Ч. Киттель - Введение в физику твёрдого тела (1127397), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Ток появляется тогда, когда еУ = хь При отличных от нуля температурах появляется слабый ток даже при низких напряжениях благодаря электронам в сверх- проводнике, которые перебрасываются через щель за счет теплового возбуждения. На рис. 12.25 приведена другая интерпретация напряжения, необходимого для туннелирования. Одна кривая представляет собой энергию возбуждения, сообщаемую электрону или дырке, отсчитываемую от уровня Ферми, принятому за нулевой уровень; другая — энергию возбуждения квазичастиц в сверхпроводнике относительно того же уровня Ферми. Порошковое напряжение, при котором электрон переходит из нормального металла в сверхпроводник, определяется из соотношения ерт = Л. Изучение сверхпроводников путем одноэлектронного туннелнрования оказалось очень плодотворным. Результаты находятся в хорошем согласии с теорией ВКШ.
В Приложении К обсу>кдаются замечательные эффекты, возникающие при туннелировании пары сверхпроводящих электронов, известные как джозефсоновское туинелироваиие (эффекты Джозефсона). Сверхпроводники второго рода. У сверхпроводников 1 и 11 рода основной механизм сверхпроводимости одинаков и представляет собой взаимодействие типа электрон — фонон — электрон. Сверхпроводники 1 и П рода имеют подобные тепловые свойства при переходе нз сверхпроводящего состояния в нормальное и обратно в нулевом магнитном поле.
Однако эффект Мейснера в сверхпроводниках 1 и П рода (см. рнс. 12.6) совершенно различен. Чистый сверхпроводник 1 рода выталкивает магнитное поле вплоть до момента скачкообразно~о и полного разрушения сверхпроводящего состояния, и лишь после этого поле полностью проникает в образец. Чистый сверхпроводник И рода полностью выталкивает магнитное поле только при ') См., например, работы Жииери и б4егерде !38! и Бардина 139!. относительно слабых полях, до значения поля Н,ь Выше О,г поле частично проникает (рис. !2.6б), но образец остаезся электрически сверхпроводяшим. При увеличении напряженности поля, иногда до 100 кГс и выше, поле проникает в весь объем образца и сверхпроводимость исчезает, именно это поле обозначают через Н,м (Внешний поверхностный слой образца может остаться сверхпроводящим вп.чоть до еще более сильного поля Ньь) Существенное различие ме.кду физическими особенностями сверхпроводников 1 и П рода связано с длиной свободного пробега электронов проводимости в нормальном состоянии при низких температурах.
Если длина когерентиости больше, чем глубина проникновения, то сверхпроводник будет принадлежать к 1 роду. Большинство чистых металлов является сверхпроводниками 1 рода. Но если длина свободного пробега мала, длина когерентности мала, а глубина проникновения велика (рис.12.22), то мы будем иметь дело со сверхпроводником П рода. Иногда путем добавки небольшого количесгва легирующего элемента можно превратить металл из сверхпроводника ! рода в сверхпроводник П рода.
Например (см. рис. 12.6в), добавление двух весовых процентов индия в свинец превращает свинец из сверхпроводника 1 рода в сверхпроводняк П рода, хотя температура перехода меняется при этом совсем незначительно. При этом превраьцении нет оснований ожидать ни изменения ширины энергетической щели, ни скачка теплоемкости при температуре перехода. Такое количество легирующего элемента не изменяет коренным образом электронную структуру свинца как сверхпроводиика, но его поведение в магнитном поле радикально меняется. Теория сверхпроводников П рода была разработана Гинзбургом, Ландау, Абрикосовым и Горьковым. Позднее Кунцлер с сотрудниками обнаружил, что проволока из ХЬьйп может пропускать значительный сверхпроводящий ток в полях, достигающих 100 кГс, Рассмотрим границу раздела между областями сверхпроводящего н нормального состояний в металлическом образце.
С границей раздела связана дополнительная энергия. Имеется множество примеров того, что эта поверхностная энергия может быть как положительной, так и отрицательной. С увеличением магнитного поля поверхностная энергия уменьшается. Сверхпроводник является сверхпроводником 1 рода, если поверхностная энергия всегда положительна, н сверхпроводником П рода, если поверхностная энергия при увеличении магнитного поля становится отрицательной. Для случая, представленного на рис. !2.65, поверхностная энергия отрицательна для полей выше Н,ь Знак поверхностной энергии определяет критические поля, хотя и мало связан с критической температурой.
Ниже показано, что знак поверхностной энергии зависит от отношения: 454 оразоднаа длаоам Прснакнодение кагниооного ооон доонан нерган Гта нг оное" гнйргоя х д6еокорододнок й рода Меркорододнин урода йзцс. !2.3!. Соотношення между энергнямн на граннце нормальной я сверь- проводящей фаз в сверхпроводннках ! н !! рода. Оорат.'пе внпманне на увелнчснне полной энергии на границе в свертпроводннках ! рода и уменьшенг1е энергнн на граннце в сверхпроводннках !! рода; такнм образом, поверхносо ная энергня положительна в сверхпроводннках ! рода н отрицательна в сверх- проводниках !1 рода.
!г. !.. Окреп, Е. ггзсйег.) глубины проникновения Л к длине когерентности Е (сы. рнс. 12.31). Результаты обычно представляют, используя параметр Гинзбурга — Ландау: Л к= 5 чя В сверхпроводниках 1 рода и < 1/Л/2, в сверхпроводниках 11 рода и > 1/ т/2 . Иначе говоря, сверхпроводник 11 рода ведет себя так, что глубина проникновения поля больше длины когерентности. Фактор а/2 имеет чисто историческое пронсхожление.
