14 Причината за електрическото съпротивление е свръхпроводимостта. Анализирани са кратък преглед на теориите за свръхпроводимостта и проблемите на високотемпературната свръхпроводимост
Под определена температура някои вещества губят способността си да блокират преминаването на електрически ток. Електрическото им съпротивление става нула. Това свойство се нарича свръхпроводимост.
Откриване на свръхпроводимостта
Феноменът свръхпроводимост е открит през 1911 г. Холандският физик Хайке Камерлинг Оннес , изследвайки зависимостта на електрическото съпротивление на металите от температурата. Той започва да се интересува от ултраниските температури още през 1893 г. А през 1908 г. успява да получи течен хелий. Докато го използва за охлаждане на метален живак, той с изненада открива, че при температура, близка до абсолютната нула, електрическото съпротивление на живака рязко пада до нула.
Според физическите теории, които съществуват по това време, с намаляване на температурата съпротивлението трябва постепенно да пада. Но имаше и гледна точка, че при много ниска температура движението на електроните ще спре, съпротивлението ще се увеличи и веществото ще спре да провежда електрически ток изобщо.
В началото на експеримента всичко се случи според теорията. С понижаването на температурата съпротивлението на живака постепенно намалява. Но когато температурата падна до 4,15 K, живакът внезапно загуби напълно съпротивлението си. Тя се премести в напълно ново състояние, което се наричаше свръхпроводимост .
Природата на свръхпроводимостта
Какво се случва в металите, когато температурата им спадне до стойности, близки до абсолютната нула?
Всеки атом се състои от ядро, което е положително заредено, и електрони, които имат отрицателен заряд. Електроните се въртят около ядрото по орбити. Колкото по-близо е орбитата до ядрото, толкова по-силно електронът се привлича към него. Електроните, разположени във външната орбита, се наричат валентни електрони. Те лесно се отделят от ядрото, напускат орбитата си и се движат свободно в кристалната решетка. Под влияние на външни електрическо поледвижението им става подредено, започват да се движат в една посока. В метала възниква електрически ток. Въпреки това, по пътя на електроните възникват препятствия под формата на възли на кристална решетка, техните дефекти или атоми на примеси, които присъстват в веществото. Следователно възниква електрическо съпротивление на тока. С понижаването на температурата нарушенията в структурата на решетката, свързани с топлинните вибрации на атомите, намаляват. Структурата става по-правилна. Следователно съпротивлението също намалява.
Обяснение за свръхпроводимостта на микроскопично ниво е дадено в теория, наречена BCS в чест на своите създатели - Американските физици Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Шрифър . Базира се на Купър двойки електрони .
Леон Нийл Купър
При нормални условия електроните са фермиони, частици с полуцяло спин, имащи стойност -1/2 или +1/2. Всеки фермион се описва от собствена вълнова функция. Те също се движат сами и самостоятелно преодоляват препятствията по пътя си. Но при определени условия те образуват двойки. Електрони със стойности на въртене +1/2 и -1/2 се комбинират и образуват обвързано състояниекоето се нарича Купър двойка . Тази двойка има нулево въртене и двоен заряд на електрона. И тъй като общият му спин е нула, тогава той има свойствата на бозон. Бозоните образуват „Бозов кондензат“, към който се присъединяват всички свободни бозони. Те се превръщат в едно цяло, способно да се движи, без да реагира на никакви препятствия по пътя си. Така възниква свръхпроводящ ток.
Критична температура
Оказа се, че не само живакът има свръхпроводимост при температури, близки до абсолютната нула. Това свойство е открито в олово, калай, талий, уран и други метали. Свръхпроводимостта се появява внезапно, когато дадено вещество се охлади до определена температура. температура T s , при който възниква този скок се нарича критичен. Всеки елемент, който има свръхпроводимост, има своя собствена. Например ниобият преминава в свръхпроводящо състояние при 9 К, а волфрамът при 0,012 К.
Не само чистите метали, но и някои сплави имат свръхпроводимост. Например сплав от живак със злато и калай. Има дори свръхпроводящи сплави, в които един от елементите, включени в състава му, може да не е свръхпроводник.
Ако свръхпроводящ пръстен се охлади до критична температура и в него се възбуди електрически ток, той ще тече дори след отстраняване на източника на ток и докато температурата в пръстена се поддържа под критичната. Но това се случва само в електрическото поле на постоянен електрически ток. В променливо електрическо поле съпротивлението на свръхпроводника се увеличава, ако честотата на променливия ток се увеличи.
През 1983 - 1986г са създадени нови свръхпроводници. Това са свръхпроводящи керамики, свръхпроводници на основата на желязо и др. Свръхпроводимостта в тях възниква при температури значително над температурата на абсолютната нула. През 1993 г. е открито вещество, чиято критична температура е 135 К.
Ефект на Майснер
През 1933 г. немският физик Валтер Фриц Майснер, заедно с друг немски физик Робърт Оксенфелд, откриват друго невероятно и важно свойство на свръхпроводниците - изтласквайки магнитното поле извън неговия обем. Това явление се наричаше Ефект на Майснер .
Валтер Фриц Майснер
Ефектът на Майснер е ясно демонстриран от експеримент, проведен през 1945 г. Руският физик Владимир Константинович Аркадиев.
В този експеримент постоянен магнит, поставен близо до чаша, направена от свръхпроводящ метал, е окачен в пространството над него. Ниската температура на чашата се поддържа благодарение на това, че краката й са потопени в течен хелий. Но защо магнитът не е привлечен от чашата? Факт е, че незатихващият ток вътре в свръхпроводника създава магнитно поле, чиято посока е противоположна на посоката на външното магнитно поле, създадено от магнита. Това поле балансира и отблъсква външното поле, карайки магнита да изглежда като плаващ в пространството. Това явление се нарича магнитна левитация.
Ако поставите свръхпроводник в магнитно поле и увеличите силата на това поле, тогава кога определена стойностнапрежение равно на N s , свръхпроводимостта изчезва. Такова магнитно поле се нарича критично поле. Когато напрежението е по-високо N s свръхпроводникът става обикновен проводник. Колкото по-ниска е температурата на свръхпроводника, толкова по-голяма трябва да бъде силата на полето, която може да унищожи свръхпроводимостта.
В чистите свръхпроводници, състоящи се от едно вещество, магнитното поле ще бъде изтласкано, докато силата на магнитното поле достигне N s . Такива свръхпроводници се наричат Свръхпроводници тип I .
А за свръхпроводящите сплави има две такива стойности: N s1 И N s2 . Когато силата на външното магнитно поле достигне N s1 , това поле вече ще започне да прониква вътре в свръхпроводника. Но неговото електрическо съпротивление все още остава нула и се наблюдава явлението свръхпроводимост. И когато напрежението стане равно N s2 , свръхпроводимостта ще изчезне напълно. Такива свръхпроводници се наричат Свръхпроводници тип II .
Приложения на свръхпроводници
Откриването на свръхпроводимостта революционизира науката. Веднага се появиха много идеи за използване на това уникално явление в технологиите.
При ултраниски температури токът преминава през свръхпроводници практически без загуби. Поради това те се използват за създаване на различни кабели, превключващи устройства, електрически двигатели, турбогенератори, инструменти за измерване на температура, налягане и др. Те са идеални за създаване на електромагнити. С тяхна помощ се създава електромагнитно поле в скенер за магнитен резонанс. Това позволява на лекарите да получат висококачествени изображения на напречно сечение на тъканите на вътрешните органи на човек, въпреки че в действителност органът не е наранен.
В инсталации за термоядрен синтез, в големи ускорители елементарни частициизползвайте свръхпроводящи бобини.
Намотките на свръхпроводящите магнити, които създават силни магнитни полета, са направени от свръхпроводници тип II. Свръхпроводящите магнити са много по-икономични от конвенционалните феромагнетици.
През 2003 г. в Япония беше тестван маглев влак. Движението му се основава на използването на ефекта на Майснер (магнитна левитация). Електромагнитното поле на релсите се отблъсква от свръхпроводници, разположени в окачването на влака. И влакът сякаш прелита над релсите, без да ги докосва. Това му позволява да развива огромна скорост, сравнима със скоростта на самолет. Разбира се, такива влакове изискват специални релси. Но те изразходват десетки пъти по-малко енергия от самолетите. Подобни влакове са създадени в Германия, Китай и Южна Корея.
През 1911 г. холандският физик Х. Камерлинг-Онес открива явлението свръхпроводимост. Той измерва електрическото съпротивление на живака при ниски температури. Онес искаше да разбере колко ниско може да стане съпротивлението на дадено вещество срещу електрически ток, ако веществото се пречисти възможно най-много от примеси и „топлинният шум“ се намали възможно най-много, т.е. намалете температурата.
Резултатът от това изследване беше неочакван: при температури под 4,15 K съпротивлението изчезна почти моментално. Графика на това поведение на съпротивлението като функция от температурата е показана на фиг. 1.
Електрическият ток е движението на заредени частици. Още по това време се знае, че електрическият ток в твърдите тела е поток от електрони. Те са отрицателно заредени и много по-леки от атомите, изграждащи всяко вещество.
Всеки атом от своя страна се състои от положително заредено ядро и електрони, които взаимодействат с него и помежду си според закона на Кулон. Всеки атомен електрон заема определена „орбита“. Колкото по-близо е „орбитата“ до ядрото, толкова по-силно е привлечен електронът от него, толкова повече енергия е необходима, за да се откъсне такъв електрон от ядрото. Напротив, най-външните от ядрото електрони се откъсват най-лесно от него, въпреки че и това изисква енергия.
Външните електрони се наричат валентни електрони. Във вещества, наречени метали, те всъщност се отделят от атомите, когато се комбинират, за да образуват твърдо вещество и образуват газ от почти свободни електрони. Това е проста, красива и често правилна физическа картина: парче материя е като съд, в който има „газ“ от електрони (фиг. 2).
Ако създадем електрическо поле - приложим напрежение към изследваното парче вещество, в електронния газ ще се появи вятър, сякаш под въздействието на разлика в налягането. Този вятър е електрически ток.
Метали
Не всички вещества провеждат добре електричество. В диелектриците валентните електрони остават „свързани“ с техните атоми и не е толкова лесно да ги накарате да се движат през цялата проба.
Доста трудно е да се обясни защо някои вещества се оказват метали, докато други са диелектрици. Зависи от какви атоми са направени и как са подредени тези атоми. Понякога са възможни трансформации, когато разположението на атомите се промени, например под въздействието на налягане атомите се сближават и диелектрикът се превръща в метал.
