Физика твёрдого тела 2 (1182143), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Из простыхметаллов наибольшим значением Тс=9,2 К обладает ниобий. Длядостижения столь низких температур образцы охлаждают жидким гелием,получение которого связано с большими затратами. Именно этоограничивало возможности применения сверхпроводников в технике:исчезновение сопротивления избавляет нас от джоулевских потерь вэлектрической цепи, но затраты на охлаждение должны окупаться этимвыигрышем. Охлаждение жидким азотом (температура кипения приатмосферном давлении равна 77 К) обходиться значительно дешевле,поэтому долгие годы исследователи стремились найти вещества с Тс>77 К,а еще лучше с Тс>300 К, чтобы вещество оставалось сверхпроводникомпри комнатной температуре.Сверхпроводящий переход является фазовым переходом междудвумя фазами: высокотемпературной – нормальной и низкотемпературной– сверхпроводящей.
В отсутствие магнитного поля он является фазовымпереходом второго рода (без теплоты перехода, но со скачкомтеплоемкости).Вплоть до 1986 года рекорд Тс=23 К принадлежал соединениюNb3Ge. Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером (Нобелевскаяпремия 1987 года) металлооксидов с Тс~40 К вызвало бум в этой областифизики, то есть привлекло к ней большое число исследователей исущественное финансирование. В 1987 году было получено соединениеYBa2Cu3O7 с Тс90 К.В настоящий момент рекордное значение Тс=133 К (под давлением вдесятки ГПа Тс~160 К) имеет соединение HgBa2Ca2Cu3O8. Соединения снаибольшимизначениямиТспредставляютсобойслоистыеперовскитоподобные металлооксиды.Наряду с этим, в процессе поисков новых сверхпроводниковвыяснилось, что высокотемпературные сверхпроводники можно получатьдаже из сажи – это соединения типа А3С60 на основе фуллерена (А –щелочной металл). В частности, соединение RbCs2C60 обладает Тс=33 К.В начале XXI века был открыт новый сверхпроводник MgB2 cТс=39 К, а в 2008 году - новый класс высокотемпературных слоистых154сверхпроводников на основе железа и мышьяка (пниктидов) либо селена(селенидов).
В них, в отличие от медь-кислородных соединений, за высокотемпературную сверхпроводимость ответственны не атомные плоскостиCuO2, а плоскости FeAs или FeSe. На данный момент из соединений данной группы рекордным значением Tc=55 К обладает соединениеSmO1-xFxFeAs.Конечно, до комнатной температуры еще далеко, носверхпроводники с рекордными Тс уже можно охлаждать жидким азотом,что существенно расширяет возможности их применения.Микроскопическая теория низкотемпературных сверхпроводников(теория БКШ) была создана Бардиным, Купером и Шриффером спустя 46лет после открытия сверхпроводимости - в 1957 году.
Оказалось, чтосверхпроводимость – это макроскопическое квантовое явление, в основекоторого лежит образование так называемых «куперовских пар»квазичастиц электронной подсистемы – пар электронов (или пар дырок) спротивоположными спинами и импульсами. Основой этого спариванияявляется электрон-фононное взаимодействие.Природа высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) до сихпор окончательно не выяснена. Преобладающей является точка зрения,что в основе ВТСП лежит не электрон-фононное, а кулоновскоевзаимодействие между электронами. Делаются попытки теоретическогоописания ВТСП на основе моделей типа модели Хаббарда (§9.2).12.2.
Сверхпроводники первого и второго родаВ 1933 году Мейсснер и Оксенфельд открыли явление выталкиваниямагнитного поля из сверхпроводника (эффект Мейсснера). В слабыхмагнитных полях магнитная индукция внутри сверхпроводящегоэллипсоида равна нулю. Вид силовых линий в нормальной исверхпроводящей фазах изображен на рис.50. В сверхпроводящей фазевещество является идеальным диамагнетиком (=0) и выталкивается измагнитного поля, с чем связаны и возможные применениясверхпроводимости.С ростом поля магнитные силовые линии начинают проникать всверхпроводник, а в еще более сильном поле сверхпроводимостьразрушается и образец переходит в нормальную фазу.
Поскольку величинаэтих критических полей зависит от формы образца, рассмотримбесконечный сверхпроводящий цилиндр, ось которого параллельнасиловым линиям.155В сверхпроводниках первого рода сверхпроводимость скачкомисчезает в критическом магнитном поле напряженностью Нс. В поляхН<Нс имеет место эффект Мейсснера (рис.51а).ВВnsРис.50.В сверхпроводниках второго рода в поле Нс1<Нс, магнитныесиловые линии начинают проникать в сверхпроводник, и в поле Нс2>Нспроисходит переход сверхпроводника в нормальную фазу. Зависимостьмагнитного момента образца от напряженности магнитного поляизображено на рис.51б. В области полей Нс1<Н<Нс2 имеет местосмешанное состояние. В этом состоянии магнитное поле проникает всверхпроводник в виде абрикосовских нитей (названных по именипредсказавшего их советского физика А.А.
