Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 51

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 51)

рис. 6.3) с большими площадями поверхности раздела. 6.2. Теоретическое объяснение сверхпроводимости Теория сверхпроводимости на микроскопическом уровне была обоснована в рамках квантовой теории в 1957 г. учеными-физиками Дж. Бардиным, Л. Купером, Дж. Шриффером, отмеченными Нобелевской премией. Эта весьма сложная теория, названная по имени ее создателей БКШ, изложена в специальной литературе по сверхпроводимости. В данном учебном пособии рассмотрены ее основные выводы, которые объясняют описанные в 6.1 особенности физических свойств сверхпроводников.

Квантовая теория, объясняющая, в частности, причины деления на сверхпроводники 1-го и 2-го рода, была построена советским физиком А.А. Абрикосовым. Ранее российские физики В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау предложили полуфеноменологическую квантовую теорию, объяснившую, в частности, эффект Мейснера. Эти работы были отмечены Нобелевской премией. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина— Купера — Шриффера.

Согласно этой теории между электронами в сверхпроводнике возникает притяжение, за счет чего электроны объединяются в куперовские пары, которые имеют целый спин и могут рассматриваться как бозоны. Энергетический выигрыш от такого объединения и обусловливает появление энергетической щели ЬЕ„. Причем она мала и уменьшается как при увеличении температуры, так и усилении внешнего магнитного поля. Поэтому куперовские пары могут существовать только при сравнительно низких температурах, когда ИТ < АЕ, т.е. когда типичная энергия 312 теплового движения частиц вещества меньше энергии связи электронов куперовской пары и при условии, что напряженность внешнего магнитного поля не превосходит критического значения. Возникновение притяжения меясду двумя одноименно заряженными электронами заслуживает особого обсуясдения.

Два электрона отталкиваются один от другого благодаря кулоновским силам. Однако в кристаллической решетке движущийся электрон деформирует ее (см. 3.1), вследствие чего появляется нескомпенсированный положительный заряд, к которому может притягиваться другой электрон. Тогда два электрона притягиваются друг к другу за счет их взаимодействия с кристаллической решеткой. Происхождение таких сил притяжения можно понять, рассмотрев следующую механическую задачу.

Известно, что два одноименно заряженных тяжелых шарика отталкиваются друг от друга, если они катаются на гладком горизонтальном недеформируемом столе в вертикальном поле сил тяжести (рис. 6.10, а). Ситуация может измениться, если эти же шарики катаются на упругом гладком батуте. Один шарик деформирует (проминает) батут (рис.

6.10, б), другой же шарик, взаимо- Рнс. 6.10. К объяснению снл притяжения между двумя одноименно заряженнымн шариками 3!3 действуя с батутом, скатывается в промятую первым шариком лунку до тех пор, пока они не соприкоснутся (рис. 6.10, в). Если эти шарики заряжены, то между ними установится равновесное расстояние, при котором сила их электростатического взаимодействия Г, уравновесится силой притяжения Е,р, возникшей за счет неоднородной деформации батута (рис. 6.10, г).

Для существования сверхпроводимости необходимо, чтобы сила взаимодействия между электронами проводимости и кристаллической решеткой была значительной. Такая ситуация наблюдается у проводников с большим удельным сопротивлением, когда электроны в сверхпроводнике находятся в нормальном состоянии и, интенсивно взаимодействуя с кристаллической решеткой, часто рассеиваются ее колеблющимися атомами. Именно за счет этого и возникает большое электрическое сопротивление сверхпроводника согласно теории электропроводности (см.

4.3). Действительно, наблюдается закономерность: чем хуже электропроводность сверхпроводника, находящегося в нормальном состоянии, тем, как правило, выше критическая температура его перехода в сверхпроводяшее состояние. Согласно теории БКШ при большой плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми 0(Ег) значительно повышается критическая температура перехода сверхпроводника в сверхпроводящее состояние. Этот вывод можно обьяснить так: поскольку сверхпроводимость определяется взаимодействием электронов с фононами, а с фононами взаимодействуют только электроны, находящиеся в тонком слое вблизи поверхности Ферми (см. 4.3), то при увеличении 0(Ег) будет повышаться и критическая температура.

В соответствии с фононной теорией взаимодействие электронов с кристаллической решеткой осуществляется посредством обмена фононами (см. 3.1). Для существования сверхпроводящего состояния эти процессы должны протекать весьма интенсивно. В микроскопической теории сверхпроводимости показано, что импульсы р„электронов, образовавших пару, противоположно направлены, также противоположно направлены и спины этих электронов.

