Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Сверхпроводимость




Читайте также:
  1. Высокотемпературная сверхпроводимость
  2. Природа электрического тока в металлах. Сверхпроводимость
  3. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры Тк, характерной для данного вещества, названо сверхпроводимостью.

Скачкообразное исчезновение сопротивление ртути при Тк = 4,15 К впервые наблюдал голландский физик Х. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Как выяснилось впоследствии, сверхпроводящее состояние при низких температурах свойственно примерно половине металлических элементов, большому числу металлических соединений, ряду полупроводников и оксидов. В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у огромного числа сплавов и соединений. Измеренные значения Тк для металлов лежат в интервале температур от нескольких тысячных долей Кельвина до 10 К. Долгое время самым высокотемпературным сверхпроводником (Тк = 23,4 К) считали сплав NbGe. В 1986–88 г.г. сверхпроводящий переход при Тк ≈ 120 К был обнаружен в оксидных системах типа Tl2Ba2Ca2Cu3Ox. К 2000 г. в литературе появились сообщения об обнаружении сверхпроводников с Тк = 180 и даже 240 К.

Величина сопротивления металла в сверхпроводящем состоянии меньше 10–22 Ом×м (для сравнения, сопротивление несверхпроводящих чистых образцов Cu или Ag составляет около 10–11 Ом×м при температуре жидкого гелия). Сверхпроводящее состояние – особое физическое состояние вещества, не соответствующее модели «идеального» проводника с исчезающе малым сопротивлением (рис. 2.8).

 

 

В 1933 г. немецкие физики Ф.В. Мейснер (F.W. Meissner) и Р. Оксенфельд (R. Ochsenfeld) на образцах олова и свинца установили, что слабое магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника, т.е. при Т < Тк магнитный поток «выталкивается» из проводника. Таким образом было показано, что в сверхпроводящем состоянии проводники становятся идеальными диамагнетиками. Идеальный диамагнетизм присущ всем сверхпроводникам при Т < Тк. Явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника магнитная индукция равна нулю, получило название эффекта Мейснера.

Исчезновение магнитного поля внутри сверхпроводника при его охлаждении ниже Тк во внешнем магнитном поле связано с появлением в образце поверхностных токов, которые создают внутри него магнитное поле, равное по величине и противоположное по знаку внешнему полю. Результатом является полная компенсация магнитного поля внутри образца. Магнитное поле проникает только в тонкий (~10–4÷10–5 мм) поверхностный слой сверхпроводника. Именно в этом слое текут поверхностные экранирующие токи, а также токи, создаваемые внешним источником.



«Выталкивание» магнитного поля из сверхпроводника наблюдается только в слабых полях. Сверхпроводящее состояние разрушается, если напряженность внешнего магнитного поля превышает некоторую величину Нк, называемую критическим магнитным полем. Эта величина уменьшается от значения Нк0 при Т = 0 К до нуля при Т = Тк (рис. 2.9, а).

 

Рис. 2.9 Зависимость критического магнитного поля от температуры
сверхпроводника 1-го (а) и 2-го (б) рода

Экспериментально установлено, что напряженность критического магнитного поля сверхпроводников уменьшается с ростом температуры в соответствии с выражением:

Нк(Т) = Нк0 . (2.7)

Значения Нк0 для металлических сверхпроводников лежат в интервале от нескольких десятых до нескольких единиц ампер на метр.

В достаточно сильных магнитных полях свойства сверхпроводников не одинаковы, поэтому их подразделяют на две группы – сверхпроводники первого и второго рода.



В сверхпроводники 1-го рода магнитное поле не проникает до тех пор, пока его напряженность не превысит критическое значение Нк(Т). При весь образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее) состояние и магнитное поле проникает в него (рис. 2.10, а). В сверхпроводниках 2-го рода существует два критических поля Нк1(Т) и Нк2(Т), рис. 2.9, б. При напряженности поля, меньшей нижнего критического значения Нк1, магнитный поток не проникает в образец. Если магнитное поле превышает верхнее критическое значение Нк2, образец переходит в нормальное состояние и поле полностью проникает в образец. В интервале полей Нк1 < Н < Нк2 возникает так называемое смешанное состояние, для которого характерно частичное проникновение магнитного потока в образец (рис. 2.10, б). В образце образуется сложная структура из чередующихся нормальных и сверхпроводящих областей.