Абрикосова, впоследствиенобелевского лауреата).-М-МНсНс1НаН с2НсбРис.51.Н156Это цилиндрические области, в которых сверхпроводимостьразрушена (остальные характеристики: кристаллическая решетка,плотность электронов и т.д., - такие же, как и вне нитей). Магнитныесиловые линии сосредоточены вокруг этих областей (рис.52). Причеммагнитный поток, связанный с каждой нитью равен одному квантумагнитного потока Ф0= /е=2·10-15 Вб. Дело в том, что магнитный потокчерез область, окруженную сверхпроводником (например, отверстие всверхпроводнике), квантуется, он равен целому числу квантов Ф0.Рис.52.
Абрикосовские нити в сверхпроводнике.12.3. Критический ток. Жесткие сверхпроводникиПоскольку электрический ток создает вокруг себя магнитное поле,то он тоже разрушает сверхпроводимость. Критический ток всверхпроводящем проводе может быть найден из условия, чтонапряженность создаваемого им магнитного поля на поверхности проводаравна Нс. При токе J<Jc провод будет в сверхпроводящем состоянии, а приJ>Jc будет иметь конечное сопротивление.Для сильноточных применений нам необходимы сверхпроводники сбольшим значением Jc. Но все сверхпроводники первого рода имеютневысокие значения Jс.
В сверхпроводниках второго рода ситуация,казалось бы, еще хуже. В поле Нс1<Нс в сверхпроводнике возникаютабрикосовкие нити. Со стороны тока на нити действует сила Лоренца, поддействием которой нити начинают двигаться. При этом возникаетконечное сопротивление образцов. Но раз Нс1<Нс, то Jc1<Jc.Однако если сверхпроводник содержит крупномасштабныенеоднородности (с характерным размером много больше атомного),например, включения несверхпроводящих фаз, то имеет место явлениепиннинга (от английского слова pin – булавка) – абрикосовкие нитизакрепляются на таких неоднородностях. Движение нитей начинаетсятолько тогда, когда сила Лоренца превзойдет силу пиннинга.
В такихсверхпроводниках, называемых «жесткими», значения критического тока157оказываются существенно более высокими, чем в сверхпроводникахпервого рода.12.4. Применения сверхпроводникова) Сильноточные применения – в качестве проводниковэлектрического тока, не имеющих джоулевских потерь.Высокотемпературные проводники с Тс>77 К, которые могутохлаждаться жидким азотом, оказались низко технологичными в силусвоего слоистого кристаллического строения. Дело в том, что критическийток в плоскости слоев намного выше, чем в перпендикулярном к нимнаправлении. И очень трудно изготовить текстурированный провод, вкотором вдоль всего проводника слои ориентированы нужным образом.Кроме того, ВТСП деградируют, то есть теряют свои сверхпроводящиесвойства под действием влаги.Использовать низкотемпературные сверхпроводники, скажем, влиниях электропередач экономически не выгодно.
Однако они нашли своеприменение в сверхпроводящих магнитах, то есть магнитах сосверхпроводящей обмоткой. Для поддержания магнитного поля в такойобмотке не требуется затрат энергии, она идет только на его создание. Вслучае же соленоида с нормальной обмоткой необходимо компенсироватьджоулевские потери и охлаждать сильно греющуюся обмотку.Постоянные магнитные поля с В9 Тл создаются сверхпроводящимимагнитами, а поля с В20 30 Тл – гибридными системами, содержащимив своем составе сверхпроводящие магниты.Такие магниты применяются как в исследовательских лабораториях,так и для создания магнитного поля в ускорителях элементарных частиц ив токомаках - плазменных ловушках для создания управляемойтермоядерной реакции. Обмотки этих магнитов делаются изнизкотемпературных сверхпроводников Nb3Sn, NbTi, NbN, появились ипервые обмотки на основе ВТСП.б) Магнитная подвеска использует свойство проводниковвыталкиваться из магнитного поля.
В Японии был создан пробныйпоездной состав на магнитной подушке, который мог двигаться соскоростью 500 км/час.в) На основе явления квантования магнитного потока и уникальныхсвойств так называемого джозефсоновского контакта – контакта, которыйобразован двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоемдиэлектрика(~1 нм)илинормальногометалла,созданывысокочувствительные магнетометры, которые могут фиксировать158изменение потока ~10-4Ф0~10-19 Вб.
С помощью таких магнетометровможно измерять магнитные поля ~10-14 Тл и сверхслабый электрическийток, их создающий. Они используются в медицине и геологии (дляизучения магнитных аномалий).Резкое изменение сопротивления сверхпроводника при Т=Тсиспользуется в сверхпроводящих болометрах – приборах для регистрацииинфракрасного излучения, например, приборах ночного видения. На этомже принципе построены переключающие приборы – криотроны.Сверхпроводящая разводка может быть применена в суперЭВМ дляуменьшения тепловыделения в СБИС и увеличения плотности размещенияее элементов.ЗаключениеЭто учебное пособие является завершающим пособием по курсу«Физика твердого тела». Следует напомнить читателю, что этот курсвключает только начальные сведения по этой замечательной науке,которой занимаются 60% физиков.
Полный курс физики твердого теладолжензанимать5-6фолиантов.Поэтомучеловеку,специализирующемуся в области физики твердого тела или твердотельнойэлектроники, предстоит еще огромная работа по изучению этойдисциплины, необходимая для его становления в качестве профессионала.Я желаю ему в этом энтузиазма, терпения и больших успехов.А.Морозов.159Рекомендованная литература1.Абрикосов А.А. Основы теории металлов. - М.: Наука, 1987.2.Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