През диелектриците не протича ток, но електроните също не се движат напълно свободно в металите. Те срещат атомните „ядра“, от които са се „откъснали“, и се разпръскват по тях. В този случай възниква триене или, както се казва, електрическият ток изпитва съпротивление.
При свръхпроводимостта съпротивлението изчезва и става равно на нула, т.е. движението на електроните става без триене. Междувременно опитът от нашето ежедневие показва, че изглежда, че такова движение е невъзможно.
Работата на физиците от десетилетия е насочена към разрешаването на това противоречие.
Откритото свойство е толкова необичайно, че се наричат метали, които имат съпротивление, за разлика от свръхпроводниците нормално.
Съпротива
Електрическото съпротивление на парче метал (например тел) се измерва в омове и се определя от размера и материала на пробата. Във формулата
Р = ρ × л / С
Р- устойчивост, л— дължина (размер на пробата в посоката, в която протича токът), С— напречно сечение на пробата. След като написахме такава формула, изглежда продължаваме да сравняваме електроните с газа: колкото по-широка и по-къса е тръбата, толкова по-лесно е да издухаме газ през нея.
Стойност ρ — съпротивление, характеризиращо свойствата на материала, от който е направена пробата.
За чиста мед при стайна температура ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.
Медта е един от металите с най-висока проводимост и се използва широко за производство електрически проводници. Някои други метали провеждат по-малко електричество при стайна температура:
За сравнение представяме съпротивленията на някои диелектрици, също и при стайна температура:
Когато температурата падне TСъпротивлението на медта постепенно намалява и при температура от няколко келвина е 10 -9 Ohm cm, но медта не става свръхпроводник. А алуминият, оловото, живакът преминават в свръхпроводящо състояние и експериментите, проведени с тях, показват, че съпротивлението на свръхпроводника във всеки случай не надвишава 10 -23 Ohm cm - сто трилиона пъти по-малко от това на медта!
Остатъчно съпротивление
Съпротивлението на метала зависи от температурата. Условна графика ρ( T), да речем, за мед, виждате на фиг. 3. Колкото по-висока е температурата, толкова по-голямо е съпротивлението, толкова повече атомните „ядра“, които изграждат метала, вибрират и толкова по-голяма е намесата, която създават за електрическия ток. Ако, напротив, доближим температурата до абсолютната нула, съпротивлението на пробата ще „клони“ към ρ 0 - остатъчното съпротивление. Остатъчното съпротивление зависи от съвършенството и състава на пробата. Във всяко вещество има чужди примесни атоми, както и всякакви други дефекти. Колкото по-малко дефекти има в пробата, толкова по-ниско е остатъчното съпротивление. Именно тази зависимост интересува Оннес през 1911 г. Той изобщо не търсеше „свръхпроводимост“, а се опитваше да разбере колко малко може да се направи остатъчното съпротивление чрез пречистване на пробата. Той провежда експерименти с живак, тъй като по това време живакът може да бъде доведен до по-висока степен на чистота от платината, златото или медта (тези метали са по-добри проводници от живака и Онес ги изучава преди откриването на свръхпроводимостта. Нито златото, нито платината, нито медта е „свръхпроводяща“).
Критична температура
Свръхпроводимостта възниква внезапно с понижаване на температурата. температура T c, при достигане на което се получава скок, се нарича критичен. Внимателен проучване показваче такъв преход се наблюдава в определен температурен диапазон (фиг. 4). Триенето на движещи се електрони изчезва независимо от „чистотата“ на пробата, но колкото „по-чиста“ е пробата, толкова по-рязък е скокът в съпротивлението; ширината му в „най-чистите“ проби е по-малка от стотна от градуса. В този случай се говори за „добри“ проби или свръхпроводници; в "лоши" проби ширината на прехода може да достигне десетки градуси. (Това, разбира се, се отнася за така наречените високотемпературни свръхпроводници, в които T c достига стотици келвини.)
Критичната температура е различна за всяко вещество. Тази температура и годината на откриване на свръхпроводимостта (по-точно годината на публикуване на статията за нея) са посочени на фиг. 5 за няколко чисти елемента. Ниобият има най-висок (при атмосферно налягане) критична температура на всички елементи периодичната таблицаД. И. Менделеев, въпреки че не надвишава 10 K.
Онес не само открива свръхпроводимостта на живака, калая и оловото, но и открива първите свръхпроводящи сплави - сплави на живак със злато и калай. Оттогава тази работа продължава, все повече и повече нови съединения са тествани за свръхпроводимост и класът на свръхпроводниците постепенно се разширява.
Ниски температури
Изследванията на свръхпроводимостта напредват много бавно. За да се наблюдава явлението, е било необходимо металите да се охладят до ниски температури, а това не е толкова лесно. Пробата трябва постоянно да се охлажда, за което се поставя в охлаждаща течност. Всички познати ни от ежедневния опит течности замръзват и се втвърдяват при ниски температури. Следователно е необходимо да се втечняват вещества, които условия на стаятаса газове. На фиг. Посочени са 6 температури на кипене T b и топене T m пет вещества (при атмосферно налягане).
Ако намалите температурата под T b , веществото се втечнява и по-долу Tм се втвърдява. (Хелият при атмосферно налягане остава течен до абсолютни нулеви температури.) Така че за нашите цели всяко от тези вещества може да се използва между Tбанда Tм. До 1986 г. максималната известна критична температура на свръхпроводимостта едва надвишава 20 K, така че при изучаване на свръхпроводимостта е невъзможно да се направи без течен хелий. Азотът също се използва широко като охладител. Азот и хелий се използват в последователни етапи на охлаждане. И двете вещества са неутрални и безопасни.
Втечняването на хелий само по себе си е много интересен и завладяващ проблем, с решението на който много физици са били ангажирани в началото на 19-ти и 20-ти век. Онес постига целта си през 1908 г. Специално за това той създава лаборатория в Лайден (Холандия). В продължение на 15 години лабораторията имаше монопол върху уникални изследвания в нов температурен диапазон. През 1923-1925г. Течен хелий се научиха да произвеждат в още две лаборатории в света – в Торонто и Берлин. В Съветския съюз такова оборудване се появява в началото на 30-те години на миналия век. в Харковския институт по физика и технологии.
След Втората световна война в много страни постепенно се развива цяла индустрия за снабдяване на лаборатории с течен хелий. Преди това всичко беше на "самообслужване". Техническите трудности и физическата сложност на явлението означават, че знанията за свръхпроводимостта се натрупват много бавно. Само 22 години след първото откритие е открито второто фундаментално свойство на свръхпроводниците.
Ефект на Майснер
Наблюдението му е съобщено от немските физици В. Майснер и Р. Оксенфелд през 1933 г.
Досега наричахме изчезването на електрическото съпротивление свръхпроводимост. Свръхпроводимостта обаче е по-сложна от простото отсъствие на съпротивление. Това също е определена реакция на външно магнитно поле. Ефектът на Майснер е, когато постоянно, не твърде силно магнитно поле се изтласква от свръхпроводяща проба. В дебелината на свръхпроводника магнитното поле е отслабено до нула; свръхпроводимостта и магнетизмът могат да бъдат наречени противоположни свойства.
При търсене на нови свръхпроводници се тестват и двете основни свойства на свръхпроводимостта:
- в свръхпроводник електрическото съпротивление изчезва;
- Магнитното поле се изтласква от свръхпроводника.
В някои случаи, в "мръсни" свръхпроводници, спадът на съпротивлението с температура може да бъде много по-продължителен, отколкото е показано на фиг. 1 за живак. В историята на изследванията многократно се е случвало физиците да приемат за свръхпроводимост спад на съпротивлението по някаква друга причина, например поради обикновено късо съединение.
За да се докаже съществуването на свръхпроводимост, е необходимо да се наблюдават проявленията на поне двете нейни основни свойства. Много впечатляващ експеримент, демонстриращ наличието на ефекта на Майснер, е представен на фиг. 7: Постоянен магнит се носи над свръхпроводяща чаша. За първи път такъв експеримент е извършен от съветския физик В. К. Аркадиев през 1945 г.
В свръхпроводник възникват токове, които тласкат магнитното поле, тяхното магнитно поле отблъсква постоянния магнит и компенсира теглото му. Важни са и стените на чашата, които притискат магнита към центъра. Над плоско дъно позицията на магнита е нестабилна; случайни удари ще го накарат да се премести настрани. Този плаващ магнит напомня легендите за левитацията. Най-известната легенда е за гробницата на религиозен пророк. Ковчегът, поставен в пещера, се носеше там във въздуха без никаква видима опора. Сега е невъзможно да се каже със сигурност дали подобни истории се основават на реални явления. Вече е технически възможно да се „сбъдне легендата“ с помощта на ефекта на Майснер.
Магнитно поле
Съвременната физика използва понятието поле, за да опише влиянието на едно тяло върху друго от разстояние, без пряк контакт. Да, чрез електромагнитно полеЗарядите и токовете си взаимодействат. Всеки, който е изучавал законите на електромагнитното поле, знае визуално изображение на полето - картина на неговите силови линии. Това изображение е използвано за първи път от английския физик М. Фарадей. За по-голяма яснота е полезно да си припомним друго изображение на поле, използвано от друг английски физик - Дж. С. Максуел.
Представете си, че полето е движеща се течност, като вода, течаща по посоките на линиите на полето. Нека се опитаме да опишем с негова помощ взаимодействието на зарядите според закона на Кулон. Нека има басейн, за простота, плосък и плитък, изгледът му отгоре е показан на фиг. 8. Има две дупки на дъното: през едната водата влиза в басейна (това е като положителен заряд), а през другата изтича (това е дренаж или отрицателен заряд). Водата, течаща в такъв басейн, представлява електрическото поле на два неподвижни заряда. Водата е прозрачна, а течението й е незабележимо за нас. Но нека въведем „тест положителен заряд“ в струите – топка на връв. Веднага ще усетим силата - течността носи топката със себе си.
Водата отнася топката далеч от източника - като зарядите се отблъскват. Топката е привлечена от дренаж или заряд с различен знак и силата между зарядите зависи от разстоянието между тях, както се изисква от закона на Кулон.
