Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 50
Текст из файла (страница 50)
На диаграмме состояния сверхпроводника 1-го рода (рис. 6.6, а) кривая Н,р(Т) является границей между двумя областями, соответст- Н~,рг н„ Н| Нчя и, О Т1 т, т, т а б Рис. 6.6. Диаграммы состояния сверхпроводника 1-го (а) и 2-го (б) рода 307 вующими его сверхпроводящему и нормальному состояниям. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля температура перехода в сверхпроводящее состояние (точка А) снижается. Аналогично при увеличении тока, протекающего через сверхпроводник, падает температура перехода в сверхпроводящее состояние. В случае сверхпроводника 2-го рода расположение на диаграмме областей, отвечающих нормальному и сверхпроводящему состояниям, имеет особенность (рис.
6.6, б): существует область магнитных полей и температур, соответствующая частичному проникновению внешнего магнитного поля в сверхпроводник. Эта область располагается между кривыми Н,р,(Т) и Н,рт(Т) и соответствует смешанному состоянию. Расположение сверхпроводящих и нормальных областей в пространстве образца показано на рис. 6.3. Если при заданной температуре Т1 (см. рис. 6,6, б) внешнее магнитное поле усиливается, то точке А, соответствует появление областей трубчатой формы, в которые проникает внешнее магнитное поле.
При дальнейшем увеличении магнитного поля объем этих трубчатых областей увеличивается, и точке А2 соответствует заполнение ими всего пространства сверхпроводника. Практически все сверхпроводники, используемые для создания особо сильных магнитных полей, а также высокотемпературные сверхпроводники обычно находятся в смешанном состоянии. Переход сверхпроводника в сверхпроводящее состояние усложняется при наличии в нем некоторых примесей, особенно пара- магнитных. Температура перехода сверхпроводника в сверхпроводящее состояние также зависит и от его изотопного состава. Энергетическая щель. Па основании многочисленных экспериментальных данных выявлено, что в энергетическом спектре электронов появляется энергетическая щель, конечная ширина которой уменьшается под воздействием внешнего магнитного поля и повышении температуры.
Электромагнитное излучение как СВЧ, так и инфракрасного диапазонов, значительно интенсивнее поглощается тонкой пленкой вещества, находящегося в нормальном состоянии, чем вещества, находящегося в сверхпроводящем состоянии, если энергия кванта излучения Поз не превышает некоторого значения ширины энергетической щели ЛЕ,. Ситуация в данном случае напоминает внутренний фотоэффект в полупроводниках, только теперь роль ширины запрещенной зоны играет ширина энергетической щели. Такую особенность спектра поглощения сверхпроводника можно объяснить 308 существованием энергетической щели в спектре состояний электронов: при малых значениях йоз поглощения излучения не происходит, поскольку йго< ЬЕ . У сверхпроводника, находящегося в нормальном состоянии, эта особенность спектра поглощения не наблюдается. Измеряя молярную теплоемкость сверхпроводника при различных значениях температуры, получаем, что при Т < Т зависимость Сг сверхпроводника от температуры Т (рис.
6.7) хорошо аппроксимируется выражением вида ь си О 1!Т Рис. 6.7. Зависимость 1п Сг от Т (пунктирная линия) и касательная к ней (сплошная линия) 1 АЕ (Т)'1 С~ = Аехр~ — ), А = сопзк (6.3) 1сТ Выражение (6.3) схоже с формулой (3.18), описывающей молярную теплоемкость в рамках модели Эйнштейна при низкой температуре, и с формулой (4.40), описывающей температурную зависимость проводимости полупроводника. Как модель Эйнштейна, так и теория электропроводности полупроводников предполагают наличие энергетической щели в энергетическом спектре вещества. С помощью выражения (6.3) и известных из термодинамики формул можно построить зависимость энтропии от температуры для сверхпроводника, находящегося в сверхпроводящем и нормальном состояниях.
Энтропия для сверх- проводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии, оказывается меньше, чем у него же в нормальном состоянии (рис. 6.8). Известно, что энтропия является величиной, характеризующей степень упорядоченности в системе. Следовательно, элект„, т троны сверхпроводника, находящегося в Рис. 6.8. Зависимость 5 сверхпроводящем состоянии, лучше упоряот Т для сверхпровод дочены, чем у сверхпроводника, находященика, находящегося в гося в нормальном состоянии. сверхпроводящем (1) и Длина когерентности в сверхпроводнике. Как уже отмечалось, внешнее маг- 309 нитное поле уменьшает ширину энергетической щели в энергетическом спектре электронов сверхпроводника.
