Учебное пособие - Физика сверхпроводников. Вводный курс - Курин В.В. (1238778)
Текст из файла
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУРНа правах рукописиКурин Владислав ВикторовичФизика сверхпроводников. Вводный курс.Учебное пособие для студентов 4,5 курсов Радиофизического факультета (РФ)и Высшей школы общей и прикладной физики (ВШОПФ)ННГУ им. Лобачевскогог.Нижний Новгород, 2004 г.СодержаниеКраткое введение31 История открытия сверхпроводимости, основные понятия и экспериментальныефакты41.1 Открытие сверхпроводимости . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.2 Эффект Мейсснера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Элементарные электродинамические следствия из существования эффекта Мейсснера63 Сверхпроводник в магнитном поле. Аналогия с магнетиком.3.1 Уравнения Максвелла. Индукции и напряженности. .
. . . . . . . . . . . . . . .3.2 Сверхпроводник во внешнем магнитном поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.1 Длинный узкий цилиндр в магнитном поле, параллельном образующей3.2.2 Цилиндр в магнитном поле, перпендикулярном образующей . . . . . . .3.2.3 Сверхпроводящий шар в магнитном поле . . . . .
. . . . . . . . . . . . ......8891010134 Элементарная термодинамика сверхпроводящего перехода4.1 Краткие изложение основных понятий термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 Выбор термодинамической системы и окружения. Выражение для работы и . . .
. .4.3 Промежуточное состояние сверхпроводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151517205 Уравнение Лондонов и двухжидкостная гидродинамика сверхпроводников5.1 Вариационный вывод уравнения Лондонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2 Двухжидкостная гидродинамика сверхпроводников. Динамический вывод уравненияЛондонов . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.3 Поверхностный импеданс сверхпроводника и глубина скин-слоя . . . . . . . . . . . . .22226 Феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау6.1 Идея общей теории фазовых переходов. Структура параметра порядка для сверхпроводника. Свободная энергия для пространственно-однородного сверхпроводника . .
.6.2 Обобщение на пространственно-неоднородный случай . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.3 Эффект близости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.4 Калибровочная инвариантность и взаимодействие с магнитным полем. Уравнения ГЛ. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.5 Различные формы записи тока в теории Гинзбурга-Ландау. Связь с теорией Лондонов.6.6 Система единиц Гинзбурга-Ландау. Обезразмеривание уравнений. . . . . . . . . . . .6.7 Действительная форма уравнений Гинзбурга-Ландау . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .267 Простейшиие приложения теории Гинзбурга-Ландау7.1 Квантование потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2 Критическое поле тонкой пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.3 Критический ток тонких пленок и проволок. Ток распаривания7.4 Эксперимент Литтла-Паркса . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .7.5 Поверхностное натяжение равновесной N-S границы . . . . . . ......4040424547488 Сверхпроводники второго рода8.1 Верхнее критическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.2 Смешанное состояние вблизи Hc2 . Задача Абрикокосова. . .
. . . . . . . . . . . . . . .8.3 Структура одиночного вихря. Нижнее критическое поле. . . . . . . . . . . . . . . . . .545456591...........................................................................2325262931333536399 Эффект Джозефсона9.1 Вывод формулы для джозефсоновского тока .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2 Нестационарный эффект Джозефсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3 Влияние магнитного поля на критический ток контакта . . . . . . . . . . . .9.4 Распределенный джозефсоновский контакт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.4.1 Экранирование слабого магнитного поля в контакте. Джозефсоновская9.4.2 Джозефсоновские вихри . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.4.3 Волны в длинном джозефсоновском контакте . . . . . . . . . . . . . . .9.5 Квантовая интерференция и квантовые интерферометры . . . . . . . . . . . .9.5.1 Одноконтактный SQUID . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .9.5.2 Двухконтактный SQUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2. . . .. . . .. . . .. . . .длина. . . .. . . .. . . .. . . .. . . ..........6464666869717275767779Краткое введениеПредлагаемое учебное пособие базируется на курсе лекций по физике сверхпроводников, читаемыхмной для студентов радиофизическом факультете и ВШОПФ с 1990 года.
В 1987 году были найдены новые материалы, демонстрирующие высокотемпературную сверхпроводимость, что вызвалобольшой интерес не только у физиков, традиционно занимающихся физикой твердого тела, но и уширокого круга специалистов занимающихся электродинамикой, электроникой и физикой нелинейных явлений. Этот интерес связан с возможностью применения новых сверхпроводников для приема, генерации и усиления СВЧ и дальнего ИК излучения, сверхбыстрой обработки информации,сверхчувствительных измерений, а также в системах транспортировки и накопления электрической энергии. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости и попытки понятьеё природу стимулировали развитие фундаментальных исследований электронных и электродинамических свойств новых сверхпроводников.Радиофизический факультет ННГУ и ВШОПФ не остались в стороне от этой маленькой революции и начали подготовку специалистов для работы во вновь открывшейся области фундаментальной и прикладной физики.