Токове и полета в свръхпроводници
За да разберете поведението на токовете и полетата в свръхпроводниците, трябва да запомните закона за магнитната индукция. Сега за нашите цели е по-полезно да му дадем по-обща формулировка, отколкото в училищен курс по физика. Законът за магнитната индукция всъщност говори за връзката между електрическите и магнитните полета. Ако си представим електромагнитното поле като течност, тогава връзката между електрическите и магнитните компоненти на полето може да бъде представена като връзката между спокойния (ламинарен) и вихровия флуиден поток. Всеки от тях може да съществува сам по себе си. Нека например имаме пред себе си спокоен широк поток – еднородно електрическо поле. Ако се опитате да промените това поле, т.е. Сякаш за забавяне или ускоряване на течността със сигурност ще се появят вихри - магнитно поле. Промяната в магнитното поле винаги води до появата на електрическо поле, а електрическото поле индуцира ток в проводяща верига, това е обичайното явление на магнитната индукция: промяната в магнитното поле индуцира ток. Това е този физичен закон, който работи във всички електроцентрали в света, като по един или друг начин причинява промени в магнитното поле в проводника. Полученото електрическо поле генерира ток, който протича в нашите домове и промишлени предприятия.
Но да се върнем към свръхпроводниците. Постоянният ток в свръхпроводника не изисква наличието на електрическо поле, а в равновесна ситуация електрическото поле в свръхпроводника е нула. Такова поле би ускорило електроните, но няма съпротивление или триене, което да балансира ускорението в свръхпроводниците. Произволно малко постоянно електрическо поле би довело до безкрайно увеличаване на тока, което е невъзможно. Електрическото поле възниква само в не-свръхпроводящи секции на веригата. Токът протича в свръхпроводниците без спад на напрежението.
Умствените разсъждения не разкриват нищо, което би могло да попречи на съществуването на магнитно поле в свръхпроводник. Въпреки това е ясно, че свръхпроводникът ще предотврати промяната на магнитното поле. Наистина, промяна в магнитното поле ще генерира ток, който ще създаде магнитно поле, което ще компенсира първоначалната промяна.
Така че всяка свръхпроводяща верига трябва да поддържа магнитното поле, преминаващо през нея. (Магнитният поток през контур е просто продукт на силата на магнитното поле и площта на контура.)
Същото трябва да се случи и в дебелината на свръхпроводника. Например, ако доближим магнит до свръхпроводящ образец, неговото магнитно поле не може да проникне в свръхпроводника. Всеки такъв „опит“ води до възникване на ток в свръхпроводника, чието магнитно поле компенсира външното поле. В резултат на това в дебелината на свръхпроводника няма магнитно поле и по повърхността протича точно токът, необходим за това. В дебелината на обикновен проводник, който се въвежда в магнитно поле, всичко се случва по абсолютно същия начин, но там има съпротивление и индуцираният ток затихва доста бързо, а енергията му се превръща в топлина поради триене. (Тази топлина е много лесно да се открие експериментално: доближете ръката си до работещ трансформатор и ще почувствате топлината, излъчвана от него.) В свръхпроводника няма съпротивление, токът не изчезва и не „пуска“ магнитното поле за произволен период от време. Описаната картина е точна и многократно потвърдена от опита.
Сега нека направим още един умствен експеримент. „Да вземем“ същото парче свръхпроводящо вещество, но при достатъчно висока температуракогато все още е в нормално състояние. Нека го поставим в магнитно поле и изчакаме, докато всичко се успокои, токовете изчезнат - веществото е проникнато от магнитен поток. Ще намалим температурата, изчаквайки субстанцията да премине в свръхпроводящо състояние. Изглежда, че понижаването на температурата не би трябвало да повлияе на модела на магнитното поле. Магнитният поток в свръхпроводника не трябва да се променя. Ако премахнете магнита - източникът на външно магнитно поле, тогава свръхпроводникът трябва да устои на това и на повърхността трябва да се появят свръхпроводящи токове, поддържащи магнитното поле вътре в веществото.
Това поведение обаче е напълно несъвместимо с това, което се наблюдава експериментално: ефектът на Майснер също ще се появи в този случай. Ако охладите нормален метал в магнитно поле, тогава, когато той премине в свръхпроводящо състояние, магнитното поле се изтласква от свръхпроводника. В същото време на повърхността му се появява непрекъснат ток, който осигурява нулево магнитно поле в дебелината на свръхпроводника. Описаната картина на свръхпроводящото състояние се наблюдава винаги, независимо от това как се извършва преходът към това състояние.
Разбира се, това описание е изключително идеализирано и ще го усложняваме с напредването на презентацията. Но сега си струва да споменем, че има два вида свръхпроводници, които реагират по различен начин на магнитно поле. Започнахме да говорим за свойствата на свръхпроводниците от първи тип, с откриването на които започна свръхпроводимостта. По-късно са открити свръхпроводници тип II с малко по-различни свойства. Основно свързани с тях практически приложениясвръхпроводимост.
Идеален диамагнетизъм
Изтласкването на магнитно поле е толкова изненадващо за физика, колкото и липсата на съпротивление. Факт е, че постоянното магнитно поле обикновено прониква навсякъде. Не се намесва от заземения метал, екраниращ електрическото поле. В повечето случаи границата на едно тяло за магнитно поле не е стена, която ограничава неговия „поток“, а по-скоро малка стъпка на дъното на басейн, която променя дълбочината и има лек ефект върху този „поток“. Силата на магнитното поле в дадено вещество се променя със стотни или хилядни от процента в сравнение със силата му навън (с изключение на магнитни вещества като желязо и други феромагнетици, където голямо вътрешно магнитно поле се добавя към външното). Във всички други вещества магнитното поле е или леко усилено - и такива вещества се наричат парамагнитни, или леко отслабено - такива вещества се наричат диамагнитни.
В свръхпроводниците магнитното поле е отслабено до нула, те са идеални диамагнитни материали.
Само екран от непрекъснато поддържани токове може да "не пропуска" магнитното поле. Свръхпроводникът сам създава такъв екран на повърхността си и го поддържа толкова дълго, колкото желае. Следователно ефектът на Майснер или идеалният диамагнетизъм на свръхпроводника е не по-малко изненадващ от неговата идеална проводимост.
На фиг. Фигура 9 грубо показва какво се случва с метална топка, когато температурата се промени Tи прилагане на магнитно поле з(линиите на магнитното поле са обозначени със стрелки, пробиващи или преминаващи около пробата). Метал в нормално състояние е маркиран със синьо; ако металът премине в състояние на свръхпроводимост, цветът се променя на зелено. За сравнение, на фиг. 9, Vпоказва как би се държал един идеален проводник (обозначен с буквите IC) - метал без ефекта на Майснер с нулево съпротивление (ако съществуваше). Това състояние е обозначено в червено.
Ориз. 9. Ефект на Майснер:
А- нормален проводник с ненулево съпротивление при всяка температура (1) се въвежда в магнитно поле. Според закона електромагнитна индукциявъзникват токове, които се противопоставят на проникването на магнитното поле в метала (2). Въпреки това, ако съпротивлението е различно от нула, те бързо се разпадат. Магнитното поле прониква в проба от нормален метал и е почти равномерно (3);
b- от нормално състояниепри температури над T c има два начина: Първи: когато температурата се понижи, пробата преминава в свръхпроводящо състояние, след което може да се приложи магнитно поле, което се изтласква от пробата. Второ: първо приложете магнитно поле, което прониква в пробата, и след това намалете температурата, след което полето ще бъде изтласкано навън по време на прехода. Изключването на магнитното поле дава същата картина;
V- ако нямаше ефект на Майснер, проводникът без съпротивление би се държал различно. При преминаване към състояние без съпротивление в магнитно поле, той ще поддържа магнитно поле и ще го запази дори когато външното магнитно поле бъде премахнато. Би било възможно да се демагнетизира такъв магнит само чрез повишаване на температурата. Това поведение обаче не е наблюдавано експериментално.
Малко история
В следващата глава ще говорим повече за невероятни свойствасвръхпроводници и бихме искали да завършим тази глава, като изброим най-важните работи, извършени от физиците по време на изучаването на свръхпроводимостта.
На първо място, това са вече споменатите открития на H. Kamerlingh Onnes (1911) и W. Meissner и R. Ochsenfeld (1933). Първото теоретично обяснение на поведението на свръхпроводник в магнитно поле е предложено в Англия (1935 г.) от германските физици Ф. Лондон и Г. Лондон, емигрирали от Германия. През 1950 г. Л. Д. Ландау и един от авторите на тази книга написаха статия, в която изградиха по-обща теория на свръхпроводимостта. Това описание се оказа удобно и се използва и до днес; нарича се теория на Гинзбург-Ландау или ψ теория на свръхпроводимостта.
Механизмът на явлението е открит през 1957 г. от американските физици J. Bardeen, L. Cooper и J. Schrieffer. Въз основа на главните букви на имената им, тази теория се нарича BCS теория, а самият механизъм (за него е от съществено значение двойното поведение на електроните) често се нарича „сдвояване на Купър“, тъй като идеята му е изобретена от Л. Купър. За развитието на физиката на свръхпроводимостта установяването на съществуването на два типа свръхпроводници - I и II тип - играе важна роля. Живакът и редица други свръхпроводници са тип I свръхпроводници. Свръхпроводниците тип II са предимно сплави от два или повече елемента. Работата на Л. В. Шубников и колегите му в Харков през 30-те години на миналия век изигра голяма роля в откриването на свръхпроводимостта от тип II. и А. А. Абрикосов през 50-те години.
Освен това откритията и изследванията през 50-те години на миналия век оказаха голямо влияние. съединения с относително високи критични температури, способни да издържат на много силни магнитни полета и да пропускат токове с висока плътност в свръхпроводящо състояние. Може би кулминацията на тези изследвания бяха експериментите на J. Künzler и неговите колеги (1960). Те демонстрираха, че Nb 3 Sn тел при T= 4,2 K в поле от 88 000 Oe (повече силно полепросто не е бил на тяхно разположение) преминава ток с плътност 100 хиляди A/cm 2 . Откритите по това време свръхпроводници все още работят в технически устройства. Такива материали сега се класифицират като специален клас свръхпроводници, които се наричат „твърди свръхпроводници“.
През 1962 г. английският физик Б. Джоузефсън теоретично прогнозира напълно необичайни явления, които трябва да се появят при контактите на свръхпроводниците. След това тези прогнози бяха напълно потвърдени, а самите явления бяха наречени слаба свръхпроводимост или ефекти на Джоузефсън и бързо намериха практическо приложение.
И накрая, статия (1986) от физици, работещи в Цюрих, швейцарецът А. Мюлер и германецът Г. Беднорц, отбеляза откриването на нов клас свръхпроводящи вещества - високотемпературни свръхпроводници - и даде тласък на лавина от нови изследвания в тази област.
Градусите на скалата на Келвин обикновено се означават с главна буква K; те са равни на обичайните градуси по Целзий, но се броят от абсолютната нула температура. По скалата на Целзий температурата на абсолютната нула е -273,16°C, така че споменатата температура от 4,15 K е равна на -269,01°C. По-нататък ще се опитаме да предоставим закръглени стойности.