Часто куперовскую пару изображают как два электрона, вращающихся вокруг общего центра масс по круговой орбите (рис. 6.!1). Диаметр этой орбиты считают размером пары, при этом он составляет 2...100 нм для различных типов сверхпроводников. Таким образом, размер куперовской пары во много раз превышает расстояния между соседними атомами в кристаллической 314 решетке. Такая пара должна, согласно законам классической механики, очень быстро распадаться при столкновении „2г движущихся электронов пары с атомами кристаллической решетки. Однако этого е не происходит, поскольку куперовская пара — квантовая частица, существующая в соответствии с законами кванто- Рис.

6.11. Схематическое вой механики. Изображение пары, как на изображение электронов, рис. 6.11, хотя и является наглядным, но, вхоляших в куперовскую вообще говоря, оно неверное, пару Куперовская пара имеет целое значение спинового числа, т.е. является бозоном. Бозоны могут занимать самое низкое энергетическое состояние в любых количествах, поэтому пар может накопиться в низшем энергетическом состоянии очень много (говорят, макроскопически много).

Такое явление называют конденсацией Бозе — Эйнштейна и изучают в курсах квантовой механики и статистической физики. Куперовская пара представляет собой бозон с очень малым импульсом, а значит, очень большой длиной волны де Бройля. Частица с такой большой длиной волны не будет а чувствовать» небольшие неоднородности структуры, встречаюшиеся при ее движении в кристалле даже с дефектной структурой. Более того, наличие энергетической щели затрудняет разрушение пары за счет разрушающих воздействий с малым запасом энергии.

Для разрушения куперовской пары необходима энергия, превышающая ЛЕя Такую энергию нельзя получить при столкновении с препятствиями при «медленном» движении куперовской пары, с малым запасом кинетической энергии. Разрушение куперовских пар происходит при их достаточно быстром перемешении внутри кристалла, что происходит только при достаточно большой плотности тока в сверхпроводнике. Отчасти в этом заключается причина разрушения сверхпроводящего состояния при значении плотности тока, выше критического. Таким образом, теория БКШ объяснила как причины появления сверхпроводящего состояния, так и причины разрушения сверхпроводящего состояния при росте температуры, усилении внешнего магнитного поля, увеличении тока, протекаюшего через сверхпроводник.

Эта теория также объясняет эффект Мейснера. В 1961 г. были проведены сложные эксперименты и получены прямые и косвенные доказательства существования куперовских пар. 315 Экспериментальные доказательства существования куперовских пар. В 1961 г. Б. Дивер и В. Фербек (США) н независимо от них Р. Долл и М. Небауэр (ФРГ) провели измерения магнитного потока, проходящего через сверхпроводящее миниатюрное кольцо, что являлось очень сложной экспериментальной задачей.

Так, диаметр кольца составлял всего 10 мкм, а само кольцо было получено напылением свинца на тонкую кварцевую палочку. Эти работы были отмечены Нобелевской премией. Квантование магнитного потока через маленькое тонкое кольцо является следствием квантования момента импульса 2. носителя заряда (электрона), движущегося по кольцевой орбите.

Согласно правилу квантования момента импульса, преложенному Н. Бором, 1.= 2кйи, где и — целое число. С этим моментом будет связан магнитный момент электрона и поток вектора индукции магнитного поля В индукции магнитного поля, проходящего через орбиту, которые также должны квантоваться. Квант магнитного потока Ф определяется следующей формулой: 2кй Ф= — и, 9 (6.4) где 9 — заряд носителя тока. Действительно, магнитный поток, проходящий через кольцо, квантуется, причем измеренный квант магнитного потока оказался в два раза меньше, чем предсказывала теория, основанная на предположении, что носителями заряда в сверхпроводнике являются отдельные электроны.

Такое расхождение можно объяснить, предположив, что в сверхпроводнике заряд переносится новыми частицами — куперовскими парами электронов, которые обладают зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Другим косвенным подтверждением существования куперовских пар было предсказание, а затем и экспериментальное обнаружение особенностей прохождения пар электронов через потенциальный барьер, образованный тонким слоем диэлектрика между двумя сверхпроводниками (так называемый контакт джозефсона). Прохождение пар электронов через такое препятствие происходит иначе, чем отдельных электронов.

Это явление называют эффектом Джозефсона (1962). Его описание и объяснение выходит за рамки данной книги. Ознакомиться с ним можно в литературе по сверхпроводимости. 3!6 6.3. Применения сверхпроводимости в технике На данный момент времени можно выделить следующие основные направления использования сверхпроводимости в современной технике: создание сильных магнитных полей, различные области механики (использующие эффект Мейснера), криогенная радиотехника и электротехника, измерение особо слабых магнитных полей.

Характеристики

Список файлов книги