Рис. 2.10 Зависимость магнитной индукции В внутри сверхпроводника

1-го рода (а) и 2-го рода (б) от напряженности Н внешнего магнитного поля: 1 – сверхпроводящее, 2 – смешанное, 3 – нормальное состояние

 

Природа сверхпроводимости была выяснена в 1957 г. (лишь через 46 лет после открытия этого явления) американским физиком-теоретиком Л. Купером. Согласно эффекту Купера, к сверхпроводимости металла приводит объединение электронов проводимости в пары. На основе этого эффекта американские физики Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер сформулировали микроскопическую теорию сверхпроводимости (модель БКШ). За ее создание они в 1972 г. были удостоены Нобелевской премии.



Согласно эффекту Купера, два электрона с противоположными спинами, в результате притяжения, вызванного колебаниями кристаллической решетки (т.е. обмениваясь фононами), могут образовать связанное состояние – куперовскую пару. Заряд такой пары (квазичастицы) равен 2е, ее спин равен нулю, т.е. является целочисленным, поэтому куперовскую пару относят к бозонам. Бозоны, в отличие от фермионов, могут находиться в состоянии с одним и тем же импульсом (или энергией). При достаточно низкой температуре происходит фазовый переход квантового газа, состоящего из бозонов, в состояние с нулевым импульсом, т.е. в бозе-конденсат. Плавление такого конденсата приводит к сверхтекучести системы (например, жидкого гелия 4Не). Сверхпроводимость имеет родственную природу со сверхтекучестью и представляет собой «сверхтекучесть» куперовских электронных пар, образовавшихся в металле.

Сверхпроводники первого рода утрачивают сверхпроводимость скачком (фазовый переход I рода) при достижении соответствующей данному магнитному полю критической температуры Tк(Н) либо при повышении напряженности внешнего поля до критического значения Нк(Т). Критическое поле имеет простое термодинамическое истолкование: оно определяет разность удельных (на единицу объема) свободных энергий сверхпроводящей и нормальной фаз:

(2.8)

По измеренной зависимости Нк(Т) с помощью формулы (2.8) могут быть рассчитаны все термодинамические характеристики сверхпроводника 1-го рода. В частности, удельная теплота фазового перехода в сверхпроводящее состояние

где Sн и Sc – удельные энтропии соответствующих фаз. Скачок удельной теплоемкости при T = Tк равен

Согласно модели БКШ, критическое поле связано с критической температурой соотношением:

(где pF и vF – импульс и скорость электрона вблизи уровня Ферми), а его температурная зависимость в предельных случаях имеет вид:

.

Обе последние формулы близки к эмпирическому соотношению (2.7), которое хорошо описывает экспериментальные данные (рис. 2.9, а).

Сила притяжения между электронами, приводящая к образованию куперовских пар, зависит от многих факторов. Тем не менее, у всех известных сверхпроводников эти силы определяются взаимодействием электронов с фононами. Развитие теории сверхпроводимости стимулировало поиски других механизмов реализации этого явления в конденсированных телах. Особое внимание уделено так называемым нитевидным, слоистым и сэндвичевым структурам, обладающим экситонной проводимостью, в которых можно ожидать более интенсивного притяжения между электронами, чем в обычных сверхпроводниках, а, следовательно, − и более высокой температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Практическое применение сверхпроводимости непрерывно расширяется. На использовании свойств сверхпроводников основан принцип действия сверхпроводящих магнитов, магнитометров, резонаторов, элементов ЭВМ и др. Перспективы применения эффекта сверхпроводимости связаны с разработкой высокотемпературных сверхпроводников (Тк ~ 300К), которые могли бы совершить переворот в технике.