Картината на появата на електрическо съпротивление, разбира се, е по-сложна и ще я разгледаме по-подробно по-късно.
Метод на „дестилация“, подобен на процеса на дестилиране на вода.
Свръхпроводимостта е физическо явление, което се състои в това, че в някои вещества, когато се охладят под определена (критична) температура Tt, съпротивлението на постоянен ток става нула. Феноменът на свръхпроводимостта е открит от холандския физик Kamerlingh Onnes (1911), който открива, че когато живакът се охлади до температура Tk lt; 4,2 K, неговото постояннотоково съпротивление рязко отива до нула. Към днешна дата свръхпроводимостта е открита в повече от 20 метала и редица сплави, включително сплави от вещества, които сами по себе си не са свръхпроводници."
Изследванията на свръхпроводниците разкриха редица интересни свойства. Смята се, че електрическият ток в свръхпроводника продължава да тече дори след изключване на напрежението. Магнит, падащ върху свръхпроводяща плоча, виси във въздуха и продължава да виси, докато свръхпроводящата плоча се охлади до температура под критичната температура. Свръхпроводимостта може да бъде унищожена от външно магнитно поле, а също и в случай, че през пробата преминава достатъчно голям ток.
Природата на явлението свръхпроводимост дълго време остава неясна. И едва през 1957 г. американските физици J. Bardeen, JI. Cooper" и J. Schrieffer създават теория, която е кръстена на началните букви на техните фамилни имена - BKS. За тази работа те получават Нобелова награда по физика за 1977 г. последните години BJL Ginzburg, A.A. допринесе за развитието на теорията за свръхпроводимостта. Абрикосов, Антъни Дж. Легет, които също получиха Нобелова награда за физика за 2003 г. за техния „пионерски принос към теорията на свръхпроводимостта и свръхфлуидността“.
Как съвременната теория обяснява явлението свръхпроводимост? Според законите квантова механикаТокът в проводник може да бъде незатихващ само ако всички носители на заряд се описват от една вълнова функция. Но това е възможно само ако тези носители принадлежат към класа на бозоните, т.е. всички те трябва
имаме цяло (включително нулево) завъртане. Бозоните са колективисти. Те се стремят да се обединят не само с най-близките си съседи, образувайки „Бозе кондензат“, но и да се присъединят към своите „свободни“ съседи от непосредственото обкръжение. Образува се „колективна частица“, която се състои от голям брой отделни бозони. Такава формация, движеща се като едно цяло през кристала, няма да реагира нито на микроскопични дефекти на решетката, нито на йони в нейните възли.
Ho електроните принадлежат към класа фермиони, тъй като имат спин S = 1/2 и неговата проекция може да има само две стойности: -1/2 и +1/2. Фермионите са индивидуалисти и всеки от тях, имайки своя вълнова функция, взаимодейства индивидуално с всички заобикалящи ги частици. Поради това те не могат да образуват "бозе кондензат". Теорията на BCS и следващите теории осигуряват „оправдание“ за възможността за комбиниране на електрони в двойки, въпреки отблъскването на Кулон един от друг.
През 1956 г. Л. Купър изказва хипотезата, че електроните, при определени условия, могат да се „слепят“ в двойки. В този случай завъртанията им трябва да са антипаралелни, т.е. Електроните със спинове -1/2 и +1/2 могат да се комбинират. Общото въртене на тази двойка ще бъде нула и тя се превръща в бозон. Такива двойки електрони се наричат „двойки на Купър“.
J. Bardeen предложи хипотеза, обясняваща природата на силите на привличане между електроните, когато те се комбинират в двойки Купър. Според тази хипотеза йоните, разположени в местата на кристалната решетка, са квантова система и в тази система има квазичастици, съответстващи на вибрациите на решетката, които се наричат фонони. Електроните, обменяйки фонони, изпитват привличане един към друг, чиято сила надвишава силата на отблъскването на Кулон.
Купъровите двойки имат краен размер от порядъка на 1(H-10-5 cm, а средното разстояние между електроните в метал е около 10-* cm (този парадокс е проява на квантовите свойства на материята). Защо не Не си ли пречат един на друг? Отговаряйки на този въпрос, един от авторите на теорията на BCS, Шрифер, за сравнение оприличава електроните в свръхпроводник на танцьори в съвременна дискотека: двама танцуват и въпреки че между тях има много други танцьори тях, те не губят връзка един с друг. В процеса на по-нататъшно изследване на явлението свръхпроводимост беше установено, че в допълнение към фона трябва да има друг механизъм за предаване на взаимодействието между електроните. Предполага се, че др. В веществото могат да съществуват видове квазичастици (плазмони, магнони и др.), които са носители на взаимодействие между електрони.
По този начин, при разработването на теорията за явлението свръхпроводимост, основните усилия на учените бяха насочени към разкриване на механизма на взаимодействие между електроните, когато те се комбинират в двойки Купър, в които се предполага, че основната роля се играе от различни видове квазичастици (фонони, плазмони, магнони). Но дали такива частици са реалност или мит? Невъзможно е да се докаже това експериментално, т.к квазичастиците не могат да съществуват извън тялото. Следователно опитът да се обясни феноменът на свръхпроводимостта с помощта на двойки Купър не може да се счита за успешен.
Съществуващите научни представи за електрическия ток като насочено, подредено движение на електрически токове по протежение на проводник, според нас, не ни позволяват да развием задоволителна теория, която обяснява механизма за проявяване на много свойства на свръхпроводниците. Една добра теория трябва да отговори на въпроси като защо живакът, калайът, оловото и талият проявяват свръхпроводимост, но добрите проводници на среброто, златото и медта не? Защо някои монокристални свръхпроводници имат съпротивление? Дали съпротивлението през слоя е десетки пъти по-голямо от съпротивлението по тях? Защо много свръхпроводници имат нормална температурасъпротивлението е десетки пъти по-високо от това на медта?
Но въпреки факта, че нещата не вървят добре с развитието на теорията за феномена на свръхпроводимостта, експериментаторите почти „сляпо“ са получили множество класове високотемпературни свръхпроводници (HTSC). Откриването през 1986 г. от физиците G. Bednorz и A. Müller (Швейцария) на клас метални оксиди с високи температури на преход в свръхпроводимост (Tic ~ 40 K) предизвика истински „свръхпроводящ” бум. Типични представители на свръхпроводящите сплави са съединенията на базата на лантан и итрий: La - Ba - Cu - O, Y - Ba - Cu - O. През следващите десет години изследвания температурата на свръхпроводящия преход при атмосферно налягане в някои сплави беше се повишава до 140 K. Таблица 5.8.1 показва някои съединения от три класа HTSC на базата на телур, бисмут и живак, създадени през този период.
Структурата на всички тези свръхпроводящи сплави съответства на така наречените слоести перовскити, характерна особеносткоето е редуване на елементарни клетки с фиксирани страни в техните слоеве. По-специално отбелязваме, че HTSC на базата на телур и бисмут не съдържат елементи, които сами по себе си са свръхпроводници.
И така, какво определя проявата на свръхпроводимост в металите и сплавите? Най-вероятно всички онези основни фактори, които влияят върху стойността на електрическото съпротивление на проводниците по време на нормална работа
температура: структура на електронните обвивки на атомите, форма на кристалната решетка, температура (фиг. 5.8.1).
Нека разгледаме явлението свръхпроводимост от гледна точка на етерната природа на електрическия ток. Електрическият ток е насочено вълнообразно движение на ефитони под въздействието на електрическо поле. Устойчивостта на движението на ефитоните се определя от два основни фактора: величината на междуатомните разстояния и силата на електромагнитното взаимодействие с ефитоните на междуатомното етерно пространство, които от своя страна зависят от формата на кристалната решетка на веществото. , електронната конфигурация на атомната обвивка и температурата.
Si п/п | Връзки (съкратено обозначаване) | Решетъчна форма (синония) | Елементарен размер. клетки, А | Tk |
аз | Te0a2CaCi2O7, (Te - 1212) | Тетрагонален | a = b = 3,86; с = 12,8 | 103 |
2 | TeBa2Ca2Cu309, (Te -1223) | Тетрагонален | a = b"3,85; c = 15,9 | 120 |
3 | Te2Ba2Ca2Cu3010, (Te - 2223) | Тетрагонален | а = 6 = 3,85; с = 35,9 | 125 |
4 | Bi2Sr2Ca2Cu3010, (Bi - 2223) | Ромбичен | а = 6 = 5,41; с = 37,1 | 110 |
5 | HgBa2CaCu206, (Hg -1212) | Тетрагонален | a = b = 3,86; c = 12,7 | 121 |
6 | HgBa2CaCu308, (Hg -1223) | Тетрагонален | a = b = 3,85; с = 15,9 | 133 |
7 | HgBa2Ca3Cu40ie, (Hg - 1234) | Тетрагонален | a = b = 3,85; с = 19,0 | 127 |
Таблица 5.8.1.
Свръхпроводимостта е свойство не на отделните атоми, а на целия им колектив, атомната структура на пробата. Възниква, когато междуатомните разстояния, поне по едно от направленията на кристалната решетка, позволяват на текущите ефитони да се движат свободно по нея и тяхното взаимодействие с ефитоните на междуатомното етерно поле трябва да бъде сведено до нула.
Междуатомните разстояния се определят от формата на кристалната решетка, структурните особености на електронните обвивки на атомите (видове атоми), както и от температурата. Най-голям „принос“ към стойността на междуатомните разстояния има формата на кристалната решетка. Това се доказва от слоестата структура на HTSCs, получени на базата на лантан, итрий, телур, бисмут и живак. Всички тези сплави имат тетрагонална или ромбична форма на кристална решетка. В първия елементарната клетка има вид на правилна тетраедрична призма с фиксирани страни (a = b ~ 3,85 A, c ~ 12,5 - 36 A), а във втория
рояк - правоъгълен паралелепипедс произволни страни.
В чистите метали явлението свръхпроводимост също много зависи от формата; решетки. По-специално, сивият калай е полупроводник, а белият калай е свръхпроводник, за който Tit =
= 3,72 K, а две кристални модификации на лантан имат различни стойности на Tk.
С намаляването на телесната температура амплитудата на вибрациите на ефитоните в електронните обвивки на атомите намалява, в резултат на което обемът на всеки атом намалява, а междуатомните разстояния в решетката, въпреки намаляването на размера на тялото като цяло, може да се увеличи. В същото време промяната в междуатомните разстояния по страните на елементарната клетка, особено в сплавите, се извършва по различен начин. Страната, където разстоянията между атомите са по-големи, ще расте в по-голяма степен. Това се обяснява с факта, че при по-малко разстояние между атомите силата на междуатомното взаимодействие винаги е по-силна и следователно съпротивлението срещу увеличаване на разстоянието между тях също ще бъде по-силно. На свой ред, увеличаването на междуатомните разстояния води до намаляване на плътността на ефитоните в междуатомното етерно поле.
