Явление сверхпроводимости

Сверхпроводимость является одним из фундаментальных свойств вещества. Сверхпроводимость проявляется во многих металлах и сплавах при достаточно низких температурах. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние для разных чистых металлов лежат в пределах от 0,01 К (вольфрам) до 9,2К (ниобий). Изменение сопротивления проходит скачком в узком температурном интервале (10^-3 - 10^-4 К) и может падать более чем на 15 порядков и составлять 5×10^-18мкОм×м. Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Х. Каммерлингом-Оннесом в 1911г.

Явление сверхпроводимости возникает тогда, когда электроны притягиваются друг к другу. Это возможно только в среде, имеющей положительно заряженные ионы, электрическое поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением спинов объединяются в кулоновские пары, которые носят название куперовских пар. В возникновении куперовских пар играют роль фононы. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы. Один из электронов, взаимодействующий с решеткой, переводит ее в возбужденное состояние и изменяет свой импульс; второй электрон, также взаимодействующий с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. То есть, состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии - фононами. Обменное взаимодействие фононов и вызовет силы притяжения между электронами, которые превышают силы кулоновского отталкивания. Электрон, который движется среди положительных ионов, поляризует решетку, то есть притягивает к себе соседние ионы. Тогда возле траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, который движется следом за первым, будет притягиваться положительным зарядом, поэтому косвенно между электронами 1 и 2 возникнут силы притяжения (рис.4.9)

Куперовские пари слабо локализованы в пространстве и перекрывают тысячи электрических ячеек. Они беспрерывно возникают и распадаются. Это приводит к возникновению в энергетическом спектре сверхпроводника энергетической щели 2D (рис. 4.10).

Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Их количество приблизительно 10^-4 от общего числа электронов. Размер энергетической щели зависит от температуры, которая достигает максимума при абсолютном нуле и исчезает при температуре сверхпроводящего перехода (Т=Т_св). В обычных условиях удельное сопротивление металла обусловлено рассеиванием электронов на тепловых колебаниях решетки и примесях. Но при наличии энергетической щели, для перехода электронов из обычного состояния в возбужденное, нужна достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Поэтому куперовские пары не рассеиваются на дефектах структуры. Фактически движение всех куперовских пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, а “обтекает” дефекты решетки. Наличие примесей и дефектов решетки не уничтожает явление сверхпроводимости, а вызовет только расширение температурного интервала перехода из обычного состояния в сверхпроводящее.

Отсутствие рассеяния электронов при образовании куперовских пар обуславливает практически сколь угодно длительное существование возбужденного в сверхпроводящем контуре электрического тока. Для некоторых сверхпроводников расчетное время затухания составляет порядка 10⁵ лет.

Важной особенностью сверхпроводников является то, что внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в тонком слое (глубина проникновения поля оценивается в сотые и десятые доли мкм). Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник (эффект Мейсснера). То есть сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью, равной нулю. Из магнитного поля сверхпроводники выталкиваются. Но если напряженность магнитного поля превышает некоторое критическое значение Н_св, то состояние сверхпроводимости исчезнет (рис. 4.11).

По характеру перехода металла из обычного состояния в сверхпроводящее в зависимости от магнитного поля, проводники подразделяют на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. У сверхпроводников 1-го рода этот переход происходит скачком (рис. 4.11а), а у сверхпроводников 2-го рода - постепенно (рис. 4.11.б). Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т=Т_св она равняется нулю и возрастает до максимума при Т=0 К. Критическая напряженность для сверхпроводников 1-го рода достигает 10⁵ А/м, а 2-го рода - 10⁷ А/м. Сверхпроводимость может быть нарушена не только внешним магнитным полем, но и током, если его плотность превышает критическое значение. В сверхпроводниках 2-го рода он достигает 2^.10⁹ А/м².

Сверхпроводниковые материалы. При низких температурах сверхпроводимость имеют 26 металлов, но для большинства из них Т_св < 4,2 К. Например, ванадий 5,13 К, индий 3,405 К, ниобий 9,2 К, свинец 7,2 К. Все металлы являются сверхпроводниками 1-го рода, а металлические сплавы - сверхпроводниками 2-го рода. Последние имеют более высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Например, V₃Ga - 14,8 К; Nb₃Ga - 20,3 К, Nb₃Sn - 21-24,3 К. Как можно видеть температура перехода низкая, ниже температуры жидкого водорода 22 К. Это ограничивает использование сверхпроводников. Но в 1987 году явление сверхпроводимости было открыто в керамических материалах состава La_1,8Sr_0,2CuO₄ . Температура перехода в сверхпроводящее состояние таких материалов достигает 100-110 К, тогда как температура жидкого азота - 77 К. Это значительно облегчает использование сверхпроводников. Высокотемпературное явление сверхпроводимости в настоящее время полностью не объяснено.

Одной из важнейших областей использования сверхпроводников является получение сверхмощных магнитных полей. Сверхпроводниковые соленоиды дают возможность образовывать однородные магнитные поля напряженностью более 10⁷ А/м в довольно большом объеме, тогда как обычные соленоиды максимум 10⁵ А/м. Кроме того, такие сверхпроводниковые соленоиды не требуют значительного тока. Магнитные поля такой напряженности необходимы для удержания плазмы в термоядерных реакторах, у синхрофазотронных, индукционных накопителях энергии, в электрических машинах, трансформаторах. Перспективным является использование сверхпроводников для передачи электроэнергии как на постоянном, так и переменном токе. В радиотехнике их используют как объемные резонаторы, которые имеют высокую добротность. Магнитные свойства сверхпроводников используют для создания “магнитных подушек”. Сверхпроводники используют как ячейки памяти в ЭВМ, так называемые криотроны.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости резко облегчает использование сверхпроводников.