Содержание:
Вступление
Сверхпроводящие вещества
Эффект Мейснера
Теплоемкость сверхпроводника
Изотропический эффект
Теория сверхпроводимости
Конечные температуры
Щель в энергетическом спектре
Сверхпроводимость в полупроводниках
Эффекты Джозефсона
Электромагнитные свойства сверхпроводников
Заключение
Библиография
Вступление
В 1908 г. в Лейденском университете под руководством Камерлинг-Оннеса
был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой температурой
кипения (4,21К), и поэтому его сжижение позволило изучать свойства
веществ при температурах, ранее не доступных.
1911 г. был отмечен открытием явления сверхпроводимости. Открыл его все
тот же Камерлинг-Оннес в Лейденском университете, в лаборатории низких
температур. Изучение этого явления составляет одно из важнейших
направлений в физике твердого тела. При проведении экспериментов
оказалось, что при низкой температуре сопротивление многих металлов
обращается в нуль. Для первого исследованного вещества—ртути этот барьер
составил 4К.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического
сопротивления при конечной температуре, отличной от нуля.
Приблизительное сопротивление сверхпроводника: 10-23 ом*см. По
проводнику, находящемуся в сверхпроводящем состоянии ток будет
циркулировать бесконечно. Также у сверхпроводников наблюдается резкая
аномалия магнитных, тепловых и других свойств.
Сверхпроводящие вещества
Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает
ниобий (9,22К), а наиболее низкой иридий (0,14К). Критическая
температура зависит не только от химического состава вещества, но и от
структуры самого кристалла. Например, серое олово—полупроводник, а белое
может превращаться в сверхпроводящий металл. Поэтому сверхпроводимость
является свойством не отдельных атомов, а представляет собой эффект
структуры самого образца.
Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не обладают
этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных условиях
проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для исследователей это
явилось полной неожиданностью и еще больше осложнило объяснение этого
явления. Основную часть сверхпроводников составляют не чистые вещества,
а их сплавы и соединения. Причем сплав двух несверхпроводящих веществ
может обладать сверхпроводящими свойствами.
Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1К). Однако в
1967 г. был создан Nb3Al0,75Ge0,25 (20,1К). В 1973 создали пленку Nb3Ge
(22,3К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из оксидов
металлов, критическая температура у которых выше температуры сжижения
азота и приближается к комнатной.
Эффект Мейсснера
В 1933 Мейсснером и Оксенфедьдом было открыто одно из наиболее
фундаментальных свойств сверхпроводимости—эффект Мейсснера. Оказалось,
что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если
мы исследуем образец при t>Tk, то в образце напряженность при помещении
в магнитное поле будет больше нуля. Не выключая внешнего поля, начнем
постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что магнитной поле
будет постепенно вытолкнуто из сверхпроводника.
Как известно, металлы, за исключением ферромагнетиков в отсутствие
внешнего магнитного поля обладают нулевой магнитной индукцией. Это
связано с тем, что магнитные поля элементарных токов, которые всегда
имеются в веществе, взаимно компенсируются вследствие полной хаотичности
их расположения.
При коэффициенте (>1 (парамагнитные вещества) происходит уменьшение
внешнего поля в образце. В диамагнитных веществах ((ue-
?
?
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
h1/4
алкивания электронов. При этом электронная система превращается в
связанный коллектив, и чтобы ее возбудить требуется затрата некоторой
конечной энергии. Энергетический спектр электронной системы в этом
случае не будет непрерывным—возбужденное состояние отделено от основного
энергетической щелью.
При наличии щели в энергетическом спектре квантовые переходы системы не
всегда будут возможны. Электронная система не будет возбуждаться при
малых скоростях движения, следовательно, движение электронов будет
происходить без трения, что означает отсутствие сопротивления. При
определенном критическом токе электронная система сможет перейти на
следующий энергетический уровень и сверхпроводимость разрушится.
Хорошие проводники не обладают эффектом сверхпроводимости, так как
хорошая проводимость говорит о низком сопротивлении материала и о слабом
взаимодействии электронов с кристаллической решеткой. Оно не создает при
температуре около абсолютного нуля достаточной силы межэлектронного
притяжения, способной преодолеть кулоновскую силу отталкивания.
Электронную систему в сверхпроводнике можно представить как состоящую
из связанных пар электронов (куперовских пар), а возбуждение, как разрыв
пары. Размер электронной пары составляет приблизительно ?0~10е-4 см,
размер периода решетки—10е-8 см. То есть электроны в паре находятся на
огромном расстоянии.
Электроны в металле при абсолютном нуле принимают значение энергии ?f
(уровень Ферми). Равенство ?(?)=?f определяет в ?-пространстве
поверхность Ферми. В случае
Поверхность является сферой.