Неравномерното изменение на междуатомните разстояния по различните повърхности на кристалната решетка с понижаване на температурата води до изместване на атомите от тяхното равновесно положение и промяна в периодичността на структурата на самата решетка. Рязка промяна във формата на кристалната решетка в дадено вещество очевидно възниква, когато температурата падне до Tt, равна на отрицателната точка на Кюри.
Бързата промяна във формата на кристалната решетка причинява такова увеличаване на междуатомните разстояния по отделните й повърхности, че плътността на междуатомното етерно поле в тях намалява до
тик размер. Освен това при ниски температури амплитудата на трептенията на ефитоните значително намалява. При такава плътност на междуатомното етерно поле и малка амплитуда на неговите колебания, под въздействието на насоченото движение на ефитоните, в него възникват своеобразни „счупвания“ под формата на ударна вълна, които позволяват на тока да се движи свободно през кристалната решетка, ако силата на електромагнитно взаимодействие на ефитоните на тока с ефитоните на междуатомното етерно поле се намали до нула. Големината на тази сила зависи както от електронната конфигурация на атомите, така и от температурата на свръхпроводника.
Както може да се види от таблица 5.8.2, всички свръхпроводници могат да бъдат групирани в две групи според електронната конфигурация на техните атоми. Първата група включва главно елементи от групи 3-5 на периодичната система, а втората включва елементи от групи 12-14.
Таблица 5.8.2
Общото правило за всички свръхпроводници е, че запълването на последния вътрешен слой завършва с електрони в състояние d (в пълен или непълен състав), т.е. техните електронни обвивки не съдържат електрони с fag състояния.
За свръхпроводниците от първата група характерна особеност на електронната конфигурация е, че във външния слой на електронната обвивка на атома има главно 2 електрона в s състояние (ниобият има I електрон), а в най-близкия вътрешен слой няма достатъчно 6-9 електрона, преди да се запълни напълно (при условие d). В този случай запълването на външния слой с електрони (в състояние s) започва, когато в предишния слой все още няма електрони в състояние d. Това означава, че в резултат на взаимодействието между електроните, енергията на един електрон в s състояние на външния слой се оказва по-малка от енергията на всеки електрон в d състояние на предходния слой, т.е. В свръхпроводниците от първата група енергията на електроните във външния слой се оказва незначителна. И все пак, магнитните моменти на два електрона, разположени във външния електронен слой на атома, под въздействието на силите на "въртене-въртене", са склонни да приемат противоположни посоки.
Бележки В таблицата не са посочени химичните елементи уран (92U 5 f3/6dl/7s2 - период 7, група 6) и иридий (77Ir 5d7/6s2 - период 6, група 9), които също са свръхпроводници. Данните за структурата на електронната обвивка съдържат атомния номер на елемента, символа на елемента и електронната конфигурация. И така, за лантан: 57 е атомният номер, La е символът на елемента, 5dl/6s2 е електронната конфигурация (в 5-ия слой има един електрон в състояние d, а в 6-ия слой в състояние s са два електрона). Възможен брой електрони в обвивката по слоеве: в първия слой (от ядрото) - не повече от 2, във втория - не повече от 8, в третия - не повече от 18, в четвъртия - не повече от 32, в петия - не повече от 18 (при Z lt; 89 или не повече от 32 при Z gt; 89), в шестия - не повече от 8, в седмия - не повече от 2. Всеки електронен слой на атомът се запълва последователно с електрони в състояния s, p, d, f, g. Максималният възможен брой електрони във всяко състояние: s - 2, p - 6, d - 10, f - 14, g - 18
При такава ориентация на магнитните моменти на електроните, техният общ магнитен момент става равен на нула, т.е. електроните имат минимално влияние върху ориентацията по магнитния компонент на ефитоните на междуатомното етерно поле.
В свръхпроводниците от втората група запълването на последния вътрешен електронен слой от атоми завършва с пълния състав на електроните в състояние d (d = 10), а външният електронен слой съдържа 1, 2 или 3 електрона. Това означава, че тъй като вътрешните слоеве на електронните обвивки на атомите във всеки слой съдържат четен брой електрони, общият им магнитен момент трябва да е нула. Ако във външния слой има два електрона, тогава общият им магнитен момент също е нула, т.е. в този случай атомът като цяло е магнитно неутрален. Ако има нечетен брой електрони във външния слой (I или 3), магнитният момент на един от електроните няма да бъде компенсиран и той може да упражни определено влияниевърху ориентацията по магнитния компонент на ефитоните на междуатомното етерно поле.
Тъй като атомите на свръхпроводниците от втората група винаги имат 10 електрона в последния вътрешен електронен слой, те "екранират" силите на привличане на Кулон между атомното ядро и външните електрони по-силно, отколкото в свръхпроводниците от първата група. Следователно нечетният електрон на външния слой може по-лесно да промени ориентацията на своя магнитен момент под въздействието на текущи ефитони.
По този начин възникването на явлението свръхпроводимост в металите и сплавите се влияе от следните основни фактори: структурата и формата на кристалната решетка на веществото, електронната конфигурация на атомните черупки и температурата. Влиянието на всички тези фактори върху проявата на свръхпроводимост е комплексно.
Когато температурата на свръхпроводника намалее до отрицателната точка на Кюри (-Tc), бърза промянаформата на кристалната решетка и намаляване на амплитудата на колебанията на междуатомното етерно поле, което води до рязко увеличаване на междуатомните интервали по отделните повърхности на решетката, намаляване на плътността на междуатомното етерно поле и неговата енергия. Големите междуатомни интервали и ниската енергия на междуатомното етерно поле водят до факта, че в това поле, под въздействието на насоченото движение на текущите ефитони, възникват своеобразни „счупвания“ под формата на ударна вълна, които му позволяват да се движи безпрепятствено по кристалната решетка. Това се улеснява от електронните конфигурации на обвивките на свръхпроводниковите атоми, електроните на външните слоеве на които практически не влияят върху ориентацията на ефитоните на междуатомното етерно поле, което намалява силата на електромагнитното взаимодействие на ефитоните на това поле с текущите ефитони до нула. Takrv възможен механизъмвъзникване на явлението свръхпроводимост.
Нека разгледаме механизма на проявление на основните свойства на свръхпроводниците от гледна точка на етерната природа на електрическия ток. Смята се, че електрическият ток в свръхпроводника продължава да тече дори след изключване на напрежението. Това твърдение се основава на опита на Kamerlingh Onnes (1911).
Затворен проводник от чист твърд живак беше поставен между полюсите на електромагнит. Когато токът в намотката на електромагнита беше изключен, в проводника възникна индуциран ток, който при нормални условия бързо изчезна. Когато проводникът беше охладен с течен хелий до температура под 4,21 K, съпротивлението му рязко намаля и индукционният ток продължи да тече през проводника в продължение на много часове без забележимо отслабване. Подобен експеримент е проведен през 1959 г. 2,5 години след началото на експеримента не е установено намаляване на тока, протичащ през пръстена.
Протичането на ток през проводник при липса на електрическо напрежение (потенциална разлика), дори и при нулево съпротивление на проводника, противоречи на законите на природата и здравия разум, особено след като нулевото съпротивление на проводника не може да бъде постигнато с никакви средства или средства . Докладите за експерименти с живак не показват как е измерен токът в свръхпроводника. Но това не може да бъде метод за пряко измерване, а най-вероятно се основава на измерване на големината на силата на магнитното поле около проводника, от който, използвайки закона на Био-Савар, се определя величината на тока. Ако това е така, тогава от гледна точка на етерната природа на тока ефектът от непрекъснат поток на ток в свръхпроводник без забележимо отслабване и при липса на напрежение се обяснява по следния начин.
Токът е насочено постъпателно движение на ориентирани по определен начин ефирни частици – ефитони. При токовите ефитони посоката на електрическия компонент винаги съвпада с посоката на тока, а магнитният компонент е перпендикулярен на електрическия. Токът тече от района висока концентрацияефитони (от плюс) към област с по-ниска концентрация (към минус) по междуатомното етерно поле. Настоящите ефитони, бидейки бозони, „принуждават“ ефитоните от околното пространство да координират посоките на своите магнитни компоненти със своите собствени. Това създава магнитно поле около проводника. Плътността на ефитоните в проводника се определя от силата на тока, протичащ през проводника. Когато захранването е изключено, плътността на ефитоните се изравнява в целия проводник, като се запазва тяхната ориентация. Съответно се запазва и ориентацията на ефитоните на околното пространство, т.е. магнитното поле около проводника се поддържа. И ако количеството ток в свръхпроводника се измерва чрез силата на магнитното поле около него, тогава това създава фалшива картина за наличието на ток в него. Запазването на магнитното поле около свръхпроводника след изключване на тока в него обяснява следното му интересно свойство. Магнит, падащ върху свръхпроводяща плоча, виси във въздуха и продължава да виси, докато свръхпроводящата плоча се охлади до температура под критичната температура. Докато магнитът пада, неговото магнитно поле възбужда пръстеновиден ток в плочата, чието магнитно поле отблъсква магнита. След като магнитът виси, електрическият ток избледнява, но магнитното поле около плочата остава и продължава да държи магнита окачен. Свръхпроводимостта може да бъде разрушена в случаите, когато през пробата преминава достатъчно голям ток, както и чрез външно магнитно поле.
Една от характеристиките на свръхпроводника е максималният ток Imajf, който може да тече през него без забележимо съпротивление. И ако токът I надвишава стойността Imai, тогава свръхпроводимостта се унищожава. Това се обяснява с факта, че междуатомните разстояния на даден свръхпроводник и съответно „пропуските“ в междуатомното етерно поле не са в състояние да осигурят безпрепятственото протичане на такъв ток. Както през малка дупка е невъзможно без съпротивление да се прокара голям воден поток, така през малките „процепи” в междуатомното етерно поле протича голям поток от ефитони. Когато аз gt; Imax, възникват вихри, ориентацията и посоката на движение на ефитоните се нарушават, което води до увеличаване на тяхното взаимодействие с етерните полета на атомите и съответно до появата на съпротивление срещу протичането на ток.
В резултат на това свръхпроводникът преминава в състояние на обикновен проводник.
