Kittel-Ch-Vvedenie-v-fiziku-tverdogo-tela (1239153), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Если поместить образец в магнитное поле и охладить его ниже температуры перехода в сверхпроводяптее состояние, то магнитный поток, первоначально пронизывающий образец, окажется вытолкнутым из него. Этот эффект называется эффектом Майснера. Схематически это показано на рнс. 12.2. Эти уникальные магнитные свойства играют важнейшую роль в описании сверхпроводящего состояния, Известно, что сверхпроводящее состояние представляет собой упорядоченное состояние электронов проводимости металла.
Упорядочение заключается в том, что электроны, свободные выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние, при охлаждении ниже этой температуры связываются в пары. Природа процесса образования электронных пар была впервые объяснена в 1957 г. Бардином, Купером н Шрнффером [4) '). Настоящая глава посвящена элементарному рассмотрению сверхпроводящего состояния. Мы обсудим также основные физические процессы в тех материалах, которые используются для сверхпроводящих магнитов, не вдаваясь в подробности технологии их изготовления. Сверхпроводящие материалы. Многие металлические элементы периодической системы, а также сплавы, интерметаллические соединения и полупроводники ') могут переходить в сверхпроводящее состояние '). Температуры перехода, известные на сегодняшний день, лежат в интервале примерно от 21 'К ') В том иге 1957 г., но позднее, теория сверхпроводамостн (в несколько иной форме, чем в работе [4)) была разработана Й, Н.
Боголюбоным и его сотрудниками. — Прим перез. з) Сверхпроводимость некоторых полупроводников была теоретически предсказана Коэном [б). По поводу экспериментов с Ьгт!Оз с дефипитом кислорода см. работу Скули и др, [б); минимальная концентрация носителей составляла 2 10" см ', критическая температура такого образца Ггт 0,0! 'К. з) Обзор данных по сверхпроводимости приводится в работе Маттиаса л др. [7). 421 б туг у Рис.
) 2.3. Температуры сверхпроводягпего перехода твердьм растворов лаитапа с редкоземельными злемеитами (в количестве ) ат. %) !по Маттиасу, Сулу и Коренпвиту) Больюинство редказемельиых злеыеитов, образ)топ)их твердые раса воры с лаптаиом, имеют атохппяе иагкитиые момеиз ы, обуслоилеииые иескампеисироваивыми злектрокными спинами в бйоболояке. а~ Ьа Не рг Нй Рв зв Еи ба ТЬ Зу На Ьг тв уа Ьа ') Об экспериментах с пезием см. работу Уиттига [Э). 422 для сплава [х))зз(А!оаСзеот) до 0,01'К для некоторых полупроводников.
Для многпх металлов сверхпроводимость не была обнаружена'вплоть до самых низких температур (обычно значительно ниже 1'К). Так, например, [.1, )х[а и К оставались обычными проводниками при охлаждении до 0,08'К, 0,09'К и 0,08'К соответственно. Аналогично вели себя Сп, Ад и Ап, которые исслодовалнсь вплоть до температур 0,05'К, 0,35'К н 0,05'К соответственно. Теоретически было показано (Карботт и Дайнс [8)), что если Ха и К и являются сверхпроводниками, то соответствующие им температуры перехода будут меньше, чем 10 †''К.
Это предсказание относится к случаю, когда давление равно атмосферному. Цезий ') переходит в сверхпроводящее состоянхю (1', = 1,5 'К) прн давлении 110 кбар, пройдя несколько фазовых превращений. Любой лв немагнитный металлический элемент переходит в сверхпроводящее состояние при достаточно, низкой температуре? Этого мы не знаем.
Прн экспериментальном исследовании сверхпроводников со сверхнизкими температурамя перехода важно исключить из ннх даже ничтожные количества чужеродных парамагнитных элементов, так как они могут сильно понизить температуру перехода. Прцмссь железа в концентрании несколько миллионных долей разрушает сверхпроводимость Мо, который в чистом виде имеет Т, = 0,92'К, а 1 ат.о(т Пс) понижает критическую температуру Т, для [.а (см. [10]) с 5,6'К до 0,6'К (рис, 12.3). Неметаллические примеси не оказывают такого сильного влияния на температуру перехода, хотя они могут изменить поведение сверхпроводников в сильных магнитных полях. х о $ 4 й 4 Ф а а Л х х о Ф а Ф х Ю, Я а х' о з а " а.
х о о о 2 а о х х 'х х х х х а. х :х а о х х о х о о х о а а о х о х х 2 х х й а х .Э х х а а х о а а т х тдвлипл мз Сверхпроводимость нехоторнх соединений Соединение г, 'к г,, Соединение Узба Узэв 1>Со ~ Т1зСо 1 1.аз1п ( 1пэЬ *1 1б,о 17,! 1,70 3,44 10,4 9 18,05 20,9 17,5 11,5 16,0 12,0 1ЧЬз5п Ь'Ьз (А1о,в0еа,з1 >ЧЬаА1 МЬзАи 14ЬМ Мо1Ч *) Метаааиеееиаи Оазн под дазаеииеи. Известные сверхпроводящие элементы н их температуры переходз представлены в табл. 12.!.
Установлено, что ни одповалентныс металлы (за исключением Сэ под давлением), ни фер. ромагнитные металлы, ни редкоземельные элементы (за исключением лантана Г.а, который имеет незаполненную электронную оболочку 47) не являются сверхпроводннками. В табл. 12.2 представлены температуры перехода ряда представляющих интерес сверхпроводящих соединений. Разрушение сверхпроводимости магнитным полем. Сверхпроводимость может быть разрушена достаточно сильным маги>пным полем.