Сверхпроводимость обусловлена взаимодействием электронов с
кристаллической решеткой. Энергия фонона ?? не может быть сколь угодно
большой, максимальная энергия фонона соответствует в температурной шкале
дебаевской температуре ?. Поэтому переходить в связанное состояние могут
только электроны около уровня Ферми в слое толщиной ?? (средняя частота
колебаний фонона). Наличие притяжения приводит к перестройке поверхности
Ферми, связанной с появлением энергетической щели. Если в нормальном
металле электрическая энергия, отсчитанная от значения ?f равна
то есть может быть сколь угодно малой величиной, то в сверхпроводнике
Отсюда следует, что наименьший уровень энергии, соответствующий ?=0
отличен от нуля и равен энергетической щели.
Конечные температуры
Хаотическое тепловое движение приводит к возбуждению электронной
системы и ослабляет притяжение между электронами. В сверхпроводнике при
температуре выше абсолютного нуля появляются квазичастицы, которые могут
менять свою энергию на сколь угодно малую величину и поэтому ведут себя
как обычные электроны. Они описываются распределением Ферми-Дирака:
где
?(Т)—энергетическая щель при данной температуре. Число квазичастиц
данной энергии меньше соответствующего числа электронов в нормальном
металле. При Т?0 число квазичастиц тоже стремится к нулю. При
температуре, близкой к нулевой, n (число частиц) экспоненциально малая
величина, а при Т?Тк, когда ?=0, функция переходит в выражение,
описывающее обычные электроны в нормальном металле. При температуре
меньшей критической число квазичастиц меньше, чем общее число
электронов. Таким образом, реализуется «двужидкостная» модель. Тепловое
движение при конечных температурах приводит к ослаблению
сверхпроводящего упорядочивания, вследствие появления квазичастиц.
Электроны в сверхпроводнике не разделены строго на две категории,
поэтому наблюдается постоянный взаимопереход квазичастиц и куперовских
пар.
Электронная теплопроводность в сверхпроводниках, содержащих небольшие
количества примесей выражается формулой:
Данное отношение является универсальной функцией температуры. В
сверхпроводниках с примесями основную роль играет тепловой поток в
решетке кристалла, возрастающий с понижением температуры.
Теория сверхпроводимости позволяет описать температурную зависимость
теплоемкости сверхпроводника. Поскольку число квазичастиц
экспоненциально падает с понижением температуры, то и электронная
теплоемкость тоже стремится к нулю при Т?0 по экспоненте. При Т=Тк
теория предсказывает скачок теплоемкости:
Щель ?(Т) с ростом температуры уменьшается. Для Тк:
где р--константа связи электронов. Отсюда следует: Тк~?, то есть
,то
таким образом, объясняется изотропический эффект.
Разность энергий нормальной и сверхпроводящей фаз на единицу объема
составляет
(Нк—критическое поле)
При Н=Нк металл переходит в нормальное состояние.
Щель в энергетическом спектре
Энергетическая щель в сверхпроводниках непосредственно наблюдается на
опыте. При этом не только подтверждается существование щели в спектре,
но и измеряется ее величина. Исследовался переход электронов через
тонкий непроводящий слой толщиной ~10A, разделяющий нормальную и
сверхпроводящую пленки. При наличии барьера имеется конечная вероятность
прохождения электрона через барьер. В нормальном металле заполнены все
уровни энергии, вплоть до максимального ?f, в сверхпроводящем же до
?f-?. Прохождение тока при этом невозможно. Наличие энергетической щели
в сверхпроводнике приводит к отсутствию соответствующих состояний, между
которыми происходил бы переход. Для того чтобы переход мог произойти,
необходимо поместить систему во внешнее электрическое поле. В поле вся
картина уровней смещается. Эффект становится возможным, если приложенное
внешнее напряжение становится равным ?/e. На графике видно, что
туннельный ток появляется при конечном напряжении U, когда eU равно
энергетической щели. Отсутствие туннельного тока при сколь угодно малом
приложенном напряжении является доказательством существования
энергетической щели.
Величины: ?(0)/kT
Величина Al In Sn Pb Теория
2?(0)/kTk 3,37 3,45 3,47 4,26 3,52
Другой метод, позволяющий сделать выводы, связан с эффектом прохождения
инфракрасного электромагнитного излучения через тонкие сверхпроводящие
пленки. При частотах, удовлетворяющих условию ??=2? наблюдается пик в
поглощении длинноволнового электромагнитного излучения, что позволяет
определить величину щели. При меньших частотах наблюдается
сверхпрозрачность образцов. Опыты такого рода были проведены, однако они
являются менее надежными по сравнению с туннельными экспериментами.
Некоторые результаты этих опытов представлены в таблице.
Определить величину энергетической щели можно также, изучая поглощение
ультразвука в сверхпроводниках. Оно определяется по следующей формуле:
Где v—коэффициент поглощения ультразвука. Данная формула справедлива при
условии w
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
