14 Elektritakistuse põhjuseks on ülijuhtivus. Analüüsitakse lühiülevaadet ülijuhtivuse teooriatest ja kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse probleemidest
Teatud temperatuurist madalamal kaotavad mõned ained võime blokeerida elektrivoolu läbipääsu. Nende elektritakistus muutub nulliks. Seda omadust nimetatakse ülijuhtivuseks.
Ülijuhtivuse avastamine
Ülijuhtivuse fenomen avastati 1911. aastal. Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes , mis uurib metallide elektritakistuse sõltuvust temperatuurist. Ta hakkas ülimadalate temperatuuride vastu huvi tundma juba 1893. aastal. Ja 1908. aastal õnnestus tal hankida vedelat heeliumi. Kasutades seda metallilise elavhõbeda jahutamiseks, avastas ta üllatusega, et absoluutse nulli lähedasel temperatuuril langeb elavhõbeda elektritakistus järsult nullini.
Tollal eksisteerinud füüsikateooriate järgi peaks temperatuuri langedes takistus järk-järgult langema. Kuid oli ka seisukoht, et väga madalal temperatuuril elektronide liikumine peatub, takistus suureneb ja aine lõpetab elektrivoolu juhtimise üldse.
Eksperimendi alguses toimus kõik teooria kohaselt. Temperatuuri langedes vähenes järk-järgult elavhõbeda vastupidavus. Kuid kui temperatuur langes 4,15 K-ni, kaotas elavhõbe ootamatult täielikult oma takistuse. Ta kolis täiesti uude olekusse, mida kutsuti ülijuhtivus .
Ülijuhtivuse olemus
Mis juhtub metallides, kui nende temperatuur langeb absoluutse nulli lähedale?
Iga aatom koosneb positiivselt laetud tuumast ja negatiivse laenguga elektronidest. Elektronid pöörlevad orbiitidel ümber tuuma. Mida lähemal on orbiit tuumale, seda tugevamini elektron selle poole tõmbab. Välisorbiidil paiknevaid elektrone nimetatakse valentselektronideks. Nad murduvad kergesti tuumast lahti, lahkuvad oma orbiidilt ja liiguvad kristallvõres vabalt. Välise mõju all elektriväli nende liikumine muutub korrapäraseks, nad hakkavad liikuma ühes suunas. Metallis tekib elektrivool. Elektronide teel tekivad aga takistused kristallvõre sõlmede, nende defektide või aines esinevate lisandiaatomite näol. Seetõttu tekib elektriline takistus voolule. Temperatuuri langedes vähenevad aatomite termilise vibratsiooniga seotud häired võre struktuuris. Struktuur muutub õigemaks. Järelikult väheneb ka takistus.
Seletus ülijuhtivuse kohta mikroskoopilisel tasemel anti teoorias nimega BCS selle loojate auks - Ameerika füüsikud John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer . See põhineb Cooperi elektronide paarid .
Leon Neil Cooper
Normaalsetes tingimustes on elektronid fermioonid, pooltäisarvulise spinniga osakesed, mille väärtus on -1/2 või +1/2. Iga fermioni kirjeldab oma lainefunktsioon. Samuti liiguvad nad üksi ja ületavad iseseisvalt oma teel olevaid takistusi. Kuid teatud tingimustel moodustavad nad paarid. Elektronid spinniväärtustega +1/2 ja -1/2 ühinevad ja moodustuvad seotud olek mida nimetatakse Cooperi paar . Sellel paaril on null spin ja kahekordne elektronlaeng. Ja kuna selle koguspinn on null, siis on sellel bosoni omadused. Bosonid moodustavad "Bose kondensaadi", millega kõik vabad bosonid ühinevad. Neist saab ühtne tervik, mis on võimeline liikuma, reageerimata nende teel olevatele takistustele. Nii tekib ülijuhtiv vool.
Kriitiline temperatuur
Selgus, et absoluutse nulli lähedasel temperatuuril ei ole ülijuhtivus mitte ainult elavhõbedal. See omadus avastati pliis, tinas, talliumis, uraanis ja muudes metallides. Ülijuhtivus ilmneb järsult, kui aine jahutatakse teatud temperatuurini. Temperatuur T s , mille juures see hüpe toimub, nimetatakse kriitiliseks. Igal elemendil, millel on ülijuhtivus, on oma. Näiteks nioobium läheb ülijuhtivasse olekusse temperatuuril 9 K ja volfram temperatuuril 0,012 K.
Ülijuhtivus on mitte ainult puhastel metallidel, vaid ka mõnedel sulamitel. Näiteks elavhõbeda sulam kulla ja tinaga. On isegi ülijuhtivaid sulameid, milles üks selle koostises sisalduvatest elementidest ei pruugi olla ülijuht.
Kui ülijuhtrõngas jahutada kriitilise temperatuurini ja selles ergastatakse elektrivool, siis see voolab ka pärast vooluallika eemaldamist ja seni, kuni rõngas on temperatuur kriitilisest madalam. Kuid see juhtub ainult püsiva elektrivoolu elektriväljas. Vahelduvelektriväljas ülijuhi takistus suureneb, kui vahelduvvoolu sagedus suureneb.
Aastatel 1983-1986 loodi uued ülijuhid. Need on ülijuhtiv keraamika, rauapõhised ülijuhid jne. Ülijuhtivus tekib neis absoluutse nulli temperatuurist oluliselt kõrgematel temperatuuridel. 1993. aastal avastati aine, mille kriitiline temperatuur on 135 K.
