Сверхпроводники

В 1908 году голландский ученый Камерлинг-Оннес добился сжижения гелия при этом стала на практике доступна температура около абсолютного нуля. Исследуя электрические свойства ртути в области низких температур, исследователь обнаружил, что при температуре 4,12 К (по современным данным 4,15 К) ее сопротивление резко уменьшается практически до нуля. При дальнейших исследованиях оказалось, что подобным образом ведут себя некоторые металлы.

Явление сверхпроводимости, высокотемпературная сверхпроводимость

Температуру, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).

Сейчас известно, что явление сверхпроводимости можно наблюдать у 27 элементов, 13 элементов переходят в состояние сверхпроводимости под действием давления. Некоторые сплавы могут быть сверхпроводниками, тогда как вещества, из которых они созданы, таковыми не являются.

Среди элементарных проводников (элементарными проводниками будем называть проводники, состоящие из химических элементов одного вида), самую низкую температуру имеет вольфрам: $T_k=0,015 K$, самую высокую нобий: $T_k=9,25 K$.

До 1986 года был найден сплав со сверхпроводящими свойствами, которые обнаруживались при температуре 23,2 К, устоялось мнение, что сверхпроводников с более высокой критической температурой нет. Но в 1986 году ученые И. Беднорц и К. Мюллер обнаружили явление сверхпроводимости у некоторых образцов керамики при температурах 32К и 40 К.

Явление резкого падения сопротивления материала при таких температурах было названо высокотемпературной проводимостью.

В 1987 году И. Беднорц и К Мюллер были удостоены Нобелевской премии за открытие сверхпроводимости при высоких температурах.

На сегодняшний день самой высокой критической температурой считают критическую температуру, равную 260 К.

Сверхпроводники при температурах ниже критических имеют сопротивления равные нулю для постоянного тока. Если токи переменные, то сопротивления сверхпроводников от нуля и выше. Чем выше частота изменяющегося тока, тем больше сопротивление сверхпроводника при температурах, менее критической.

Метод оценки сопротивления сверхпроводников

Достаточно точным методом численной оценки сопротивления сверхпроводящих материалов в состоянии сверхпроводимости считают создание тока индукции в кольце исследуемого сверхпроводника. При этом проводят следующие действия:

1. Кольцо из рассматриваемого вещества вносят в магнитное поле. При этом температура кольца выше критической.
2. Проводят охлаждение кольца в магнитном поле до температуры, которая меньше критической, вещество переходит в сверхпроводящее состояние.
3. Магнитное поле выключают, при этом в кольце возникает ток индукции.
4. Индукционный ток уменьшается, по скорости затухания судят о сопротивлении кольца. Если вещество находится в сверхпроводящем состоянии, то ток индукции будет фиксироваться длительное время. Регистрируя ток индукции (по величине создаваемого им магнитного поля), можно понять каков верхний предел сопротивления кольца.

Например, удельное сопротивление свинца в состоянии сверхпроводника менее $4\bullet 10^{-23}$ Ом см, что в $10^{17}$ меньше, чем сопротивление меди при комнатной температуре.

Сущность природы сверхпроводимости

Сверхпроводимость – это не свойство атомов. Экспериментально установлено:

• что серое олово - это полупроводник, тогда как белое олово – металл, имеющий критическую температуру: $T_k=3,72 K$;
• различные кристаллические модификации лантана обладают разными критическими температурами - $T_k=4,8 K$ для $\alpha - La$ и $T_k=5,95 K$ для $\beta - La$.

Из приведенных примеров следует, что существует зависимость сверхпроводящих свойств от кристаллической структуры вещества.

Отличные проводники, такие как:

• медь,
• золото,
• серебро

не имеют свойств сверхпроводников ни при каких температурах.

На этом основании можно сделать вывод о том, что сверхпроводимость проявляется у веществ, имеющих сильные взаимодействия электронов с кристаллической решеткой при обычных температурах (соответственно, эти вещества при обычных температурах имеют высокие сопротивления).

Явление сверхпроводимости было объяснено в микроскопической теории Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шрифера (теория БКШ).

Основой теории БКШ служит понимание тог, что электроны проводимости в кристаллах могут, как отталкиваться, так и притягиваться, в результате деформации кристаллической решетки.

Электрон пролетает между соседними ионами решетки со скоростью Ферми. Ионы получают импульс, который направлен нормально перемещению электрона. Под действием данного импульса происходит смещение ионов (рис.1), в «следе» электрона возникает избыточный положительный заряд. Данный заряд может притянуть другой электрон. Так, кроме отталкивания между электронами может возникнуть притяжение. Если сила притяжения становится больше силы отталкивания, то выгодным с энергетической точки зрения становится создание электронами пар. Такие пары электронов называют куперовскими.

Рисунок 1. Куперовская пара. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Куперовская пара обладает зарядом $q=-2e$, спином равным нулю. Она может рассматриваться как квазичастица, подчиняющаяся законам статистики Бозе – Эйнштейна.

Пространственное перекрытие большого количества куперовских пар ведет к согласованности в их движении при действии электрического поля. Эти пары получают один и тот же импульс и перемещаются как согласованный коллектив, с одной скоростью, в одном направлении. Эти пары, до их разрыва, не рассеиваются на фотонах и дефектах решетки, вследствие этого, сопротивление вещества равно нулю.

Увеличение числа куперовских пар способствует тому, что каждую пару сложнее разорвать, поскольку перекрытия волновых функций электронных пар увеличивает квантовый эффект соединения электронов.

Если температура вещества низкая, то энергии тепловых фотонов мало для того, чтобы пару разрушить. С ростом температуры вещества энергия фотонов увеличивается, они разрушают куперовские пары, материал перестает быть сверхпроводником.