Einfache & intuitive Erklärung der Suprafluidität?

Ich beantworte Ihre zweite Frage, weil sie mir vertrauter ist.

Die Frage, die wir beantworten, lautet: "Warum bewegt sich Strom in einem Supraleiter ohne Widerstand?"

Um dies zu verstehen, sollten wir zuerst verstehen, warum normale Metalle einen Widerstand ungleich Null haben. Stellen Sie sich ein Elektron im Metall vor und nehmen Sie an, es bewegt sich in eine Richtung. Wenn das Elektron niemals mit irgendetwas anderem interagieren würde, würde es einfach fröhlich in diese Richtung gehen und der Widerstand wäre tatsächlich Null. In einem normalen Metall interagieren ("kollidieren") jedoch die wandernden Elektronen mit den Ionen des Metalls über die Coulomb-Kraft, weil sie beide geladen sind. Dabei werden Energie und Impuls vom Elektron auf das Ion übertragen. Da dieses Ion fest mit den anderen Metallionen verbunden ist, bringt diese Energie- und Impulsübertragung das Ionengitter zum Schwingen. Eine derartige Anregung des Gitters wird als „ Phonon“ bezeichnet". Wenn Sie Leute sagen hören, dass in einem normalen Metall Elektronen an Phononen gestreut werden, dann sprechen sie darüber.

Übrigens ist die Anregung von Phononen genau das Erhitzen des Metalls, also sehen wir, dass sich das Metall erwärmt, wenn das Elektron Energie verliert. Das ist Joule'sche Erwärmung .

Wir können also sagen, dass der spezifische Widerstand in einem normalen Metall nicht Null ist, weil die Elektronen an Phononen gestreut werden. In einem Supraleiter würden Sie denken, dass die Situation die gleiche wäre. Es gibt immer noch Schwingungsmoden im Metall, und die Elektronen und Ionen sind immer noch geladen, also interagieren sie natürlich immer noch über die Coulomb-Kraft. Um zu verstehen, warum dies nicht geschieht, müssen wir genauer betrachten, was in einem normalen Metall vor sich geht.

Wenn ein Elektron von einem Phonon gestreut wird, ändert sich der Zustand des Elektrons (dh seine Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit). Elektronen gehören zu einer Klasse von Teilchen, die Fermionen genannt werden. Fermionen unterliegen dem Pauli-Ausschlussprinzip, was bedeutet, dass es unmöglich ist, dass zwei Fermionen denselben Zustand einnehmen. Das bedeutet zum Beispiel, dass man nicht zwei Elektronen im gleichen Impulszustand haben kann. Das heißt, damit ein Elektron an einem Phonon streuen kann, müssen wir eine Situation haben, in der es einen unbesetzten Endzustand gibt, in den das Elektron streuen kann. Andernfalls kann der Streuprozess einfach nicht stattfinden. In einem normalen Metall bei endlicher Temperatur nehmen die Elektronen bis zu einem bestimmten Niveau eine Reihe von Impulszuständen ein. Stellen Sie sich das wie folgt vor. Wenn Sie das erste Elektron in das System einsetzen, geht es in den niedrigsten Energiezustand (der einen Impuls von Null hat). Aufgrund des Ausschlussprinzips geht das nächste Elektron in einen höheren Energiezustand, der auch mehr Impuls hat. Während Sie weiterhin Elektronen hinzufügen, füllen Sie einen 3D-Ball von Impulszuständen. Dies nennt man „a des beigefügten Diagramms.

Bei Nulltemperatur würden die Elektronen den Ball bis zu einer Grenzenergie füllen. Dies ist im Diagramm dunkelrot dargestellt. Bei endlicher Temperatur gibt es jedoch ein bisschen thermische Energie, die es den Elektronen ermöglicht, in Zustände mit etwas höherer Energie (und Impuls) zu springen. Dieses kleine Band ist im Diagramm rosa dargestellt. In Teil b zoomen wir auf das rosa Band. Die dunklen Kreise zeigen gefüllte Elektronenzustände und die offenen Kreise leere Elektronenzustände an. Wenn ein Elektron mit einem Phonon wechselwirkt, kann es nur streuen und seinen Zustand ändern, wenn ein Endzustand verfügbar ist. Der grüne Pfeil zeigt einen möglichen Streuprozess an, der graue Pfeil einen durch das Ausschlussprinzip verbotenen.

In einem Supraleiter passiert etwas wirklich Interessantes. Aufgrund der Wechselwirkungen mit den Phononen stellt sich heraus, dass es eine effektive anziehende Wechselwirkung zwischen den Elektronen gibt! Was im Grunde passiert, ist, dass ein reisendes Elektron mit seiner negativen Ladung bewirkt, dass die positiv geladenen Ionen des Metalls ein wenig zusammengesaugt werden. Das Elektron geht wirklich schnell, aber die Ionen brauchen länger, um sich zu bewegen, so dass es nach dem Weggang des Elektrons immer noch einen Bereich mit erhöhter Dichte positiv geladener Ionen gibt. Dies führt dazu, dass aufgrund der höheren positiven Ladung andere Elektronen von diesem Punkt angezogen werden. Auf diese Weise gibt es eine seltsame zeitabhängige Anziehung zwischen Elektronen.

Die Anziehungskraft zwischen Elektronen lässt erkennen, dass es einen niedrigeren Energiezustand als den gefüllten roten Bereich gibt, der in Teil a der Abbildung gezeigt wird. Dieser niedrigere Energiezustand ist derart, dass die üblichen Einzelelektronenanregungen auf einem Energieniveau liegen, das von diesem neuen Grundzustand erheblich entfernt ist. Die in Teil c der Abbildung gezeigte Energielücke ist der Grund dafür, dass Supraleitung auftritt. Wenn nun Elektronen an einem Phonon gestreut werden, sind die einzigen verfügbaren Zustände, in die sie streuen müssen , energetisch weit entfernt. Das bedeutet, dass Sie wirklich hochenergetische Phononen (oder etwas anderes) benötigen, um diesen Grundzustand zu stören. Solange Sie Ihren Supraleiter nicht zu stark schlagen, gibt es KEINE Streuung und somit keinen Widerstand.

Dieses Argument erklärt auch, warum Supraleiter bei Gleichstrom einen Widerstand von Null, bei Wechselstrom jedoch einen Widerstand ungleich Null haben. Wenn Sie hochfrequente Störungen einbringen, können Sie genug Energie einbringen, um tatsächlich ein supraleitendes Elektron aus der Lücke in diese verfügbaren Zustände in der rosa Region zu werfen. Denken Sie daran, dass die Energie einer Störung von der Frequenz abhängt$E=h f$.

Zusammenfassung: Supraleitende Metalle haben keinen Widerstand, da es keine verfügbaren Zustände gibt, in die Elektronen gestreut werden können. Keine Streuung bedeutet keinen Widerstand.