Сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 4.2 К сопротивление ртути скачком падало до 0. Это явление получило название сверхпроводимости. Температура перехода в сверхпроводящее состояние названа критической Т_кр . Сверхпроводящее состояние характеризуется идеальной электропроводимостью и диамагнетизмом.

Носителями заряда являются согласованные друг с другом куперовские пары, дрейфующие в кристалле. Куперовская пара состоит из двух электронов проводимости с противоположными спинами и положительного иона КР, поляризованного одним из электронов. Суммарный спин пары становится целым. Такие частицы описываются распределением Бозе-Эйнштейна. Для них имеется возможность занимать один и тот же энергетический уровень. При охлаждении происходит Бозе - конденсация куперовских пар на общем уровне, что является основой согласованного поведения.

О О

О О

О О

О О О О О О

Рис. Уровни Рис. Уровень куперовских пар (бозонов).

электронов (фермионов).

В куперовские пары объединяются лишь те электроны зоны проводимости, которые могут возбуждаться и изменять свои состояния. Это фермиевы электроны, ответственные за электропроводность металлов. Их 10^-4 от общего числа.

В зоне проводимости сверхпроводника имеется энергетическая щель, в которой располагается уровень Ферми. В нижней части зоны расположены уровни электронов куперовских пар. Выше щели - уровни электронов, энергия которых слишком велика для образования куперовских пар. Величина щели - это энергия связи электронов в куперовскую пару:

Е_св = 3.5 k T_кр, T_кр = _D exp(-1/g),

где _D - дебаевская температура, g - параметр, характеризующий свойства материала.

Энергия связи Е_св куперовской пары нивелируется тепловой энергией, поэтому пара может существовать только при крайне низких температурах. Разрушение пары происходит резко (скачком через щель). Происходит фазовый переход от сверхпроводящей фазы к обычному состоянию.

Помимо повышения температуры эффект сверхпроводимости снимается электрическим полем, повышающим плотность тока выше критической за счет джоулева тепла, магнитным полем, электромагнитным СВЧ полем.

Куперовская пара имеет размер порядка 10^-6 м, тогда как расстояние между электронами составляет 10^-9 м. Т.о. куперовские пары перекрывают друг друга в пространстве. Нельзя говорить о независимом движении каждой пары. Они действуют как единое целое, коллектив.

Электрон, движущийся в КР, притягивает положительные ионы КР, несколько сближая их. Создается избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому и притягивается другой электрон. Происходит косвенное притяжение электронов через поле КР (фононы). Имеет место электрон-фононное взаимодействие, которое при нормальной температуре обусловливает небольшую проводимость. У металлов с высокой проводимостью ( Ag, Cu ) эффекта сверхпроводимости не наблюдается. Сверхпроводящие металлы: Al, Pb, Nb, Ta, Sn, - сплавы: Cu-Au, неметаллы: сульфид меди, карбамид молибдена.

П
ровода второго поколения базируются на ВТСП YBCO-123. ВТСП наносится в виде 1-3 мкм покрытия на гибкую, как правило, никелевую, подложку толщиной 50 мкм (через 0,5 мкм буферный подслой). Сверху ВТСП материал покрывается защитным слоем серебра и меди (см. рисунок). Количество слоев ВТСП может доходить до шести, что приводит к повышению критического тока. После более чем 10 лет попыток, в 2003 г. была продемонстрирована возможность получения лент длиной 10–50 м с высокими критическими характеристиками. Сейчас критический ток длинномерных проводников (150 м) на основе BSCCO-2223 достигает значения 170 А, а средняя величина составляет около 150 А при 77 К в собственном поле для ленты 0,21х4,2 мм. Максимум тока соответствует инженерной плотности 180 А/мм².

В качестве примера можно привести создание сверхпроводящего перехода на фуллеритах в 2001 году. Фуллериты – молекулярный кристалл с дальним порядком расположения фуллеренов (в узлах кристаллической решетки).

