В.В. Шмидт - Введение в физику сверхпроводников

Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 99-02-30008 ББК 22.16 УДК 539.2 Ш73 Шмидт В. В. Ш 73 Введение в физику сверхпроводников. Изд. 2-е, испр. и доп. Мс МЦНМО, 2000. — Х1'Ч + 402 сс ил. Библиогрс с. 379-393 (198 наэв.). 18В5) 5-900916-68-5 МЦНМО выражает благодарность компании «Демос» эа предоставление вы- сокоскоростного я качественного доступа в интернет © В. В. Шмидт, 2000 © МЦНМО, 2000 18ВН б-90091б-бб-б В книге изложены основы современных представлений о сверхпроводимости. Материал, как правило, расположен в порядке возрастания сложности изложения.

В начале йредставлены основные экспериментальные факты и термодинамическое описание сверхпроводимости. Затем следует линейная электродинамика сверхпроводников, основанная на феноменологических уравнениях Лондонов. Далее излагается теория сверхпроводимости Гинзбурга -Ландау, основанная на простейших представлениях о квантовой природе сверхпроводимости, и ее следствия, а также основные понятия о флуктуационных эффектах в ниэкоразмерных сверхпроводниках.

Глава, посвященная слабой сверхпроводимости (эффектам Джозефсона), заканчивается описанием сверхпроводящих квантовых интерферометров (сквидов) и других практических применений джозефсоновских переходов. Основы физики сверхпроводников второго рода, включающие эффекты, характерные для высокотемпературных сверхпроводников, также изложены (в следующей главе) в рамках феноменологической теории Гинзбурга- Ландау.

Отдельная глава посвящена изучению физики сверхпроводников на основе микроскопической теории Бардина — Купера-Шриффера и ее обобщения для куперовского спаривания с нетривиальной симметрией. В последней главе излагаются основы теории неравновесных явлений в сверхпроводниках и мезоскопических сверхпроводящих структурах. Главное внимание уделяется физической интерпретации явлений. Для чтения книги необходимо знание основ классической электродинамики и квантовой механики в объеме вузовского курса физики, а также элементов квантовой теории металлов. Предисловие ко второму изданию Автор этой книги, Вадим Васильевич Шмидт, безвременно ушел из жизни в 1985 году, через 3 года после выхода в свет ее Первого издания.

С тех пор этот популярный учебник, в котором в доступной форме излагаются основы физики сверхпроводПиков, стал библиографической редкостью, и его трудно найти даже в крупнейших научных библиотеках. За последние 15 лет П физике сверхпроводимости был достигнут очень существенный Прогресс. В первую очередь, нужно отметить открытие в 1986 г. высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), а также акППвиые исследования с начала 90-х годов в области мезоскопичещвй сверхпроводимости. Эти научные достижения, часть из коПфрых сулит весьма важные практические применения, привели П Вначительному росту интереса физиков и инженеров к различПВПя аспектами физики сверхпроводников.

В 1997 году англий- ПППЙ перевод книги (с небольшими добавлениями о высокотемПяратурных сверхпроводниках) был издан в германском издатмьстве Яргш8ег-Уег1а8 [1]. Англоязычное издание, несомненно Полезное для зарубежных читателей, не сделало книгу более доступной для студентов-физиков и инженеров в России. Решаясь предпринять второе русское издание книги, мы надеемся предоставить новому поколению отечественных физиков возможность изучить основы сверхпроводимости по лучшему из х ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ написанных для этого учебников. При этом нэм кажется разумным дополнить книгу изложением некоторых достаточно уже устоявшихся элементов современной науки о сверхпроводимости, которые либо вовсе не существовали к началу 80-х годов, либо приобрели с тех пор заметно большее значение.

К таковым, по нашему мнению, относятся флуктуационные эффекты вблизи точки сверхпроводящего перехода, а также в низкорэзмерных сверхпроводниках (тонкие пленки и проволоки, слоистые вещества); взаимодействие вихрей со слабыми примесями и аномальная магнитная релаксация в смешанном состоянии ВТСП; эффект четности в малых сверхпроводящих гранулах; анизотропное спаривание в ВТСП; квантовые флуктуации и макроскопическое квантовое туннелирование в джозефсоновских контактах; когерентные явления в мезоскопических структурах из сверхпроводников и нормальных металлов. В то же время, мы вовсе не касаемся вопроса о микроскопической природе ВТСП, поскольку достигнутая здесь степень понимания еще недостаточна для физически прозрачного изложения.

При написании дополняющего материала мы старались по возможности не отклоняться от общего стиля книги, предпочитая качественные соображения сколько-нибудь громоздким вычислениям (вниманию читателя, более интересующегося теоретическими аспектами современной физики сверхпроводимости, могут быть предложены недавно вьппедшие книги [2, 3)). Как правило, добавленный текст содержится в отдельных параграфах, отмеченных значком ', а некоторые небольшие дополнения встроены непосредственно в оригинальный текст.

Мы благодарны В. Б. Гешкенбейну, Л. Б. Иоффе. А. И. Ларкину, Г. Б. Лесовику и А. В. Устинову за полезные советы по содержанию и стилю добавлений. 2000 г. Черноголовка- Москва Валерий Рязанов, Михаил Фейеельман Предисловие к первому изданию С момента открытия сверхпроводимости прошло уже 70 лет, но только за последние два десятилетия сверхпроводники из экзотического объекта физических исследований превратились я практически используемые материалы. Появились новые отрасли техники, где сверхпроводящие материалы используются для создания сверхсильных магнитных полей, для создания кабелей, способных передавать большие потоки энергии без потерь, для создания мощных электрических генераторов и двигателей. Все большее значение приобретают сверхпроводники в области слаботочной электротехники и электроники.

Здесь прежде всего нужно назвать приборы уникальной чувствительности, основанные на эффекте Джозефсона, болометры, СВЧ-резонаторы, параметрические преобразователи частоты н т.п. Ведутсл исследовательские работы по использованию сверхпроводников для создания элементов памяти и логики в ЭВМ. В связи с этим появилось значительное количество специалистов, непосредственно сталкивающихся в своей повседневной практической работе с явлением сверхпроводимости. Появились соответствующие специальности в некоторых вузах. Сейчас на русском языке существует несколько книг по сверхпроводимости достаточно общего содержания — это прежде все- ХП ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ го книги Роуз-Икса и Родерика [4], Линтона (5], Тинкхама (6], Де Жена (7], Тилли и Тилли (8].

Каждая из этих книг хороша посвоему, однако некоторые иэ них (6], (7] требуют от читателя достаточно высокого уровня подготовки по теоретической физике, а другие недостаточно полно отражают современное состояние физики сверхпроводников. Предлагаемая вниманию читателя книга написана на основе курса лекций, который на протяжении ряда лет читался автором в Московском институте стали и сплавов, и, по замыслу автора, должна главным образом раскрыть физику явления сверхпроводимости.

Мы старались избегать ситуаций, когда за словами «легко показать» скрываются нудные и громоздкие выкладки. Почти все результаты, данные в книге, выведены из «первых принципов», и читатель способен проследить за выводом от начала до конца. Мы всегда старались просто и быстро получить качественный результат, оценку по порядку величины, вместо того чтобы излагать сложные расчеты, ведущие к точному ответу. При написании книги предполагалось, что читатель знаком с основами квантовой механики и физики металлов.

Первая глава носит вводный характер. В ней приводятся основные экспериментальные факты, дается краткий очерк развития теории сверхпроводимости и излагается термодинамика сверхпроводников. Вторая глава посвящена линейной электродинамике сверхпроводников на основе уравнений Лондонов.

Основы теории сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау — содержание третьей главы. В четвертой главе излагается физика слабой сверхпроводимости (эффектов Джозефсона). Здесь же дается описание основных принципов работы сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов). Пятая глава посвящена проблемам сверхпроводников второго рода. В шестой главе дается изложение основных физических идей микроскопической теории сверхпроводимости Бардина — Купера — Шриффера. От читателя при этом требуется лишь самое минимальное знание основ квантовой механики.

В этой главе дается представление об электрон-электронном взаимодействии через фононы, об основ- ХП1 ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ' ИЗДАНИЮ ном состоянии сверхпроводннка, об энергетической щели н ее зависимости от температуры. Показывается, как существование энергетической щели обуславливает возможность бездиссипативного тока. Заключительная седьмая глава посвящена изучению некоторых неравновесных эффектов в сверхпроводниках. Автор рад воспользоваться возможностью, чтобы искренне поблагодарить Д. А. Киржница, прочитавшего рукопись этой книги, за многие интересные замечания и дискуссии. Автор приносит свою глубокую благодарность К.