Според съществуващите представи за природата на електромагнетизма, в свръхпроводник, поставен в не много силно магнитно поле, това поле трябва да се запази. Освен това, той трябва да продължи дори след като магнитното поле е изключено, тъй като трябва да се поддържа от токовете, индуцирани в свръхпроводника. Резултатите от изследванията обаче показват, че нищо подобно не се наблюдава.
Магнитното поле е ефирно поле, в което ефитоните са ориентирани по протежение на магнитния компонент. Ориентационният вектор на ефитоните се определя от посоката на полето и големината на неговия интензитет. Когато две полета взаимодействат в полученото поле, ориентацията на ефитоните ще бъде равна на сумата от векторите на ориентация на ефитоните на тези полета. И ако в свръхпроводник, поставен във външно магнитно поле, това поле не се запазва, тогава неговият интензитет е толкова нисък, че не оказва забележимо влияние върху ориентацията на текущите ефитони, т.е. външното магнитно поле е, така да се каже, "избутано" извън свръхпроводника. И само на повърхността на свръхпроводника се появява малък слой, в който се наблюдава полученото магнитно поле, екраниращо свръхпроводника. Този слой се нарича дълбочина на проникване и дебелината му е приблизително 10-5-10-6 см. Ако увеличите стойността на магнита
ционно поле, тогава когато се достигне определена сила, свойството свръхпроводимост на проводника внезапно се унищожава.
Разрушаването на свръхпроводимостта от външно магнитно поле възниква, когато силата на това поле B започне да надвишава определена критична стойност на силата на магнитното поле Bxp, която зависи от температурата и геометричните размери на свръхпроводника. Колкото по-ниска е температурата и по-тънък е свръхпроводникът, толкова по-висок е Bxp.Когато се достигне B = Bxp, свръхпроводникът преминава в състояние с нормална проводимост.
Строго погледнато, това е напълно вярно само за чисти свръхпроводници, състоящи се от един метал, като живак, дума и олово. Такива свръхпроводници се наричат свръхпроводници Ipoda.
За свръхпроводници от тип II, състоящи се от сплави или метали с примеси, има две стойности на критичната стойност на силата на магнитното поле: долна Bxpii и горна B. При сила на външно магнитно поле B lt;
lt; Bispii свойствата на свръхпроводниците тип I и тип II са еднакви. Ако силата на външното магнитно поле е в рамките на Bxpt lt; В lt; Bxpii, тогава свръхпроводникът едновременно проявява както области на свръхпроводимост, така и области на обикновена проводимост (смесено състояние).
В това състояние свръхпроводникът е, така да се каже, „прободен“ от огромен брой нишки с нормална проводимост, които са насочени по протежение на полето и са подредени в правилния ред. В напречен разрез те образуват периодична структура, подобна на кристална решетка с триъгълни клетки (фиг. 5.8.2). Освен това всяка клетка има ядро, чийто диаметър е част от микрона. Свръхпроводимостта съществува само между нишките. Възможността за съществуване на нишки с обикновена проводимост (вихри на Абрикосов) в свръхпроводник се потвърждава от резултатите от изследванията. За да направите това, краят на свръхпроводника се поръсва с най-фин феромагнитен прах. Неговите частици се събират на места, където има магнитно поле, т.е. в изходните точки на нишките. Наблюденията в този край с помощта на електронен микроскоп показват, че нишките са подредени периодично, образувайки правилна решетка.
В B lt; Bkph, външното магнитно поле, чрез влиянието си върху настоящите ефитони, все още не е в състояние да окаже значително влияние върху тяхната ориентация. Следователно няма съпротивление на тока и свръхпроводимостта се поддържа в цялата област на проводника. Ho, когато Vkrglt; В lt; Bitpii, тогава външното магнитно поле става способно да влияе върху ориентацията на текущите ефитони по протежение на магнитния компонент в областта на тези лица на кристалната решетка, където междуатомните разстояния са минимални. От своя страна нарушенията в ориентацията на ефитоните водят до промяна в посоката на тяхното движение и частично разпръскване. Така възникват изолирани области на токово съпротивление, които са разположени по краищата на кристалната решетка на свръхпроводника с минимални междуатомни разстояния. Тези области образуват „нишки“ с нормална проводимост. Колкото по-силно е магнитното поле, толкова повече нишки се появяват в свръхпроводника.
Когато силата на външното магнитно поле започне да надвишава Bxpt, свръхпроводникът се превръща в обикновен проводник. Физическият смисъл на това явление е следният. Външно магнитно поле с интензитет V gt; Biipt вече е в състояние да повлияе със своето магнитно поле върху ориентацията на текущите ефитони по дължината на магнитния компонент в цялата област на свръхпроводника, което води до промяна в посоката на движение на ефитоните и тяхната частична дисперсия, т.е. до появата на резистентност. Откриването на класа HTSC показа, че свръхпроводимостта може да се прояви не непременно при температури, близки до абсолютната нула, но и при достатъчно високи температури. Може да се появи и в сплави, чиито компоненти сами по себе си не са добри проводници.
И така, от позицията на етерната природа на електромагнетизма и структурата на материята, наблюдаваната свръхпроводимост в металите и стоманите се определя от комбинираното действие на следните основни фактори: формата на кристалната решетка на веществото, структурните характеристики на електронните обвивки на атомите, температура и външни условия(външно магнитно поле).
Свръхпроводимост: история на откриването и същността на явлението.
История на откритието.
Основата за откриването на явлението свръхпроводимост беше разработването на технологии за охлаждане на материали до ултраниски температури. През 1877 г. френският инженер Луи Кайет и швейцарският физик Раул Пикте независимо един от друг охлаждат кислорода до течно състояние. През 1883 г. Зигмунт Врублевски и Карол Олшевски извършват втечняване на азот. През 1898 г. Джеймс Дюар успява да получи течен водород.
През 1893 г. холандският физик Хайке Камерлинг Оннес започва да изучава проблема с ултраниските температури. Той успява да създаде най-добрата криогенна лаборатория в света, в която на 10 юли 1908 г. получава течен хелий. По-късно той успя да доведе температурата му до 1 Келвин. Kamerlingh Onnes използва течен хелий за изследване на свойствата на металите, по-специално за измерване на зависимостта на тяхното електрическо съпротивление от температурата. Според класическите теории, съществували по това време, съпротивлението трябва постепенно да пада с намаляване на температурата, но също така имаше мнение, че при твърде ниски температури електроните практически спират и металът напълно спира да провежда ток. Експериментите, проведени от Kamerlingh Onnes с неговите помощници Cornelis Dorsman и Gilles Holst, първоначално потвърдиха заключението за плавно намаляване на съпротивлението. Но на 8 април 1911 г. той неочаквано открива, че при 3 Келвина (около −270 °C) електрическото съпротивление на живака е практически нула. Следващият експеримент, проведен на 11 май, показа, че рязък спад на съпротивлението до нула настъпва при температура от около 4,2 К (по-късно по-точни измервания показаха, че тази температура е 4,15 К). Този ефект е напълно неочакван и не може да се обясни със съществуващите тогава теории.
През 1912 г. са открити още два метала, които преминават в свръхпроводящо състояние при ниски температури: олово и калай. През януари 1914 г. беше показано, че свръхпроводимостта се унищожава от силно магнитно поле. През 1919 г. е открито, че талият и уранът също са свръхпроводници.
Нулевото съпротивление не е единствената отличителна черта на свръхпроводниците. Една от основните разлики между свръхпроводниците и идеалните проводници е ефектът на Майснер, открит от Валтер Майснер и Робърт Оксенфелд през 1933 г.
Първото теоретично обяснение на свръхпроводимостта е дадено през 1935 г. от Фриц и Хайнц Лондон. По-обща теория е изградена през 1950 г. от Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбург. Тя е широко разпространена и е известна като теорията на Гинзбург-Ландау. Тези теории обаче са феноменологични по природа и не разкриват подробните механизми на свръхпроводимостта. Свръхпроводимостта е обяснена за първи път на микроскопично ниво през 1957 г. в работата на американските физици Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Шрифър. Централният елемент на тяхната теория, наречена BCS теория, са така наречените двойки електрони на Купър.
По-късно беше открито, че свръхпроводниците се разделят на две големи групи: свръхпроводници от тип I (които по-специално включват живак) и тип II (които обикновено са сплави от различни метали). Работата на Л. В. Шубников през 30-те години на миналия век и А. А. Абрикосов през 50-те години на миналия век изигра значителна роля в откриването на свръхпроводимост от втори тип.
За практическа употреба в мощни електромагнити голямо значениеимаше откритието през 50-те години на миналия век на свръхпроводници, способни да издържат на силни магнитни полета и да пренасят висока плътност на тока. Така през 1960 г. под ръководството на J. Künzler е открит материалът Nb3Sn, проводник от който е способен да пропуска ток с плътност до 100 kA/cm² при температура 4,2 K, намирайки се в магнитен поле от 8,8 т.
През 1962 г. английският физик Браян Джоузефсън открива ефекта, който получава неговото име.
През 1986 г. Карл Мюлер и Георг Беднорц откриват нов тип свръхпроводници, наречени високотемпературни свръхпроводници. В началото на 1987 г. беше показано, че съединенията на лантан, стронций, мед и кислород (La-Sr-Cu-O) изпитват скок в проводимостта почти до нула при температура от 36 К. В началото на март 1987 г. беше получен свръхпроводник за първи път при температури над кипене на течен азот (77,4 K): беше открито, че съединението на итрий, барий, мед и кислород (Y-Ba-Cu-O) притежава това свойство. От 1 януари 2006 г. рекордът принадлежи на откритото през 2003 г. керамично съединение Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), чиято критична температура е 138 K. Освен това при налягане от 400 kbar, същото съединение е свръхпроводник при температури до 166 K.
През 2015 г. беше поставен нов рекорд за температурата, при която се постига свръхпроводимост. За H 2 S (сероводород) при налягане от 100 GPa беше записан свръхпроводящ преход при температура от 203 K (-70 ° C).
Концепцията за свръхпроводимост.
Свръхпроводимост- свойството на някои материали да имат строго нулево електрическо съпротивление (при постоянен ток), когато достигнат температура под определена стойност (критична температура)
Свръхпроводящото състояние възниква внезапно при температура, наречена температура на преход. Над тази температура металът или полупроводникът е в нормално състояние, а под нея – в свръхпроводящо състояние. Температурата на преход на дадено вещество се определя от връзката между две „противоположни сили“: едната се стреми да подреди електроните, а другата се стреми да разруши този ред. Физиците наричат свръхпроводящото състояние макроскопично квантово механично състояние. Квантовата механика, която обикновено се използва за описание на поведението на материята в микроскопичен мащаб, тук се прилага в макроскопичен мащаб. Именно фактът, че тук квантовата механика ни позволява да обясним макроскопичните свойства на материята, прави свръхпроводимостта толкова интересен феномен.