В настоящее время выпускники ВШОПФ и радиофака успешноработают в этой новой перспективной области физики в ИПФ и ИФМ РАН, а также в ведушихнаучных центрах США и западной Европы.Пособие состоит из двух частей, каждая из 14 лекций. В первой части излагаются основныеэкспериментальные факты, элементарная термодинамика и электродинамика теория сверхпроводников, феноменологическая теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау и на основе этих теоретических представлений дается описание широкого круга физических явлений в сверхпроводниках.
Вторая часть посвящена изложению микроскопической теории сверхпроводимости БардинаКупера-Шриффера.В работе над данным пособием большую помощь оказала мне моя жена, Курина ЛюдмилаЕвгеньевна, которой я выражаю искреннюю благодарность. Я также признателен заведующемукафедрой электродинамики радиофизического факультета Таланову Владимиру Ильичу, инициировавшему написание данного учебного пособия.31История открытия сверхпроводимости, основные понятияи экспериментальные фактыПлан лекции• История развития физики сверхпроводников, основные этапы, имена и Нобелевские премии• Основные понятия и экспериментальные факты физики сверхпроводников, критическийток, критическое магнитное поле, фазовая диаграмма сверхпроводника• Эффект Мейсснера• Элементарные следствия из существования эффекта Мейсснера1.1Открытие сверхпроводимостиЯвление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком и инженеромКамерлинг-Оннесом. Он был первым, кому удалось создать мощную холодильную установку и достичь рекордно низкой, по тем временам, температуры кипения гелия-4 (He4 ), которая равна 4, 2 K.Помещая в криостат различные вещества, Камерлинг Оннес и измеряя зависимость сопротивленияот температуры Камерлинг-Оннес обнаружил, что у некоторых металлов при определенной температуре сопротивление довольно резко обращается в ноль.
Характерные зависимости сопротивленияметаллов от температуры качественно изображены на Рис.1 Для того, чтобы исключить сопротив-Rc)b)a)TTcРис. 1: Характерная зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры. а)металл с конечным остаточным сопротивлением, b) - сверхпроводящий металл, c)- полупроводникление подводящих проводов и зарегистрировать ноль сопротивления с максимальной точностьюиспользовалась, так называемая, четырех зондовая схема измерения сопротивления, когда контакты проводов, идущие к вольтметру, располагаются непосредственно на образце. Схема показанана Рис.2 Обращение сопротивления в ноль происходит при некоторой конечной температуре, называемой критической.
Переход в сверхпроводящее состояние является фазовым переходом, приэтом переходе меняется не только сопротивление образца, но и другие физические, электромагнитные и термодинамические, характеристики, такие, например, как магнитная восприимчивость итеплоемкость.Типичные значения критической температуры сверхпроводников, известных до 1986 года, составляет ≈ 10K. Конкретные значения критических температур Tc для некоторых низкотемпературных сверхпроводников (известных до 1987г.)4VIРис.
2: 4-х зондовая схема измерения сопротивленияHHHc(T)Hc2(T)ÑìåøàííîåñîñòîÿíèåÍîðìàëüíàÿôàçà - NÑâåðõïðîâîäÿùàÿôàçà - SÍîðìàëüíàÿôàçàHc1(T)ÑâåðõïðîâîäÿùàÿôàçàTcTTcTРис. 3:W - Tc ' 0, 015◦ ,HG - Tc ' 4◦ ,Nb - Tc ' 9, 25◦ .Рекордное высокое значение температуры Tc было достигнуто для N b3 Ge - Tc ' 23◦ .В 1986 Беднорцем и Мюллером году был найден новый класс сложных соединений, включающихгруппу CuO2 и обладающие существенно более высокой критической температурой Tc :La2−x Srx CuO4 - Tc ' 30 ÷ 40◦ ,Y1 Ba2 Cu3 O7 - Tc ' 90◦ ,Bi2 Sr2 Can−1 Cun O4 - Tc от 80◦ (n = 2), от 110◦ (n = 3),T l2 Ba2 Can Cun+1 O4 - Tc от 125◦ (n = 3), от 165◦ (n = 4).Сверхпроводники этого типа в настоящее время называются высокотемпературными сверхпроводниками.Итак, можно заключить, что сверхпроводящее состояние - это новое состояние вещества, также, как и газообразное, жидкое, твердое.
Это состояние металла. Говорят, что нормальный металл(N) переходит в сверхпроводящее состояние (S). Один и тот же металл, в зависимости от внешнихусловий, может находиться в разных фазах, а переход между ними называется фазовым переходом.Фазовый переход из нормального в сверхпроводящее состояние (N-S переход) может иметь местои при наложении магнитного поля. Величина поля, при котором происходит фазовый переход называется критическим магнитным полем Hc . При этом значении поля сверхпроводящее и нормальноесостояние находятся в равновесии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
