Сверхпроводимость твердых тел

В 1911 г., изучая зависимость r(Т), Hg при 4,15 К, Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимости. Сопротивление стремится к нулю скачком в интервале некольких сотых градуса, что противоречило теории электропроводности (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Сверхпроводящий переход (T_c ) в металлах

В 1957 г. БКШ (Бардин-Купер-Шриффер) предложили теорию, которая основана на обменном взаимодействии электронов и их спаривании ­¯ с участием фононов и поляризации решетки, исключая их из электропроводности.

В теории БКШ взаимодействие электронов через фононы при низких температурах спаривает электроны и, чтобы их разорвать, необходимо сообщить энергию 2D, как при активации в полупроводниках и диэлектриках, т.е. преодолеть щель при Т_с шириной 2D: = 3,5. Эта зависимость установлена эмпирически. Все сверхпроводящие электроны характеризуются одной фазой (т.е. волновая функция), которая слабо меняется вдоль образца при протекании тока.

Для каждого вещества существует Т_с (критическая температура), когда сверхпроводимость пропадает (r уменьшается от ~10^–9 Ом×см до ~10^–16 Ом×см). Ферромагнитные материалы не являются сверхпроводниками. Примеси ферромагнитных материалов уширяют сверхпроводящий переход.

В таблице 14.1 приведены значения Т_с для некоторых элементов и бинарных соединений.

В сверхпроводящем кольце можно возбудить электрический ток в магнитном поле (включая при помещении в него кольца). Затухание тока составит 10⁵ лет.

Свойства сверхпроводников

1. В 1933 г. В. Мейснер и Р. Оксенфельд обнаружили идеальный диамагнетизм сверпроводников при Т < T_c (выталкивание из магнитного поля) в слабых магнитных полях (рис. 14.8).

Рис. 14.8. Эффект Мейснера в сверхпроводнике

Эффектом Мейснера можно объяснить “чудо” свободно висящего в воздухе гроба пророка Магомета, если гроб – сверхпроводник, помещенный в магнитное поле.

Это явление обусловлено появлением незатухающих поверхностных токов, компенсирующих внешнее поле. Это поверхностное поле распространяется на глубину ~ 10^–5 ¸ 10^–6 см.

2. Сильные магнитные поля H > H_c разрушают сверхпроводимость (рис. 14.9), т.е. поле действует, как температура:

(14.23)

Этот эффект обратим.

Рис. 14.9. Зависимость критического магнитного поля от температуры

По характеру проникновения Н в сверхпроводник различают два типа материалов:

1) Сверхпроводник 1 рода

При H > H_c весь образец переходит в нормальное состояние.

2) Сверхпроводник 2 рода

Существуют 2 Н_с: Н_с1(Т) и Н_с2(Т) (рис.14.10).

При H₂ > H_c2 весь образец переходит в нормальное состояние.

При H_c1 < H < H_c2 – смешанное состояние, частичное проникновение магнитного поля. Это фаза Шубникова.

Рис. 14.10. Сверхпроводники 1(а) и 2(б) рода

Наличие Н_с ограничивает плотность предельного тока I_c через сверхпроводник.

3. Теплоемкость меняется по закону: при , где – теплоемкость решетки.

У сверхпроводника скачок теплоемкости происходит без скрытой теплоты, т.е. это фазовый переход 2 рода. При Т < T_c , т.е. энергетическая щель равна 2 .

4. Поглощение электромагнитного излучения имеет характер, как при поглощении света собственным полупроводником с очень узкой зоной: 2 ~ 10^–4 эВ. Точнее (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Спектр поглощения электромагнитной энергии в сверхпроводнике

Таким образом, подтверждается существование энергетической щели на границе заполненных и занятых электронных состояний. Свободные электроны ведут себя как нормальные. При Т = 0 К все электроны сверхпроводящие, нормальных нет.

Рис. 14.12. Сверхпроводящее кольцо в магнитном поле

5. Флюксоны – кванты магнитного потока, возникающие в кольцевом сверхпроводнике:

(14.24)

Этот результат подтвержден экспериментально, означает, что ток переносится зарядом 2е, т.е. куперовскими парами (рис. 14.12).

Эффекты Джозефсона (1962 г.)

а) Стационарный эффект

Стационарный эффект заключается в том, что сверхпроводящий ток может течь в отсутствии электрического поля через зазор между сверхпроводниками (Sn), разделенными тонкой (1 – 2 мкм) пленкой изолятора SnO₂. Это означает, что куперовские пары, с помощью которых переносится сверхпроводящий ток, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой через слой диэлектрика.

Туннельный ток через диэлектрический зазор ~ 1 нм при Т < T_c, вплоть до I_критич:

I = I_cSinj, (14.25)

где j – фазовый сдвиг сверхпроводниковой электронной волны.

б) Нестационарный эффект

При I > I_кр Þ осцилляции ( ).

Приборы на основе эффектов Джозефсона:

1) Сквиды (сверхпроводящий квантовый интерферометр-магнетометр). Это преобразователи магнитного потока в квантовом кольце в электрический ток. Магнетометры на 2 – 3 порядка чувствительнее обычных.

2) Генераторы и детекторы СВЧ.

3) Логические элементы в ЭВМ.