Класификация.
Има няколко критерия за класифициране на свръхпроводниците. Ето основните от тях:
Според реакцията им към магнитно поле: те могат да бъдат тип I, което означава, че имат едно значениемагнитно поле, Hc, над което те губят свръхпроводимост. Или тип II, което предполага наличието на две критични стойности на магнитното поле, H c1 и H c2,. Когато се прилага магнитно поле в този диапазон, то частично прониква в свръхпроводника, като същевременно запазва свръхпроводящите свойства.
Според тяхната критична температура: ниска температура, ако Tc< 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.
По материал: чист химичен елемент(като олово или живак, но не всички елементи достигат свръхпроводящо състояние в тяхната чиста форма), сплави (например NbTi), керамика (например YBCO, MgB 2), свръхпроводници на основата на желязо, органични свръхпроводници и др.
Основни свойства на свръхпроводниците
Нулево електрическо съпротивление.За постоянен електрически ток електрическото съпротивление на свръхпроводника е нула. Това беше демонстрирано в експеримент, при който в затворен свръхпроводник се индуцира електрически ток, който тече в него без затихване в продължение на 2,5 години (експериментът беше прекъснат от стачка на работници, доставящи криогенни течности).
Наличие на критични свойства:
Критично магнитно поле (критична индукция). Критичното магнитно поле е стойността на полето, над която свръхпроводникът е в нормалното си състояние. Критичните полета обикновено варират от няколко десетки гауса до няколкостотин хиляди гауса, в зависимост от свръхпроводника и неговото металофизично състояние. Критичното поле на даден свръхпроводник варира в зависимост от температурата, като намалява с нейното повишаване. При температурата на преход критичното поле е нула, а при абсолютната нула е максимално
Ориз. 2. СВЪРХПРОВОДИМОСТсе разрушава при силни магнитни полета и високи температури. Представена е фазовата диаграма магнитно поле – абсолютна температура за калай. При условия, съответстващи на точката А, калайът е в нормално, несвръхпроводимо състояние. Ако се охлади до точката IN, тогава става
свръхпроводящ.
Критичен ток. Критичният ток е максималният постоянен ток, който свръхпроводникът може да издържи, без да загуби свръхпроводящото си състояние. Подобно на критичното магнитно поле, критичният ток силно зависи от температурата, като намалява с нейното повишаване.
Критична температура.температура T c, при достигане на което се получава скок, се нарича критичен. Внимателно проучване показва, че такъв преход се наблюдава в определен температурен диапазон. Критичната температура е различна за всяко вещество.
Ориз. 3Тип "свръхпроводящ преход". Зависимост на съпротивлението от температурата на образец 1 (по-„чисти“) и 2 (по-„мръсен“). Критична температура T c означава средата на прехода, когато съпротивлението пада до половината от нормалната си стойност. Началото на есента - T c0, край - T ce
СВЪРХПРОВОДИМОСТ
2007 Лобачев В.В.*, Яржемски В.Г.*, Холмански А.С.**
Работата дава кратък преглед на теориите за свръхпроводимостта и анализира проблемите на високотемпературната свръхпроводимост.
ВЪВЕДЕНИЕ
Явлението свръхпроводимост (1911) е открито три години след получаването на течен хелий. При нормални наляганияхелият става течен при температура ~ 4,2 K. Холандският физик K. Kamerlingh-Onnes откри, че при такива ниски температури електрическото съпротивление на някои метали внезапно изчезва.
Металната проба се свързва към източник на напрежение и се охлажда с течен хелий. Спадът на напрежението в пробата, измерен с волтметър, стана нула, когато температурата падна под определена критична Tc. IN алтернативасвръхпроводящ пръстен е поставен в магнитно поле, перпендикулярно на неговата равнина. След изключване на магнитното поле в пръстена се възбужда индукционен ток. В обикновените метали този ток бързо отслабва. В свръхпроводника токът остава и тече неограничено дълго време. за дълго време. Понастоящем фините експерименти показват, че съпротивлението на свръхпроводника поне не е по-високо от . Тази стойност в
по-малко от съпротивлението на добър проводник - мед. Нека оценим времето на затихване на свръхпроводящия ток.
Ориз. 1. Връзка между B и T c.
По-късно беше открито, че свръхпроводящото състояние се унищожава не само когато температурата се повиши над определена Tk, но и при граничните стойности на магнитното поле и свръхпроводящия ток (Vk и Ik). На фиг. 1 показва приблизителна връзка между
.
СВЪРХПРОВОДНИК И ИДЕАЛЕН ПРОВОДНИК
Тъй като свръхпроводникът има съпротивление, много близко до нула, дълго време се смяташе, че свойствата на идеалния проводник (R = 0) и свръхпроводника са еднакви. Но се оказа, че това важи само за електрическото съпротивление. В магнитно поле се откриват разлики между съответните проби. Да вземем идеален проводник при температура по-ниска от Tc. Когато се въведе в магнитно поле, нулевият магнитен поток ще остане нула, тъй като в пробата възникват вихрови токове, за да компенсират увеличаването на външния магнитен поток (следователно магнитната индукция B = 0). Ако включите магнитното поле при температура над критичната температура, след това охладете пробата, тогава в този случай магнитното поле ще остане в идеалния проводник. Получените вихрови токове няма да му позволят да се промени.
В свръхпроводника, както Майснер и Оксенфелд откриват през 1933 г., магнитното поле винаги е нула. Ако проба от свръхпроводник се трансформира в свръхпроводящо състояние, тогава магнитното поле вътре в нея веднага става нула, независимо дали пробата е била във външно магнитно поле преди прехода или не.
Магнитното поле се изтласква от свръхпроводника. Оттук се прави заключението, че свръхпроводникът и идеалният проводник са фундаментално различни по природа.
ПРЕГЛЕД НА ТЕОРИИТЕ ЗА СВЪРХПРОВОДИМОСТТА
Първият опит за обяснение на свръхпроводимостта е теорията на братята Г. Лондон и Ф. Лондон (1935 г.). Получени са уравнения, които описват много от свойствата на свръхпроводниците. Предполага се, че електроните в свръхпроводника могат да се разглеждат под формата на две групи: свръхпроводящи и нормални електрони (модел с две течности).
При нула градуса всички електрони стават свръхпроводящи. С увеличаване на температурата, плътността на свръхпроводящите електрони намалява и отива до нула при T = Tc Свръхпроводящите електрони не изпитват съпротивление при движение. За такова движение не е необходимо електрическо поле - свръхпроводящите електрони се движат сякаш по инерция. При липса на електрическо поле нормалните електрони са в покой.
Свръхпроводникът не проявява съпротивление само когато токът е постоянен. В случай на променлив ток съпротивлението е различно от нула и колкото по-висока е честотата на променливия ток, толкова по-голямо е.
Магнитното поле не е нула в тънко повърхностно поле, чиято дебелина е дадена от
Гинзбург и Ландау приложиха феноменологичен подход към теорията на свръхпроводимостта, като взеха предвид квантуването на явлението и го описаха като фазов преход от втори ред. Фазовият преход от втори ред е преход без промяна агрегатно състояние. Променят се само симетрията на кристалната решетка и хода на температурната зависимост на физичните величини.
По-късно (1961) Дивър и Феърбанк експериментално откриват квантуването на магнитния поток, свързан със свръхпроводящ пръстен. Нека поставим пръстена в магнитно поле при T > T c . Да намалим температурата и да прехвърлим пръстена в свръхпроводящо състояние, след което да изключим магнитното поле. Съгласно закона на Фарадей-Ленц ще възникне индукционен ток, който ще предотврати промяната на магнитния поток. Тъй като съпротивлението на пръстена е нула, този ток няма да се разпадне. Освен това стойността на такъв „замръзнал магнитен поток“ не може да бъде произволна. И се изразява с формулата
, където n е цяло число.
В нормален проводник преминаването на ток се придружава от отделяне на топлина (закон на Джаул-Ленц). Тази топлина възниква от сблъсъка на електрони с кристалната решетка. Кинетичната енергия на електроните се преобразува в енергия на вибрациите на решетката (топлинна енергия).
Тогава същността на явлението свръхпроводимост може да се формулира по следния начин: при ниски температури кристалната решетка по някаква причина не може да получи енергия от движещи се електрони. Защо? За да разберем явлението свръхпроводимост, трябва да помним, че електроните и атомите в кристалите се подчиняват на законите на квантовата механика, според които енергията може да се пренася само на определени порции - кванти. Квантуват се както енергиите на свободните електрони в кристала, така и вибрациите на кристалната решетка. Квантовият характер на вибрациите на решетката се проявява, когато температурите се доближат до абсолютната нула. Решетката може да прехвърли на електрон само много специфична енергия - енергията на вибрационен квант. Тогава може да възникне свръхпроводимост, ако квантът на вибрационната енергия е по-малък от разстоянието между енергийните нива на електроните. В този случай един квант вибрация не би бил достатъчен, за да прехвърли електрона на друго енергийно ниво. Това обаче не е така – електроните в металите са почти свободни и разстоянието между нивата е незначително. Следователно дори при много ниски температури отделните електрони свободно обменят енергия с решетката.
Теоретично, проблемът със свръхпроводимостта в чистите метали е решен от Бардийн, Купър и Шрифер чрез създаване на теория, наречена BCS теория. Те предполагат, че електроните, поради взаимодействията с вибрациите на кристалната решетка, образуват двойки, наречени двойки на Купър. Свръхпроводящият ток е насоченото движение на двойки електрони, което възниква под въздействието на електрическо поле. Електроните обаче взаимодействат с вибрациите на решетката отделно. Следователно, за да се прехвърли енергия към двойка, вибрациите на решетката трябва първо да разрушат двойката и след това да пренесат енергия към един от електроните.
Двойките на Купър имат вътрешна симетрия, за да разберем която трябва да запомним някои принципи на квантовата механика. Електроните се подчиняват на принципа на Паули, т.е. В едно квантово състояние не може да има повече от един електрон. Поради принципа на Паули всички електрони в твърдо тяло не могат да имат нулеви моменти. Електронните импулси на проводимост последователно запълват обем в импулсното пространство, ограничено от повърхност, наречена повърхност на Ферми. На теория твърдоВместо импулс p, обичайно е да се използва вълнов вектор k, който е свързан с импулса чрез връзката:
Р = nk
Електроните имат още една, чисто квантова степен на свобода - спин. За визуална интерпретация въртенето е представено като въртене на електрона около неговата ос. Точно както има две посоки на въртене за произволно избрана ос на въртене, има две посоки на въртене нагоре и надолу. Следователно във всяка точка от импулсното пространство може да има два електрона със завъртания нагоре и надолу. Очевидно, поради принципа на Паули, електроните, разположени дълбоко в повърхността на Ферми, не могат да променят своя импулс с малко количество, т.к. всички близки нива са заети. В проводимостта участват само електрони, разположени близо до повърхността на Ферми. Когато се приложи поле, електроните близо до повърхността на Ферми променят своя импулс. Принципът на Паули не пречи на това, т.к съседните държави са свободни. Така възниква обикновеният ток в проводниците.