Н
овый рекорд Т_с (117К) для фуллеритов

Новый рекорд критической температуры сверхпроводящего перехода в фуллеритах установлен в Bell Labs.: расширяя решетку С₆₀ введением CHBr₃ в монокристаллы и инжектируя носители через полевой электрод, удалось получить Т_с=117К (длина когерентности составила два межмолекулярных расстояния) для концентрации носителей 3-3.5 на молекулу С₆₀. В другом кристалле - CHCl₃/C₆₀, при инжекции носителей с той же концентрацией достигнута Т_с=80К. Измеренные параметры решеток составили 14.45Å и 14.29Å, соответственно.

В наноразмерных сверхпроводниках, в том числе и высокотемпературных, может быть достигнут более контрастный эффект, так как длина корреляции носителей заряда в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) составляет 0, 1 – 1,5 нм, а размер активной зоны - менее 10 нм. Сверхпроводящий провод может быть изготовлен напылением на углеродную нанотрубку (УНТ) сверхпроводника МоGe, расположенную поперек протравленного в подложке углубления.

Рис. Сверхпроводниковый элемент из MoGe на УНТ.

Эффекты Джозефсона.

Куперовские пары характеризуются одним и тем же импульсом р , что предопределяет одну и ту же длину волны  (  = h / p ) и одну и ту же фазу  их волновой функции.

Рис. Сверхпроводник

с источником V

напряжения.

A

При замыкании цепи в сверхпроводнике течет ток, фиксируемый амперметром А, а падения напряжения нет (V = 0 ).

Рис. Сверхпроводник V

со щелью

A

В сверхпроводнике с поперечной щелью шириной порядка 1 нм по-прежнему протекает постоянный ток, и разность потенциалов равна 0. Это стационарный эффект Джозефсона.

Р ис. Излучающий V

сверхпроводник.

A

Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в излучении высокочастотной электромагнитной энергии сверхпроводником с поперечной щелью. В цепи течет не только постоянный, но переменный ток.

Эффекты Джозефсона обусловлены туннелированием куперовских электронных пар через узкую щель. Направление и сила туннельного тока:

I = I_о sin ,

где  - разность фаз волновых функций, описывающих куперовские пары по обе стороны барьера, I_o - максимальный ток через барьер, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачности барьера.

При больших токах (но не уничтожающих эффект сверхпроводимости) возможно туннелирование части неспаренных электронов. Это вызовет разность потенциалов V между двумя частями сверхпроводника. Энергия куперовских пар по обе стороны от барьера будет отличаться на величину  E = 2qV ( 2q - заряд куперовской пары), следовательно, будет существовать и разность частот волн де Бройля:

 =  E / h = 2 q V / h.

С течением времени разность фаз будет непрерывно увеличиваться:

 =  t = 2   t = 2  t (2 q V / h).

Сверхпроводящая составляющая тока:

I = I sin (t 4  q V /h),

будет переменной с частотой колебаний

 = 4  q V/ h.

Например, при V = 1 мВ частота колебаний составляет 485 ГГц (  0.6 мм).

Эффект Джозефсона позволяет:

- принимать магнитные и электромагнитные сигналы малой мощности, т.к. куперовские пары обладают очень малой энергией,

- реализовать сверхвысокодобротные элементы благодаря малым потерям,

- создавать приемники с малым уровнем шумов,

- реализовать компактные устройства в радио-, СВЧ-, ИК- диапазонах.

Мощность излученного сигнала при нестационарном эффекте Джозефсона очень мала, но его можно использовать для обнаружения и приема очень маломощных сигналов в диапазоне частот от СВЧ до ИК. При поступление на джозефсоновский переход сигнала происходит возрастание постоянного тока. Чувствительность (отношение сигнал / шум) джозефсоновских приемников существенно больше по сравнению с приемниками на нелинейных элементах благодаря практически полному отсутствию шумов сверхпроводника.

. В поликристаллических нанообразцах переход Джозефсона самопроизвольно формируется на границе доменов при изменении кристаллической ориентации.

Логические элементы, переключатели используют возможность снимать эффект сверхпроводимости током или магнитным полем, т.е. имеется 2 состояния. Обеспечивается большое быстродействие:

 = L / R,

где L - индуктивность управляющего элемента, R - сопротивление управляющего элемента.