Эффект Джозефсона.Протекание сверхпроводящего тока возможно через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый джозефсоновский контакт). Этот эффект, предсказанный английским физиком, Нобелевским лауреатом (1973 г.) Б. Джозефсоном (B. Josephson) в 1962 г., был экспериментально обнаружен в 1963 г. Электроны проводимости проходят через диэлектрик (например, пленку оксида металла толщиной порядка10−9 м) благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт не превышает критического значения Iк, то падение напряжения на контакте отсутствует (стационарный эффект Джозефсона). Если пропускать ток, больший критического, то на контакте возникает падение напряжения, и он излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект Джозефсона). Частота излучения ν связана с падением напряжения U соотношением

ν = 2еU/ h, (2.9)

где е – заряд электрона, h – постоянная Планка. Излучение вызвано тем, что куперовские пары, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт Джозефсона приобретают избыточную по отношению к основному состоянию энергию 2еU. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние − это излучить квант электромагнитной энергии hν = 2eU. Таким образом, переменное электромагнитное поле, а значит и переменный ток через контакт, возникают под действием постоянного электрического поля (приложенного напряжения U).

Согласно модели БКШ, куперовские пары электронов характеризуются единой волновой функцией, фаза j которой плавно меняется. Иными словами, имеет место фазовая когерентность сверхпроводящих электронов (колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной или закономерно изменяется во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания). При прохождении сверхпроводящих электронов через несверхпроводящую диэлектрическую прослойку фазовая когерентность частично нарушается и происходит скачок фазы , где j2 и j1 – фазы волновой функции в сверхпроводниках по обе стороны от прослойки. Согласно квантовомеханическим представлениям, ток, протекающий через прослойку, должен быть пропорционален разности фаз:

. (2.10)

Экспериментальное обнаружение этого тока доказывает, что в природе существуют макроскопические явления, непосредственно определяемые фазой волновой функции электрона. Из формулы (2.10) видно, что ток через джозефсоновский контакт не может превысить Iк.

Величина Iк и механизм прохождения электронов через прослойку зависят от электрических свойств материала прослойки (диэлектрик, полупроводник, металл в нормальном состоянии). Типичный пример джосефсоновского контакта – туннельный контакт, состоящий из двух металлических электродов – одинаковых или различных пленочных сверхпроводников, разделенных очень тонким слоем (~ 10 ÷ 20 Å) диэлектрика, например, оксидом металла одного из электродов.

На рис. 2.11 приведена типичная вольтамперная характеристика туннельного контакта одинаковых сверхпроводников. При I = Iк происходит переход из стационарного в нестационарный режим. При последующем уменьшении тока нестационарный режим может сохраняться даже при значениях тока, значительно меньших критического, т.е. в туннельном контакте проявляется гистерезис.

 

 

Рис. 2.11 Вольтамперная характеристика туннельного контакта Sn–Sn при температуре 1,4 К. Прослойка – пленка оксида олова; стрелками показано направление изменения

 

При нестационарном эффекте Джозефсона разность фаз на контакте зависит от времени:

. (2.11)

Уравнение (2.11) является следствием уравнения Шрёдингера для волновой функции пары сверхпроводящих электронов при наличии постоянного потенциала U и не связано с существованием прослойки между двумя сверхпроводниками, т.е. имеет общий характер. Соотношения (2.9) и (2.11) называют соотношениями Джозефсона.

Кроме туннельного контакта эффект Джозефсона наблюдается в структурах, где между сверхпроводниками находится тонкий слой полупроводника или металла в нормальном состоянии. Такие системы, как и джозефсоновский контакт, называют слабосвязанными сверхпроводниками.

Эффект Джозефсона подтверждает основную концепцию современной теории сверхпроводимости – наличие единой волновой функции и фазовой когерентности спаренных электронов в сверхпроводящем состоянии. Благодаря относительной простоте и доступности эксперимента этот эффект представляет собой одну из уникальных возможностей изучать проявление квантовых свойств микромира в макроскопическом масштабе.

Эффект Джозефсона используют в криогенных приборах, в частности, в сверхпроводящих квантовых интерферометрах – сквидах (от англ. аббревиатуры SQUID – Superconducting Quantum Interference Device). С помощью сквидов могут быть измерены предельно малые величины: напряженности магнитного поля – 10-12 А/м, тока – 10-10 А, напряжения – 10-15 В. Джозефсоновские контакты применяют в качестве генераторов и детекторов излучения СВЧ-диапазона. На основе сквидов разрабатываются быстродействующие элементы памяти, логические устройства компьютеров и другие электронные приборы нового поколения.


Дата добавления: 2015-01-05; просмотров: 36; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.018 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты