Г.А. Миронова - Конденсированное состояние вещества - от структурных единиц до живой материи. Т1 (1119317), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Это явление получило название сверхпроводимостц, а температура 7'„при которой исчезает электрическое сопротнвлелне,— критпчсской температуры плн температуры перехода в сверлтьроводящсе состояние. В 19!Зг за открытие сверхпроводнлюсти КамерлингОнпесу оььла присуждена Нобслевска» премия. Сейчас установлено, что сверхпроводимостью обььадаьот 27 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева, !3 элементов переходят в сверхпроводяшее состояние под давлением (Вь, ЯЬ. Ое и др.), более 1000 сплавов и. по особенно интересно, — сплавов, состоящих из песверхпроволяших компонентов.
В 1933 г. Мейснером и Оксенфельлом было открыто еще олно удивительное свойство сверхпроводнцков. Прц охлаждении массивных сверхпроводциков от Т> Т,. в постоянном магнитном поле обнаружено, что прн тельпературе Т, магнитное поле вььталкпвается из объема образца, а по его поверхности начинает течь сверхпроводящнй ток. Поверхностный свсрхпроводяшцй ток течет в слое толщиной ) в, которая называется глубиной проникновении магна оного поля, и полностью экраннрует проникновешш в образец внешнего магнитного поля, так что впугрн сверхпроводпика иплУкцнЯ магнитного полЯ В всегла Равна ььрлю. Величина Хв ваРьцРУетса в пределах от 400 до неско'ьькнх тысяч А (ангстрем). Таким образом, сверхпроволннки в сверхпроводящем состоянии, формально, ведуг себя как идеальные диамагветики с магнитной восприимчивостью )( = — 1 (индукпия В н напряженность Н магнитного поля в магнетиках связаны соотноьиением В=(1+у)!ьвН!.
Бььло установлено также, что сверхпроводимость разрушается внешним магнитным полем и током, текущим через сверхпроводнцк. Значешш напряженности льагнитного поля ц силы тока, прн которых сверхпроводн мосп, исчезает, получцлп названия критического полн (Н,.) и критического тока (./,), соответственно. Трн основные характеристики сверхпроводящего состояния: Т„Тт' 'ь ./„определяют возможности практического использования сверхпровод ников. До ! 957 г., почти полвека, явление сверхпроводььььостьь не имедо теоретического объяснения. Пожалуй, ни одно физическое явление це оставалось непонятым столь длительное время.
В !957 г. Бардин, Куппер, 1!)риффер и, независимо, Боголюбов создалн микроскопическую теорию сверхпроволнмости, которая получила название теории БКШ. В 1972 г. за создание теории сверхпроводимости Бардину, Купперу н Шрифферу была присуждена Нобелевская премия. В !962 г. молодым теоретиком Джозефсоном были предсказаны еще два удивительных явления, которые были вскоре обнаружены н получили название стационарного н нсстационярного эффектов Джозефсопя.
Стационарный эффект Джозефсоца заключается в том, что через вакуумный или диэлектрический зазор между двумя сверхпроводникамн может течь бездиссцпативный сверхпроводящий ток. Нсстационарный эффект Джозефсона наблюдается, когда прн увеличении до определенной величины тока через зазор, между сверхпроводпнкамн возникает разность пои -! тенцналов. Черщ зазор начинает течь переменный ток с частотой -10 с сопровождающийся генерацией монохроматического электромагнитного излучения в далекой инфракрасной области спектра. Частота излучения определяется разностью потенциалов между сверхпроводннками. На основе эффекта Джозефсоца вскоре была создана целая серия измерительных приборов, обладаьошнх уникальной чувствительностью: квантовые ьпмернтели напряженности магнитного поля СКВИДы (БООП) — Бцрегсопь!ььсь!п8 Яиапцлп 1и!егьегепсе Ресйсе) с чувствительностью (10 —: ГО ~ ) Гаусса; сверхпроволящпе гальванометры с чувствьпельностью до 1О ь' В и другие приборы.
В 1973 г. за это открытие Джозефсону была присуждена Нобелевская премия. До 1986 г. максимальная критическая температура составляла 23,2'К (ЫЬзОе) н сложилось мнение, что сверхпроводилюсти с более высокой Т, не существует. В 1986 г. Й.Г.Бсднорц и К.А.Мюллер открыли сверхпроводимость у керамических образцов БазВаьСоО4 со значением Т, = 35'К и 1 аьЯгзСиО4— 40'К. Это была сенсация. Вскоре была открыла сверхпроводимость у керамнк другого состава с Т,. > 100 К.
В 1987 г. Й.Г.Беднорцу ц К.А.Мюялеру за открытие ВТСП была ирису»сцена Нобелевская премия (это единственный случай за всю историю присуждения Нобелевских премий, когда премия была присуждена через год после сделанного открытия). Открытие ВТСП вызвало необычайный интерес и привлекло к исследованию сверхпроводимости специалистов самых различных направлений, После открытия ВТСП прошло более 15 лет. За это время было создано несколько десятков принципиально различных теорий ВТСП, каждая 5 . 7л !Х.
Сверхнроаодкиосзнь 439 438 с(АСУЪ П пз которых претендовала па объяснение этого явления. Однако, вопрос о том. какая из этих теорий соответствует действительности пока остается открытым. 99.2. Электрнческое сопротнялепне 9.2.2. Сопротивление на переменном токе Электрическое поле переменного тока периодически ускоряет и замедляет электроны, переносящие сверхпроводяшнй ток. На это требуется конечная энергия. Поэтому на переменном токе е м О, хотя при частотах меньших (10'" —: 10п) Гц оно пренебрежимо мало.