Сега трябва да разберем как може да възникне свръхпроводящ ток. От квантовата механика е известно, че при взаимодействие на два електрона възникват две енергийни нива: едното с енергия, по-голяма от сумата на енергиите на двете състояния, а другото с по-малка енергия. И една двойка електрони заема най-ниското енергийно ниво. Сега, преди да предадат импулса на електрона, вибрациите на решетката трябва да разрушат двойката и за това енергията на кванта от вибрации на решетката трябва да бъде по-голяма от енергията на свързване на двойката. По този начин BCS трябваше да намери типа взаимодействие между електроните и да определи структурата на двойката. Според теорията на BCS два електрона с противоположни моменти, лежащи на повърхността на Ферми, са свързани в двойка. Общият импулс на двойката е нула. Когато се приложи електрическо поле, импулсът на електроните в двойката се променя леко и центърът на масата на двойката започва да се движи в посока, обратна на посоката на вектора на интензитета. Електроните в двойка Купър в конвенционална двойка свръхпроводници имат противоположни завъртания. Такава двойка се нарича синглет. Енергията на двойката намалява поради взаимодействие с фонони (вибрации на решетката). Последното предположение се потвърждава от изотопния ефект. Атомите бяха заменени с изотопи - атоми със същия брой протони, но с различен атомна масаВ същото време температурата на прехода се промени. Тъй като енергията на вибрациите на решетката зависи от масата на атомите, от наличието на изотопния ефект се прави извод за природата на потенциала на привличане между електроните. Важно свойство на класическите BCS свръхпроводници също е изотропността (сферичната симетрия) на сдвояването на Купър. Всички електрони с определен импулс, независимо от посоката му, едновременно образуват двойки Купър при понижаване на температурата.
Нека сега формулираме основните свойства на свръхпроводниците, които следват от теорията на BCS:
Двойките Купър са синглети (завъртанията на електроните в двойката са насочени в противоположни посоки).
Свръхпроводящото състояние е сферично симетрично
Магнитните полета предотвратяват свръхпроводимостта.
Свръхпроводимостта се дължи на електрон-фононно взаимодействие.
Свръхпроводимостта се наблюдава в чистите метали.
Вихрушките на А.Б.Рикосов
За да се обясни механизмът на проникване на магнитно поле в повърхността на свръхпроводник тип II, концепцията за електронните вихри, разработена от А. А. Абрикосов и потвърдена експериментално, се оказа много плодотворна. В най-простия случай вихърът е тънка цилиндрична тръба (с радиус около 0,1 μm), през която магнитният поток може да проникне в свръхпроводника (фиг. 2). Магнитното поле се поддържа във вихъра от електрически токове, които протичат около оста на тръбата.
Фигура 2. Схема на смесеното състояние (фаза на Шубников). Магнитното поле и свръхпроводящите кръгови токове са показани на две вихрови нишки.
Вихърът е по същество дупка в свръхпроводник и магнитният поток, преминаващ през него, трябва да бъде квантован. Според решението на Абрикосов вихрите образуват правилна решетка, чиято структура в случай на смесено състояние е установена в експерименти по еластично разсейване на неутрони.
ПРОБЛЕМИ НА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНАТА СВЪРХПРОВОДИМОСТ
През 1986 г. се появи работата на Мюлер и Беднорц, в която беше открита свръхпроводимост в оксидите La 1.8 Ba 0.2 CuO 4 при необичайно високи температури T c = 100 K. Този нов тип свръхпроводимост беше наречен високотемпературен HTSC. Трябва да се отбележи, че работата, за която впоследствие беше дадена Нобелова награда, не беше публикувана в най-престижнитефизическото списание Physical Review, публикувано в САЩ, и в немското списание Zeitschrift Fur Fusik. Факт е, че авторите първоначално изпратиха статията на Physical Review, но рецензентите я отхвърлиха: защото свръхпроводимостта в оксидите и дори при такава висока температура не може да съществува! Подобна история се случи със същите тези съединения в СССР. Тези съединения са синтезирани от I. S. Shaplygin и V. B. Lazarev в Академията на науките на СССР през 1979 г. Авторите откриват необичайна температурна зависимост на проводимостта в тези съединения. Те не са тествали за свръхпроводимост при по-ниски температури, защото не са могли да приемат, че техните проби са свръхпроводими. Това го провериха едва след Мюлер и Беднорец!
Но още 2-3 години преди откриването на HTSC бяха получени свръхпроводници не с такъв рекорден Tc, но със също толкова необичайни свойства - така наречените свръхпроводници с тежки фермиони TFSC. Това са UPt 3, (T c =0,55 K) UBe 13 (T c =0,8 K) Sr 2 RuO 4 (T c =1,5 K), UPd 2 Al 3 (T c =2K), PrOs 4 Sb 12 (T c =1,85 К). HTSC и TFSC са обединени в една дума - необичайни свръхпроводници. Според приетата в момента дефиниция свръхпроводници са тези, чието свръхпроводящо състояние не е сферично симетрично, т.е. Няма сдвояване на Купър в някои точки и по линиите на повърхността на Ферми. Необичайните свръхпроводници се различават експериментално от обикновените по температурната зависимост на физическите величини. В конвенционалните свръхпроводници температурната зависимост на физичните величини като топлопроводимостта е експоненциална. В необичайните свръхпроводници температурната зависимост на физичните величини е степенна.
Друго важно свойство на свръхпроводящото състояние е неговата четност, т.е. как се променя вълновата функция на двойка под въздействието на пространствена инверсия I. В училищната геометрия се разглеждат централно симетрични фигури, които не се променят при смяна на знака на всички координати, и фигури, които нямат това свойство. В квантовата механика, ако кристалната структура е централно симетрична, тогава са възможни две състояния, характеризиращи се с действието на инверсия I върху вълновата функция Ψ(R). Дори състояние:
Странно състояние:
Според закона на квантовата механика, ако спиновете на електроните в една двойка са насочени противоположно (единична двойка), тогава вълновата функция е четна, а ако са еднакви (тройна двойка), тогава вълновата функция е нечетна. Експерименталните изследвания на нови типове свръхпроводници са открили, че в много от тях свръхпроводящото състояние има странна вълнова функция и спиновете на електроните в двойката са успоредни. Това ни позволи да направим извод за още един необичайно свойство: свръхпроводимостта в някои от тях (UBe 13 UPt 3 Sr 2 RuO 4, UPd 2 Al 3 PrOs 4 Sb 12) има триплетен характер, но в някои, например в HTSC, тя е синглетна.
Електрон-електронните взаимодействия винаги водят до факта, че поради взаимодействието на две едноелектронни състояния възникват две възможни многоелектронни състояния, едното с по-ниска енергия (основно), а другото с по-висока енергия (възбудено) и двата електрона заемат основно състояние. Типът взаимодействие определя кое състояние ще бъде основното - синглетно или триплетно. Въпреки факта, че през последните 20 години са създадени много теории и броят на публикациите е в хиляди, видовете взаимодействия, водещи до свръхпроводимост в необичайни свръхпроводници, все още не са надеждно известни. Известно е само, че в много TFSP взаимодействието на електрони в двойка е свързано с магнетизъм. Някои атоми в кристалите имат свои собствени магнитни моменти поради факта, че спиновете на атомните електрони са ориентирани успоредно. Моментите на съседните атоми могат да бъдат ориентирани успоредно - тази структура се нарича феромагнитна или антипаралелна - тази структура се нарича антиферомагнитна. В много необичайни свръхпроводници (например UBe 13, UPt 3) се наблюдава антиферомагнитен преход, когато температурата се понижи до приблизително 10 T c. Съвместното съществуване на антиферомагнитна структура и свръхпроводимост се наблюдава надеждно в UPd 2 Al 3, а спонтанни магнитни полета се откриват в Sr 2 RuO 4 и PrOs 4 Sb 12. По този начин, ако в BCS свръхпроводниците магнитното поле унищожава свръхпроводимостта, тогава в необичайните свръхпроводници вътрешните магнитни полета по някакъв начин поддържат свръхпроводимостта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нека сега формулираме 5 основни характеристики на необичайни свръхпроводници:
Купър двойките могат да бъдат синглетни или триплетни.
Свръхпроводящото състояние не е сферично симетрично. На повърхността на Ферми има линии и точки, където липсва сдвояването на Купър.
Свръхпроводимостта по някакъв начин е свързана с магнитната структура на кристала.
Специфичните взаимодействия, водещи до свръхпроводимост, са неизвестни, ясно е само, че природата на тези взаимодействия може да варира.
Свръхпроводимостта се наблюдава в интерметалните съединения и йонните кристали.
Виждаме, че тези пет характеристики на необичайни свръхпроводници са фундаментално различни от характеристиките на обикновените свръхпроводници. Съществуващата теория (теорията на BCS) правилно описва конкретен случай, но не е универсална. Последвалите проучвания опровергаха много от нейните общи заключения, но не опровергаха нейната логика. Това дава надежда, че проблемът с високотемпературната свръхпроводимост ще бъде решен и ще бъдат създадени свръхпроводници, които работят при стайна температура.
Друго обещаващо направление на изследване на механизма на високотемпературната свръхпроводимост е изследването на механизма на солтаторна проводимост на неврони със спирални миелинови обвивки. Очевидно към тях може да се приложи формализмът на модела на квантовия вихър на Абрикосов.
ЛИТЕРАТУРА
Ципенюк Ю. М. Физически основи на свръхпроводимостта. - М.: 1996.
Kholmansky A. S. Моделиране на физиката на мозъка // Математическа морфология. Електронно математическо и медико-биологично списание. – Т. 5. – Бр. 4. - 2006. - URL: www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12-html/holmansky-4/holmansky-4.htm
Проблеми с високотемпературна свръхпроводимост
Лобач
ev V.V., Yargemskiy V.G., Kholmanskiy A.S.
Преглед на някои проблеми, свързани с висока температурна свръхпроводимост.
*Москва Държавен университетинженерна екология (МГУИЕ).
**Московски държавен медицински и стоматологичен университет (MGMSU)