В.В. Шмидт - Введение в физику сверхпроводников (1119327), страница 58
Текст из файла (страница 58)
норм. сверхпр. 10 мкм 1 мкм Рис. 58.1. Схема опыта Ю и Мерсеро [174]. Потенциометрические выводы а и Ь подсоединены к вольтметру. Если а — нормальный вывод, вольтметр показывает разность злектрохимических потенциалов квазнчастиц и конденсата. Если а — сверхпроводяший вывод, вольтметр ничего не показывает.
Показания вольтметра не зависят от того, является вывод Ь нормальным или сверхпроводящим. Пленка тантала толщиной около 250А имеет критическую температуру около 4.1К. Если часть этой пленки с помощью процесса анодизации сделать более тонкой (около 100 А), то критическая температура этой части пленки упадет до 3.5К. Если температура пленки будет лежать между 3.5К и 4.1К, то одна часть пленки будет нормальной, а другая сверхпроводящей. Если теперь пропустить ток через пленку, то, согласно (57.3), электрохимический потенциал сверхпроводящих электронов ~р,„, будет постоянным в пространстве.
Поэтому сверхпроводящие потенциометрические выводы а и Ь (рис. 58.1) подадут на зажимы вольтметра равные электрохимические потенциалы, и вольтметр ничего не покажет. Если, однако, потенциометрический вывод а, непосредственно прилежащий к Фо-границе, сделать из нормального металла, то он подаст на левый зажим вольтметра электро- химический потенциал нормальных электронов, который здесь отличается от у,„,.
Это отличие релаксирует на расстоянии Лс1 от границы. Если расстояние между выводами а и Ь больше Лд, то вывод Ь подаст на правый зажим вольтметра электрохимический потенциал сверхпроводящих электронов (который здесь, в усло- ГЛ. Ч11. НЕГАВНОВЕСНЫЕ ЭФФЕКТЫ виях равновесия, равен злектрохимическому потенциалу квази- частиц). В результате вольтметр покажет разность между злектрохимическими потенциалами нормальных и сверхпроводящих электронов в непосредственной близости от ЖБ-границы. Результат эксперимента, когда вывод а — нормальный, показан на рис. 58,2. У, мкВ 2.5 2.0 1.0 3.980 4.060 4.085 4.105 Т,К Рис.
58.2. Результат опыта Ю и Мерсеро [174]. Вольтметр измеряет разность злектрохимических потенциалов сверхпроводящих и нормальных электронов в области неравновесности. Однако наиболее элегантным оказался следующий эксперимент тех же авторов. Расположив оба потенциометрических вывода в неравновесной области сверхпроводника близко друг от друга (как показано на рнс. 58.3), но так, чтобы к ФЯ-границе прилегал сверхпроводящий вывод 5, а нормальный вывод а был бы несколько удален от границы, Ю и Мерсеро наблюдали изменение знака показаний вольтметра при том же направлении тока через пленку.
Результаты этих опытов прекрасно подтверждают основные представления, развитые в предыдущих параграфах. Действительно, если,как показано на рис.58.3, ток в пленке течет из Я в Ф, то в неравновесной области сверхпроводника око- 5 5В. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ 359 ло границы происходит «химическая реакциян: сверхпроводящие электроны -+ нормальные электроны, т.е. химический потенциал «««в этой области больше химического потенциала и„. Поэтому ток в вольтметре пойдет от вывода Ь к выводу а (как показано на рис.
58.3). По этой же причине ток в вольтметре тоже пойдет от Ь к а, и показания вольтметра изменят знак. Ж~(а1, Ом 2.0 1.0 — 0.005 — 0.010 — 0.015 0 200 400 600 Е, мкА Рнс. 58.3. Результаты опыта Ю и Мерсеро (174): дифференциальное сопротивление как функция тока через пленку. Напряжение между выводами В имеет знак, противоположный знаку напряжения между выводами А. Ток идет от сверхпроводящего вывода к нормальному (заштрихован) .
58.2. Избыточное сопротивление ЖЯ-границы. Другим интересным проявлением неравновесных процессов, возника«ощих в сверхпроводнике вблизи ФВ-границы, когда через эту границу течет ток, является избыточное электрическое сопротивление этой границы. Это очень легко понять физически. Дей- ГЛ. Ч11. НЕГАВНОВЕСНЫЕ ЭФФЕКТЫ ствительно, рассмотрим для определенности случай,когда поток электронов идет из нормального металла М в сверхпроводник Я. Те электроны в Ж, энергия которых меньше щели Ь1Т) в Я, отразятся по-андреевски, и их ток превратится в ток сверхпроводящих электронных пар. Это произойдет на расстоянии ((Т) от границы, и никакого вклада в сопротивление этот процесс не даст.