~9.3. Крнтнческая температура 9.3.1. Экспериментальные данные У элементарных (состоящих из химических элементов одного типа) сверхпроводнпков самой низкой Т, обладает вольфрам (9!з) Т, = 0,015 К, самой высокой — ниобий (ЬЗЬ) 1, = 9,25 К. У интсрметаллическнх сплавов Т, выше: Чз5! Т =!7 К ЬзЬзбе — Т, = 23.2 К. ЪзОа — Т,=14,5 К, )з)ЬзЯи — Т, = 13 К. 9.2.1.
Электрическое сопротивление на постоянном токе В экспериментальной физике прнншзппально нельзя доказать, по какая-либо величина равна нулю. Можно только показать, что она меныие величины, определяемой точностью измерений. Самым точным методом измерения малых сопротивлений является метод, основанный на измерении скорости затухания тока, индуцированного в замкнутом контуре.
Было обнар) кено. что ток, нндуцированный в сверхпроводящем кольце, заметно не затухает в течение -3,5 лет. Отсюда следовало, что удельное электрическое сопротивление сверхпроводпика я = 1/а (о — коэффициент электропроводности), во всяком случае, меньше, чем 4. !О м Ом и, то есть !7 в !О раз меньше электрического сопротивления меди при комнатной температуре. Оцененное время возможного затухания оказалось более времени существования человечества на Земле.
Поэтому с точки зрения человечества, электрическое сопротивление сверхпроводннка на постоянном токе можно считать равным нулю. Соответственно, напряженность электрического поля Ь в сверхпроводнике, по которому течет постоянный ток с плотностью), также равна нулю: (з = е 3 = 0 . Хронология открытия раз- !оо личных классов сверхпровод- 90 ников иллзострнруется рис. 9 — 1, ьз котором приведена зависность Т, сверхпроводннков от ;ремени нх открытия. 50 Видно, что после того, как -а короткий промежуток времен Т,. увеличилось прпбл!пиельно в 6 раз, начиная с 23 1994 г., рекордным остается значение Т, = 135 К.
4,2 Возникает вопрос, можно !973 !986 !994 ли получить сверхпроводннки с более высокой температурой тяческой начиная Значение Т, = (23 —:25) К для классических металлических ,сплавов является, по †видимо, предельным н дальнейший поиск ВТСП среди трехмерных металлических руктур представляется малоперспективным. Керамики (в отличие от мсталпов) явлмотся (так же как и соединение МйБг) типичными слоистыми квазидвумерными структурами. Из экспериментальных данных следует, что Т, у керамики одного и того же состава зависит от технологии синтеза. Поэтому полученные к настоящему времени значения Т, у керамик не обязательло являются мак- !9! ! Иллюсзрацня повышения критемпературы сверхпроволников, с открытия в 19! ! г.
явления сверхпроводимосги Последнее значение является максимальным для классических сплавов. Иптеркалнрованные фуллерпды (часть П, 85.4.б), в которых прнмссные атомы занимают положения между почти касаюшимпся друг друга фуллеренамн, имеют следующие критпчесю !е температуры: КС вЂ” Т, = 20 К, СзСвз н РЬСьа Т: 30 К, У открытого недавно сверхпровадннка МВВз — Т, = 40 К. У керамик, имеющих слоистую структуру, критические температуры 'имеют значения \ азВазСиО, — 'Т, = 35 К, ).азбгзСиО, — Т, = 40 К. УВазСиз07 — Т = 90 К ВзбгзСаСизОз — Т, = 1!0 К, !зз т!7ВазСаСизО!о — Т, = 125 К, !25 НВВазСа Си!08 з — Т, = 135 К.
по спмальнымн. Вполне возможно. что оптимальные значения '1, у кер превосходят наблюдаемые ло снх пор значения. На эту возможность зывают эксперименты, в которых было обнаружено повышение Т, у пой керамики до 160 К при давлении -200 кбар. Поскольку это пов ние обратимо. то можно предполагатгч 'по термодинамически раппов ВТСП может существовать при значительно более высоких температу чем достигнутая к настоящему времени. Кроме того, в целом ряде р наблюдалась неравновесная (исчезающая со временем, а также и пр вторных циклах нагрева и охлажления образцов) сверхпроводим нплоть до температур -40 С! 9.3.2. Изотошгческий эффект В 1950 г. Максвелл и независимо Рейнольдс, измеряя крптиче ку температуру у веществ, образованных разними цзотопамп, обнаружнлн по Т вЂ” М ~, (9.1) где М вЂ” масса изотопа. Коэффициент а у классических сверхпроводников 1-го рода равен 1/2, хотя у переходных металлов величина п может отличаться от 1/2.
Из (9.1) следует, что Т, — >О при М вЂ” э о, то есть масса атома играет существенную роль в явлении сверхпроводимости. 99.4. Сверхпронодпики 1 и 11 рода 9.4Л. Глубина проникновенна магнитного полн в сверхпроводник Поскольку индукция В внутри сверхпроводника равна нулю, то сверхпроводясций ток течет только в тонком поверхностном слое толщины Хв (см. ниже п.9.!!.2). На глубине ) в внешнее магнитное поле умень~нается а е раз. Экспоненциальное (в первом приближении) затухание магнитного поля (и тока) при удалении от поверхности вглубь образца удобно заменить ступенчатым (рис. 9 — 2), исходя из соотношения 1В(х) ! =2„-В(О).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
