้นของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจากสถานะด้านล่าง ช่องว่างสู่สถานะเหนือช่องว่าง บางส่วนของสูง-T _คตัวนำยิ่งยวดให้การสนับสนุนเพิ่มเติมเพื่อให้ความร้อนที่เฉพาะเจาะจงซึ่งเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิ พฤติกรรมนี้บ่งชี้ว่ามีสถานะอิเล็กทรอนิกส์อยู่ที่พลังงานต่ำ หลักฐานเพิ่มเติมของสถานะดังกล่าวได้มาจากคุณสมบัติทางแสงและการวัดอุโมงค์

การไหลของความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ของตัวอย่างเท่ากับผลคูณของการนำความร้อน (K) และการไล่ระดับอุณหภูมิ△ T: J _Q = -K △ T, เครื่องหมายลบแสดงว่าความร้อนจะไหลจากที่อุ่นกว่าไปยังบริเวณที่เย็นกว่าของ สาร

การนำความร้อนในสภาวะปกติ (K _n) เข้าใกล้การนำความร้อนในสถานะตัวนำยิ่งยวด (K _s) เมื่ออุณหภูมิ (T) เข้าใกล้อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่าน (T _c) สำหรับวัสดุทั้งหมดไม่ว่าจะบริสุทธิ์หรือไม่บริสุทธิ์ นี่แสดงให้เห็นว่าช่องว่างพลังงาน (for) สำหรับอิเล็กตรอนแต่ละตัวเข้าใกล้ศูนย์เนื่องจากอุณหภูมิ (T) เข้าใกล้อุณหภูมิช่วงการเปลี่ยนภาพ (T _c) สิ่งนี้จะอธิบายถึงความจริงที่ว่าความร้อนจำเพาะทางอิเล็กทรอนิกส์ในสถานะตัวนำยิ่งยวด (C _es) สูงกว่าในสภาวะปกติ (C _en) ใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่าน: เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นสู่อุณหภูมิช่วงเปลี่ยนผ่าน (T _c) ช่องว่างพลังงานในสถานะตัวนำยิ่งยวดลดลงจำนวนของอิเล็กตรอนที่เพิ่มความร้อนขึ้นและสิ่งนี้ต้องการการดูดซับความร้อน