Само же магнитное поле быстро ослабевает при проникновении внутрь сверхпроводника. При этом ширина энергетической щели сверхпроводника имеет почти постоянное значение во внутренней части сверхпроводника и быстро уменьшается вблизи поверхности сверхпроводника. Длиной когерентности в сверхпроводнике считают расстояние г„ на котором ЛЕ„ значительно изменяется при продвижении от поверхности внутрь сверхпроводника. Причины деления на сверхпроводники 1-го и 2-го рода.
От соотношения между длиной когерентности с в сверхпроводнике и глубиной проникновения внешнего магнитного поля ), в сверхпроводник зависит, какого рода (1-го или 2-го) будет данный сверх- проводник. В сверхпроводнике 1-го рода длина когерентности в сверхпроводнике превышает глубину проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник. В сверхпроводнике 2-го рода глубина проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник превосходит длину когерентности в сверхпроводнике. Покажем, что в случае сверхпроводника 1-го рода (с > Х) плотность свободной энергии вблизи границы раздела областей вещества, находящегося в сверхпроводящем и нормальном состояниях, оказывается больше, чем внутри сверхпроводящей области, а в случае сверхпроводника 2-го рода (с < Х) — меньше.
Изменение характеристик сверхпроводника 1-го рода при переходе из нормального состояния в сверхпроводящее происходит при изменении координаты х на характерном расстоянии с; на таком же расстоянии происходит изменение вклада энергии, связанной с энергетическим выигрышем нес, в плотность свободной энергии. В сверхпроводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, вклад в плотность энергии н'сс на и сев меньше, чем в нормальном состоянии (рис. 6.9, а). Магнитное поле при проникновении внутрь сверхпроводника убывает на характерном расстоянии Х.
Связанная с ним зависимость плотности энергии сверх- проводника во внешнем магнитном поле возрастает при увеличении координаты х в соответствии с кривой 1 от нуля в нормальном состоянии до и„в в сверхпроводящем состоянии. Сумма обоих вкладов соответствует кривой 3. Ясно, что вблизи границы раздела кривая 3 оказывается выше, чем в областях сверхпроводника, находящегося в сверхпроводящем и нормальном состояниях. Этому 310 ЛО 0 х О зкССО 'гм О змСС О им а О 0 Рис. 6.9. Зависимости различных вкладов энергии в плотность свободной энергии сверхпроводника от координаты х вблизи переходной области (ПО) между областями, находящимися в сверхпроводящем (СС) и нормальном (НС) состояниях: 1 — зависимость магнитного вклада в плотность энергии при переходе в СС; 2— зависимость, связанная с энергетическим выигрышем при переходе в СС; 3— зависимость суммарного вклада при перехоле в СС и соответствует избыточная положительная поверхностная энергия в случае сверхпроводника 1-го рода.
В таком случае система будет стремиться к минимизации площади поверхности раздела сверхпроводящее состояние — нормальное состояние. Переход сверхпроводника 2-го рода ((, < )ь) (рис. б.9, б) из нормального состояния в сверхпроводящее вблизи переходной области происходит на характерном расстоянии с; на таком же расстоянии происходит изменение вклада исс в свободную энергию сверхпроводника. Зависимость величины исс от координаты х показана на рис. 6.9, б (кривая 2). Внешнее магнитное поле при проникновении внутрь сверхпроводника убывает на характерном расстоянии )ь.
Связанная с ним зависимость и, сверхпроводника во внешнем маг- 311 нитном поле возрастает при увеличении х в соответствии с кривой 1. Сумма обоих вкладов соответствует кривой 3. Ясно, что вблизи границы раздела кривая 3 оказывается ниже, чем в областях сверх- проводника, находящегося как в сверхпроводящем, так и нормальном состояниях. Это и объясняет наличие избыточной отрицательной поверхностной энергии в сверхпроводниках 2-го рода. В данном случае сверхпроводник будет иметь максимальную площадь поверхности раздела областей между сверхпроводящим и нормальным состояниями, вследствие чего в сверхпроводнике 2-го рода сформируется структура из мелких областей, находящихся в сверхпроводящем и нормальном состояниях (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
