Priprava supervodljivog oksida YBa₂Cu₃O_7-d

Opčenito o supravodljivosti

Danas, kada se spominje supravodljivost  onda se misli na svojstvo najviše povezano s tri riječi -nula, beskonačno i savršeno. Jedno od najimpresivnijih svojstava supravodiča jest gubitak električnog otpora kada njegova temperatura padne ispod kritične temperature(T_c). Uz ovo svojstvo može se zamijetiti i neobični magnetski efekt, naime u supravodljivom stanju dolazi do stvaranja savršenog dijamagnetika i pojave Meissnerovog efekta.

U "normalnim" vodičima,  kao npr. bakar ili aluminij, električna struja nastaje prolaskom  elektrona vanjskih energetskih ljusaka od jednog do drugog atoma. Međutim, u svakom vodiču postoje malene nepravilnosti ili nečistoće u rešetki. Elektron u rešetki koji migrira kroz kristalnu rešetku sudara se s takvim nečistoćama prilikom čega gubi energiju u obliku topline. Ovakvo svojstvo gubitka energije objašnjava se pojavom električnog otpora koji je svojstvo svakog materijala, a ovisi o njegovoj kristalnoj rešetci.

Kod materijala u supravodljivom stanju situacija je puno drugačija. Naime, nečistoće u rešetki još uvijek postoje, ali nema električnog otpora. Na temperaturi od oko 0 K otpor ne postoji, tj. još ne postoji dovoljno precizan instrument koji bi ga mogao izmjeriti. Mogućnost elektrona da prolaze kroz kristalnu rešetku bez gubitka energije je 1935. godine F. London pripisao kvantnom fenomenu u makroskopskoj skali objašnjavajući savršenu dijamagnetičnost sa sparivanjem vodljivih elektrona. Najveći napredak u razumijevanju supravodljivosti dali su 1957. John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer u njihovoj teoriji supravodljivosti, danas poznatoj BCS teoriji. BCS teorija objašnjava supravodljivost na temperaturi bliskoj apsolutnoj nuli. Cooper je naime shvatio da je provodnost struje direktno povezana s  vibracijama kristalne rešetke. Prema teoriji, kada jedan negativno nabijen elektron prolazi kroz pozitivno nabijenu rešetku on narušava stabilnost rešetke što uzrokuje stvaranje fonona. Fononi su paketi zvučnih valova  koji su prisutni u svakoj rešetki koja vibrira. Nastali fononi stvaraju omotač pozitivnog naboja oko elektrona. Ovako "pozitivno" nabijeni elektron privlači drugi elektron koji se kreće kroz rešetku prilikom čega dolazi do njihovog sparivanja u tzv. Cooperove parove (slika 2.).

Slika 2. Putovanje Cooperovih parova kroz rešetku

Prema tome  fononi uzrokuju stvaranje privlačnih sila među elektronima koje su jače od Coulombskog odbijanja. Cooperovi parovi su koherentni jedni sa drugima i tvore asambl koji se kreće kroz rešetku bez smetnji. Na taj način nastaje neka vrsta "superfluida" elektronskih parova. Kada Cooperovi parovi prolaze kroz kristalnu rešetku jedan od elektrona u paru osjeća prisutnost pozitivnog naboja kristalne rešetke, što izaziva prijenos vibracija s jednog iona na drugi. Sve to izaziva emisiju fonona jednog elektrona i apsorpciju fonona na drugom elektronu. Ovakva izmjena fonona je proces koji omogućuje da dva elektrona ostanu duže povezana u paru usprkos pozitivnom naboju kristalne rešetke. Bitno je također imati u vidu da je elektron čestica kojoj se ne može odrediti položaj u prostoru te da se prema tome Cooperovi parovi  stalno kidaju i opet nastaju.

Dakle supravodljivost u materijalima BCS teorija objašnjava kao kretanje Cooperovih parova  kroz kristalnu rešetku. Također  prema BCS teoriji  kada se materijal nalazi na temperaturi ispod kritične Cooperovi parovi predstavljaju niže, pa prema tome i stabilnije stanje materijala. Zagrijavanjem materijala povećavaju se vibracije u kristalnoj rešetci koje kod kritične temperature postaju toliko jake da rasparuju Cooperove parove te dolazi do nestanka supravodljivosti. Problem u BCS teoriji leži u tome da prema njoj supravodljivost ne može postojati na temperaturi većoj od 40 K, te u pretpostavci da kod svih supravodiča postoji znatan izotopni efekt jer vibracije rešetke ovise o masi atoma u kristalnoj rešetki. Otkriće La-Ba-Cu-O sistema, a nakon toga i ostalih visokotemperaturnih supravodiča s kritičnim temperaturama daleko iznad 40 K i zanemarivim izotopnim efektom ova teorija ne može objasniti.