¿Cómo puede la resistividad ser realmente cero en superconductores?

La superconductividad, como tantos otros fenómenos de la mecánica cuántica, puede explicarse, en parte, y no del todo con precisión, comparándolo con otra cosa.

Los electrones en un conductor normal se mueven a través del material un poco como el agua que fluye por una corriente, se empujan unos a otros y hay corrientes parásitas y colisiones que generan fricción.

Y ahora se vuelve un poco más complicado.

En los superconductores “clásicos”, que se convierten en superconductores a menos de 30K, la analogía es la siguiente: la primera es que la energía baja esencialmente “congela” la corriente, creando un camino suave para que unos pocos electrones obtengan suficiente energía para viajar a través del ” hielo.”

El segundo es que los electrones forman pares que se ayudan entre sí, de la forma en que dos amantes pueden arrastrarse y rodearse mientras patinan por la corriente.

(Es un poco más complicado que eso, con pares de electrones que se ayudan entre sí de una manera que energéticamente no “ve” la red mientras tengan suficiente energía. Google “pares de Cooper”).

En superconductores de alta temperatura, el mecanismo es diferente.

La respuesta corta aquí es: no lo sabemos .

La respuesta larga es que las mejores teorías que tenemos tratan con interacciones electrónicas reales, por ejemplo. campos magnéticos internos, repulsión electrostática, efectos antiferromagnéticos. y así sucesivamente, en lugar de fonones. Están sucediendo muchas cosas con la relevancia del emparejamiento de ondas S y D, las ondas D tienen más impacto yadda yadda yadda. No lo sabemos.

La resistencia es común porque los defectos son inevitables. La dispersión de electrones por defectos causa resistencia. Incluso si hubiera un cristal perfecto sin ningún defecto, la dispersión electrón-fonón y electrón-electrón produciría resistencia. Entonces, es realmente una pregunta natural por qué la resistencia de los superconductores puede ser cero.

Los portadores en los superconductores son pares de Cooper que son bosones en lugar de fermiones. Cuando un bosón está disperso, la probabilidad de que el bosón llegue a un estado final es proporcional a (n + 1), donde n es el número de otros bosones que ya están en ese estado. A baja temperatura, la mayoría de los bosones se encuentran en estado fundamental. Supongamos que hay un evento de dispersión. Un bosón originalmente en el estado fundamental se dispersará a un estado final que probablemente todavía sea el estado fundamental. El estado inicial y el estado final son los mismos, de modo que el supuesto evento de dispersión no tiene efecto, o puede decir que no se produjo dispersión. Es por eso que la resistencia puede ser cero incluso cuando hay muchos defectos en el superconductor. El “golpe” imaginado entre un par de Cooper y un defecto no tendrá ningún efecto.

Oooh! Otra buena pregunta.

La resistencia a la corriente eléctrica parece surgir de la dislocación que los electrones conductores (que son ondas, no pequeñas bolas de billar) se encuentran por el movimiento térmico de los núcleos + electrones internos a medida que pasan a través de la materia voluminosa del conductor.

Entonces: ¿quiere reducir la resistencia a (efectivamente) cero? Multa. Dos opciones:

  1. hace que el movimiento térmico de los núcleos sea cercano a cero, también conocido como enfriar todo salvajemente, y conduce a la superconducción ‘clásica’
  2. hacen que la onda parte de las ondas electrónicas resuene en promedio con las características vibracionales térmicas generales de los núcleos + electrones internos del material a granel. algo parecido a usted caminando a la velocidad adecuada detrás de una fila de personas que hacen una Ola Mexicana: no golpeará a nadie, siempre que viaje a la velocidad de la ola

Sabemos que a medida que la temperatura aumenta, la frecuencia de colisión también aumenta, es decir, el tiempo de colisión / tiempo de relajación disminuye debido a la vibración térmica y la colisión con iones de cristal. Ahora, a medida que enfriamos el sistema, esta frecuencia de colisión disminuye, es decir, aumenta la trayectoria libre media (distancia entre dos colisiones sucesivas). Si nos enfriamos más cerca de la temperatura cero absoluta, entonces la frecuencia de colisión se vuelve muy, muy pequeña, es decir, el camino libre medio se vuelve muy grande, es decir, el tiempo de colisión se vuelve muy grande. Entonces, para hacer una colisión, el electrón tiene que pasar más tiempo (por ejemplo, pocas horas o un día). Por lo tanto, se puede decir que la conductividad es muy muy grande y, por lo tanto, la resistividad es muy muy baja, ya que los electrones tardan mucho tiempo en colisionar. Entonces los Superconductores tienen una resistencia casi nula.