Иное дело †электроны в 1У, энергия которых больше щели Ь(Т). Они,попадая в Я, оказываются на электронной ветви спектра элементарных возбуждений сверхпроводника. Как было показано в предыдущем параграфе, это влечет за собой появление разбаланса заряда квазичастиц Я и появление электрического поля Е, которое затухает на расстоянии Л<1 вглубь сверхпроводника. Однако существование электрического поля в области Ло сверхпроводника около Д15-границы означает, что эта область дает вклад в общее падение напряжения, т. е. в полное сопротивление цепи.
Это и будет так называемое избыточное сопротивление Д1Я-границы. Если бы все электроны, переносящие ток, испытывали ускорение под действием этого электрического поля, то избыточное сопротивление было бы просто равно азизе = РМ~~~ где р †удельн сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии, а Я вЂ” площадь его поперечного сечения.
Учтем, однако, теперь, что не все электроны ускоряются под действием поля Е. Действительно, те электроны, которые находятся в конденсате, как мы уже видели, под действием поля Е не ускоряются, так как действие поля Е в точности скомпенснровано действием градиента химического потенциала сверхпроводящих электронов ~ур,. Этим свойством будут обладать все электроны, идущие из й1 в Я, с энергией, меньшей энергии щели Ь(Т) (отражаются по-андреевски), а также доля квазичастнц с энергией Ев > > Ь(Т). Эта доля определяется тем обстоятельством, что инжектированный из Д1 в Я электрон, оказавшись в Я и имея заряд дю юпотерялэ часть заряда 1 — ок, которая ушла в конденсат.
Эта часть заряда проходит Д1Я-границу по-андреевски. Именно эта 158. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ Зб1 часть заряда 1 — дь и не участвует в создании избыточного сопротивления. Поэтому избыточное сопротивление следует писать в виде зьнзб 2ЮР~ч~~~~ где коэффициент 2(Т) учитывает последнее обстоятельство, т.
е. это доля всех электронов, которые переходят й75-границу не поандреевски. Ясно, что при Т -+ 0 все электроны идут через МЯ-границу по-андреевски, и 2(Т -+ 0) ~ О. Наоборот, при Т -+ -+ Т, имеем Ь(Т) — 1 О, и подавляющее большинство электронов идет через МЯ-границу не по-андреевски, т.е. с созданием сопротивления. При этом 2(Т вЂ” 1 Т,) -+ 1. Поэтому Вн,б(Т) будет представлять собой монотонную функцию температуры:1) гскзо(Т -+ 0) = О, Янзб(Т -+ Тс) = РЛс77 $. Температурная зависимость Внзо в последнем случае (Т -+ Т,) определяется температурной зависимостью Лс7 (57.12): (1 Т~Т ) — 174 Этот вывод неплохо согласуется с экспериментом.
В качестве примера на рис. 58.4 приведены результаты опытов с семью разными образцами типа ЯЖЯ. По оси ординат отложено избыточное сопротивление МЯ-границы. 58.3. Центры проскальзывания фазы. В предыдущих параграфах этой главы были рассмотрены стационарные неравновесные процессы. Сейчас мы познаксвиимся с нестационарными неравновесными процессами. В ~ 18, где рассматривался критический ток в тонкой пленке, было показано, что при критическом токе распаривания не происходит фазового перехода в нормальное состояние.
Было показано, что при Е = 1, просто становится недостаточно сверхпроводящих носителей (т.е. куперовских пар), готовых перенести П Расчету Е(Т) посвящено несколько теоретических работ. См., например, работы (175, 176). 362 ГЛ. УН. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭФФЕКТЫ Хафизе* 10 Ом 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.3 0.5 0.7 0.9 ТХТ Рис. 58.4.
Температурная зависимость избыточного сопротивления ФЯ-границы в сэндвичах Та — Сп — Та ~177) по семи образцам, заданный ток Х. Значит, при Х ) Х, возникает какое-то специфическое резистивное состояние, с которым мы сейчас и познакомимся. Обратимся сперва к результатам эксперимента.
Наиболее удобно это резистивное состояние изучать на квазиодномерных объектах,т.е.на тонких длинных сверхпроводящих нитях, диаметр которых д < ЯТ). В этом случае размер нити столь мал, что в ней не сможет поместиться абрикосовый вихрь с нормальной сердцевиной (радиуса порядка 6Т)), и изучаемое резистивное 1 38, ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ 363 Ъ, мкВ 80 100 Е, мкА Рис. 58.5. Вольт-амперная характеристика монокристаллической эловянной нити: длина 0.8мм, площадь поперечного сечения 1.93 мкм~ [178]. :остояние не будет маскироваться эффектами, характерными для резистивного состояния в сверхпроводниках второго рода. Иа рис.58.5 приведена вольт-амперная характеристика тонкого лонокристаллического вискера из олова. Видно, что напряжение ~а проводнике нарастает ступенями, причем после каждого скачса напряжения сопротивление образца (наклон характеристики) ~величивается. Такое поведение образцов в резистивном режиме объясняетл моделью, предложенной Скочполом, Висли и Тинкхамом ~179].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