Г1ороговое или критическое магнитное поле, необходимое для разрушения сверхпроводимости, обычно обозна. чают через Н,(Т); величина критического поля зависит от температуры. При критической температуре критическое поле равно нулю: Н,(Т,) = О. На рис. 12.4 показана зависимость критичсского поля от температуры для некоторых сверхпроводящих элементов. Эти кривые одновременно являются границами, отделяющими сверхпроводящее состояние (область, лежащая налево и вниз от данной кривой) от нормального (область, ле>кащая направо и вверх относительно данной кривой).
Зависимость Н,(0) от Т, для ряда сверхпроводников показана на рнс. !2.5, Замечание; Мы будем обозначать критическое магнитное поле через В„, что не является общепринятым обозначением среди ученых, работающих в области сверхпроноднмости. В системе СГС Н, = — В„, а в системе СИ Н вЂ” = В 71>о. Через В„ обозначено внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера. В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд [111 обнаружили, что если сверхпроводник охлаждать в магнитном поле до температуры ниже температуры перехода, то в точке перехода линии магнитной индукции В будут вытолкнуты из 424 ппа „пап ь заа 'Рис.
12Л. Кривые критического поля Н,(Т) для некоторых сверхпроводникоз Ооласть под кривой (слева) соответствует сверхпроводягцему состоянию образца, область над кривой (справа) — ноомальному. с т П, 8 Т, '~' 7ППП опп ппп оп? 5ЖР 2ПП з 7П за пп ап зп за Рис 12 5.
Зависимость критического поля Н, при ? = О от температуры перехода Т, для снерхпроводников в виде массивных образцов (по обеим осям — логарифмический масштаб). 7п 07 ая па йб гп я па б гп ?г. л' ') О диамагнетизме, намагниченности М я магнитной восприимчивости см. гл. !5. Диамагнитная восприимчивость массивных сверхпроводников много больше, чем для типичных диамагнетиков. В соотношении (!23) величина М есть намагниченность, эквивалентная сверхпроводящим токам в образце. снерхпроводника (рис. 12.2). Эффект ))йейснера показывает, что сверхпроводник ведет себя во внешнем поле В, так, как если бы внутри образца было В = О.
Для тонких длинных образцов, расположенных вдоль поля В„размагничиваюший фактор [см. (13.15) и (!7.43)] пренебрежимо мал и можно записать'): (СГС) В=В„+4мМ=О, или — = — —; (12.1) М ! а М ! (СИ) В=В,+роМ=О, илн — = — —. Ва и Этот очень важный результат не может быть получен просто из того факта, что сверхпроводник является вешеством с равным нулю сопротивлением; из закона Ома Е = р? видно, что при конечном 1 и р- О поле Е должно быть равно нулю.
Из уравнения Максвелла следует, что с(ВггЖ го(Е, так что при нулевом сопротивлении ЫВ)с(1 = О, т, е. магнитный поток в металле не может измениться, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние. Эффект Мейснера противоречит этому результату и дает основания считать, что идеальный диамагнетизм и отсутствие сопротивления являются двумя существенно независимыми свойствами сверхпроводящего состояния '). 1)а рнс. 12.6а показана кривая намагничивания, которую можно ожидать для сверхпроводника, находящегося в условиях эксперимента Мейснера — Оксенфельда.
Эта количественная кривая относится к образцу в форме длинного твердого цилиндра'), помещенного в продольное магннтное поле. Многие образцы, изготовленные из чистых материалов, ведут себя таким образом; они называются сверхпроводниками ! рода, или мягкими сверхпроводниками. Для сверхпроводнпков 1 рода вели!ива Н, слишком низка, чтобы применять нх для создания катушек сверхпроводящих магнитов. Другие материалы описываются кривой, показанной на рис. 12.66, и называются сверхпроеодниками (! рпдг!.
Обычно это сплавы (см. рис. 12.6в) или металлы переходной группы с большими величинами электрического сопротивления, т. е. имеющие малую длину свободного пробега электронов в нормальном состоянии. Мы увидим ниже, почему длина свободного пробега существенна для процессов «намагничиванияь сверхпроаодника. Сверхпроводники !1 рода обладают сверхпроводящими электрическихип свойствами вплоть до поля Н,з. Между нижним кри.
гическим поз!ел! I(,г и верхним критическим полем Исз плотность потока В и' 0 и эффект Мейснера является неполным. Значение Н,з может более чем в 100 раз превышать значение критического поля Нг, к которому мы приходим при термодинамическом подходе к рассмотрению перехода в сверхпроводящсе состояние в нулевом магнитном поле. В области напряженностей полей между П,г и Н,з линии потока пронизывают сверх- проводник и ои находится в вихревом состоянии (см. ниже рис. !2.36). Для сплава )ь)Ь, Л! и Ое при температуре кипения жидкого гелия (см. рнс. 12.7) было достигнуто') иоле Н„= ') Мы предполагаем наличие еще одного различия между сверхпроводником и адеальпым проводником (идеальный проводник представляет собой проводник, в котором нет никакого рассеяния злектроиов). Различие состоит в том, что, в отличие от сверхпроводника, в идеальном проводнике, помещенном в магнитное яоле, не возникает постоянного экрана вихревых токов: магнитное поле проникает в идеальный проводник со скоростью около ! см в час (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