Вывод об отрицательной поверхностной энергии потребовал .для понимания значительное время. Полная энергия тем мень;ше, чем большее число поверхностей раздела имеется в образце 455 (разумеется, до тех пор, пока эти поверхности не начинают соприкасаться). Нормальные области представляют собой нити, окр)экенные сверхпроводяшей фазой, в которой текут вихревые токи; эти нити образуют достаточно регулярную решетку. Это состояние сверхпроводника называется вихревым состояниелс ').
Оно не имеет ничего общего с промежуточным состоянием, сушествующим в образцах конечных размеров. ))струдно предстеэнть себе структуру сэерхпроэодннке ! рода прн сосущестэонзннн снерхпроеодяшего н пормзльного состояний. Слои одного состояния чередуются со слоямн другого. Тзк кзк поэерхностнея энергия положнтельнз, то энергия электронов уменьшалась бы прн удаленки поеерхностей раздела. Одпзко э ограниченных объемах, например е сфере, магнитная энер. гня системы больше, когда весь образец стенояятся сеерхпронодящкм, т.е. когда понерхностн раздела исчезают. Сущестпует область напряженностей полей, где энергия меньше прн нзлпчкн поверхностей раздела, чем без ннх.
Это могло бы ввести нес н лейлу>пленке прн знзлнзе явления, но эксперпментнльпо и теоретически покезэно, чта чисто снерхпронодящее состояние н метернзлзх ! рода существует прн полях, меньших э)зНо нормальное состояние — прн полях, больших Нг, н слои двух состояний сосуществуют э. промежуточном состоянии, когда напряженность приложенного поля лежит н интервале межлу НзН, н П..
Понятие промежуточного состояния применимо только для снерхпроноднпкое с положительной понерхностной энергией; более подробно это обсуждалось эо втором нзденнн настоящей книги. (См. Кигтель, Бясденгге э физику твердого теле, М., !962, стр. 523 †5. †Пр. иерее.) Снтуепяя здесь знелогнчнз снтуяпнн с ферромагнитными доменами (см. гл, (6). Энергия массивного сверхпроводника в магнитном поле увеличивается прв условии, что поле не проникает в образец. Проникновение поля в пленки рассматривается в конце главы в задачах 12.1 и 12А. Поле, направленное параллельно поверхности очень тонкой пленки, проникает в нее, оставаясь практически однородным (рис. 12.32,а); при этом энергия сверхпроводящей пленки будет слабо возрастать с увеличением магнитного поля, что приводит к увеличению напряженности поля, нсобходимого для разрушения сверхпроводимости (рнс.
12.21 и 12.33). В сверх- проводящей тонкой пленке величина кажущейся магнитной восприимчивости может быть намного меньше, чем 1(4п (нли 1 в СИ), так как выталкивается только часть потока, но при этом пленка имеет обычную величину энергетической щели и не обладает сопротивлением. В пленках устойчивая сверхпроводимость наблюдается в полях, напряженность которых более чем в 100 раз превышает критическое поле Н, для массивного сверх- проводника того же материала. Тонкие пленки не относят к свсрхпроводннкам П рода, но их поведение показывает, что сверхпроводимость при наличии соответствуюгцнх условий может существовать и в высоких магнитных полях.
Вихревое состояние. При изучении тонких пленок возникает важный вопрос: существует ли в однородном массивном сверхпроводнике, находящемся в магнитном поле, устойчиваж ') Оно называется также фазой Шубкнкоее. — Прим. перев. 4т ()» а) И бз Ттис. 12.33. Значения критического поля, параллельного поверхности тонкой пленки олова, в единицах критического поля для массивного образца. Представлены результаты для различных пленок толщиной от 850 А до 4500 А. Для каждой пленки глубина проникновения измечяетси с изменением температуры. По горизонтали отложено отноше. иве глубины проникновения Л к толщине пленки б. (По Б.
К. Севастьянову (4Ц.) 2,(г 3,0 л(йн л' 'Рис. 1232. а) Проннннонение магнитного поля в тонкую пленку толщиной Л. Ялика стрелок характеризует напряженность магнитного поля. 6) Магнитное поле проникает в однородный массивный образец, находящийся в смешанном или вихревом состояния, которое представляет собой чередующиеся слои металла в нормальном и сверхпроводящем состояниях. Толщина сверхпроводящих слоев сравнима с Л. ххтгя удобства показана слоистая структура; реальная структура смешанного состояния представляет собой нигн в нормальном состоянии, окруженные материалом в сверхпроводящем состоянии.
Области )У (гчогша11 в вихревом состониии не являются чисто нормальными, им можно приписать небольшую величину б (см. Рис. 1238). (СГС) 1,.„= — Н' пК' (12.36) Однако эта энергия уменьшается из-за проникновения внешнего поля в сверхпроводяший материал, окружающий остов (рис. 12.34), на величину — — — Вт ° пХ .
1 а~а« Вв а Таким образом, для одного флюксоида, объединяя вклады (12.36) и (12.37), получим: (СГС) !'=1„„+1,аа ж в (Наа — Во) ). (12 38т Остов устойчив при !' = О, причем утверждение относительно знака 1 эквивалентно утверждению о знаке поверхностной энергии. Критическое поле Н,ь при котором флюксоид становится 458 конфигурация нормальных областей в форме тонких нитей (или слоев), окруженных сверхпроводяшей фазой? В таком смешанном состоянии внешнее магнитное поле будет пронизывать тонкие нормальные области, оставаясь однородным, проникая при этом и в окружающий сверхпроводящий материал, как это показано на рис.
12.32,б. Понятие «вихревое состояние» используют для описания ситуации, когда в массивном образце текут вихревые сверхпроводящие токи (см. ниже рис. 12.3?) . Бормальные и сверхпроводяшпе области в вихревом состоянии не отличаются ни химически, ии кристаллографически.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
