12 (982783), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Лекции 12.чина запрещённой зоны между валентной зоной и зоной проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного - электрона, и положительного - дырки), обратный переход - процессом рекомбинации.Сверхпроводимость.Сверхпроводимость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения.Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.Явление сверхпроводимости открыл голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в 1911году. Применяя полученный им ранее впервые в мире жидкий гелий, он изучал зависимостьэлектрического сопротивления металлов от температуры.

Он обнаружил, что при 4,15 К электрическое сопротивление ртути практически равно нулю.Далее были обнаружены ещё вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние принизких температурах: свинец, олово, таллий, уран. При этом было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем.Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов непревышает тысячных долей Кельвина, и поэтому можно определить температуру перехода всверхпроводящее состояние: ТС.

Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь - отналичия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры ТС изменяются впределах от 0,0005К у магния (Mg) и низкотемпературных сверхпроводников (ТС ниже 77 К температуры кипения жидкого азота), до примерно 135К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время наибольшее известное значение критическойтемпературы - 135К у ртутьсодержащих сверхпроводников, причем при внешнем давлении 350тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества.

Магнитное поле с напряжённостью НC, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называетсякритическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина НC возрастает.Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описываетсявыражением: T2 H C  H C 0 1  2  , TC где HC0 - критическое поле при нулевой температуре.Сверхпроводимость также исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jC, поскольку такой ток создаёт магнитноеполе больше критического.Эффект МейснераНулевое сопротивление - не единственная особенность сверхпроводимости. Одним изглавных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.Эффект Мейснера заключается в выталкивании сверхпроводником магнитного потока.

Это вызвано существованием незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное приложенному внешнемумагнитному полю и компенсирующее его.При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитномполе, в момент перехода в сверхпроводящее состояние, магнитное поле полностью вытесняется8Семестр 4.

Лекции 12.из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален ипоэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле.

В этом отношении сверхпроводник ведётсебя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, т.к. внутринего намагниченность равна нулю.Впервые эффект Мейснера объяснили братья Фриц и Хайнц Лондон. Они показали, что всверхпроводнике магнитное поле проникает на фиксированную глубину от поверхности - лондоновскую глубину проникновения магнитного поля λ. Для металлов 10-2 мкм.Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов.

У чистых веществ имеет место полный эффектМейсснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма (частичный эффект Мейсснера). Вещества, проявляющие полный эффект Мейсснера, называютсясверхпроводниками первого рода, а частичный - сверхпроводниками второго рода.У сверхпроводников второго рода в объёме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объём, а распределено в нём в виде отдельных нитей. Что же касается сопротивления, оно равно нулю, как и в сверхпроводниках первого рода.Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников.

Так,для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода ТС теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачоктеплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля,то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температурапонижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода.

Для сверхпроводников ΙΙ родапереход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.Явление выталкивания магнитного поля можно наблюдать в эксперименте, который получил название «гроб Магомета». Если магнит положить на поверхность плоского сверхпроводника, то можно наблюдать левитацию – магнит будетвисеть на некотором расстоянии от поверхности, не касаясь её.Даже в полях с индукцией порядка 0,001Тл заметно смещение магнита вверх на расстояние порядка сантиметра. Этообъясняется тем, что магнитное поле выталкивается из сверхпроводника, поэтому магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, - что и вызоветлевитацию.Название этого эксперимента - «гроб Магомета» - связано с тем, что по преданию, гроб стелом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки.Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем иХайнцем Лондоном.

Более общая теория была построена в 1950 году Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга - Ландау.Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмысверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость на микроскопическом уровне получила объяснение в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и ДжонаШриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являютсятак называемые куперовские пары электронов.9Семестр 4. Лекции 12.Квантово-механическая теорияКвантово-механическая теория сверхпроводимости (теория БКШ) рассматривает это явление как сверхтекучесть бозе-эйнштейновского конденсата куперовских пар электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения.

Электроны проводимости движутся всверхпроводнике беспрепятственно - без «трения» о неоднородности кристаллической решётки.Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар (так называемые куперовские пары). Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решёткии приводящее к притяжению электронов.В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон,движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки,переводит её в возбуждённое состояние.

При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты - фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов противоположно направлены.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов (куперовских пар). Оценка показывает, что электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка ста периодов кристаллической решётки.

Вся электронная система сверхпроводника представляет собой сплочённоеобразование, простирающееся на громадные по атомным масштабам расстояния.Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) сохраняет обычные свойства.

Если же при температуре ТС силы притяжения преобладают над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводникеявляется невозможность обмена энергией между электронами и решёткой малыми порциями,меньшими, чем определённая величина энергии. Это означает, что при движении электронов вкристаллической решётке не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях.

А это и означает отсутствие электрического сопротивления.Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определённой энергии. При температуре Т = ТС происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и состояние сверхпроводимостиисчезает.Следствием существования куперовских пар является квантование магнитного потока:минимальная величина магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную замкнутым сверхпроводящим контуром, может принимать только дискретные значения (квантуется).

Характеристики

Список файлов лекций