Meissneri efekt
1933. aastal avastas saksa füüsik Walter Fritz Meissner koos teise saksa füüsiku Robert Ochsenfeldiga ülijuhtide veel ühe hämmastava ja olulise omaduse - lükates magnetvälja oma mahust välja. Seda nähtust nimetati Meissneri efekt .
Walter Fritz Meissner
Meissneri efekti demonstreerib selgelt 1945. aastal tehtud katse. Vene füüsik Vladimir Konstantinovitš Arkadjev.
Selles katses riputatakse ülijuhtivast metallist valmistatud tassi lähedale asetatud püsimagnet selle kohal olevasse ruumi. Tassi madal temperatuur säilib tänu sellele, et selle jalad on sukeldatud vedelasse heeliumisse. Miks aga magnet tassi külge ei tõmba? Fakt on see, et ülijuhi sees olev summutamata vool tekitab magnetvälja, mille suund on vastupidine magneti tekitatava välise magnetvälja suunale. See väli tasakaalustab ja tõrjub välist välja, mistõttu tundub, et magnet kosmoses hõljub. Seda nähtust nimetatakse magnetiline levitatsioon.
Kui asetada ülijuht magnetvälja ja suurendada selle välja tugevust, siis millal teatud väärtus pinge võrdne N s , ülijuhtivus kaob. Sellist magnetvälja nimetatakse kriitiliseks väljaks. Kui pinge on suurem N s ülijuhist saab tavaline juht. Mida madalam on ülijuhi temperatuur, seda suurem peab olema väljatugevus, mis võib ülijuhtivust hävitada.
Puhas ülijuhtides, mis koosnevad ühest ainest, surutakse magnetväli välja seni, kuni magnetvälja tugevus jõuab N s . Selliseid ülijuhte nimetatakse I tüüpi ülijuhid .
Ülijuhtivate sulamite puhul on kaks sellist väärtust: N s1 Ja N s2 . Kui välise magnetvälja tugevus jõuab N s1 , hakkab see väli juba ülijuhi sisemusse tungima. Kuid selle elektritakistus jääb endiselt nulliks ja täheldatakse ülijuhtivuse nähtust. Ja kui pinge muutub võrdseks N s2 ülijuhtivus kaob täielikult. Selliseid ülijuhte nimetatakse II tüüpi ülijuhid .
Ülijuhtide rakendused
Ülijuhtivuse avastamine muutis teaduse pöörde. Kohe tekkis palju ideid selle ainulaadse nähtuse kasutamiseks tehnoloogias.
Ülimadalatel temperatuuridel läbib vool ülijuhte praktiliselt ilma kadudeta. Seetõttu kasutatakse neid erinevate kaablite, lülitusseadmete, elektrimootorite, turbogeneraatorite, temperatuuri, rõhu jne mõõtmise instrumentide loomiseks. Need sobivad ideaalselt elektromagnetite loomiseks. Nende abiga luuakse magnetresonantsskanneris elektromagnetväli. See võimaldab arstidel saada kvaliteetseid ristlõikepilte inimese siseorganite kudedest, kuigi tegelikkuses organ vigastada ei saa.
Termotuumasünteesi rajatistes, suurtes kiirendites elementaarosakesed kasutage ülijuhtivaid pooli.
Ülijuhtivate magnetite mähised, mis tekitavad tugevaid magnetvälju, on valmistatud II tüüpi ülijuhtidest. Ülijuhtivad magnetid on palju säästlikumad kui tavalised ferromagnetid.
2003. aastal katsetati Jaapanis maglev-rongi. Selle liikumine põhineb Meissneri efekti (magnetlevitatsiooni) kasutamisel. Rööbaste elektromagnetvälja tõrjuvad rongi vedrustuses asuvad ülijuhid. Ja tundub, et rong lendab üle rööbaste neid puudutamata. See võimaldab tal arendada tohutut kiirust, mis on võrreldav lennuki kiirusega. Loomulikult vajavad sellised rongid spetsiaalseid rööpaid. Kuid nad kulutavad kümneid kordi vähem energiat kui lennukid. Sarnased rongid on loodud Saksamaal, Hiinas ja Lõuna-Koreas.
1911. aastal avastas Hollandi füüsik H. Kamerlingh-Onnes ülijuhtivuse fenomeni. Ta mõõtis elavhõbeda elektritakistust madalatel temperatuuridel. Onnes soovis välja selgitada, kui madalaks võib muutuda aine takistus elektrivoolule, kui ainet võimalikult palju lisanditest puhastada ja “soojusmüra” võimalikult palju vähendada, s.o. vähendada temperatuuri.
Selle uuringu tulemus oli ootamatu: temperatuuril alla 4,15 K kadus takistus peaaegu kohe. Selle takistuse käitumise graafik temperatuuri funktsioonina on näidatud joonisel fig. 1.
Elektrivool on laetud osakeste liikumine. Juba tol ajal teati, et elektrivool tahkistes on elektronide voog. Need on negatiivselt laetud ja palju kergemad kui mis tahes ainet moodustavad aatomid.
Iga aatom koosneb omakorda positiivselt laetud tuumast ja elektronidest, mis interakteeruvad sellega ja üksteisega vastavalt Coulombi seadusele. Iga aatomi elektron hõivab kindla "orbiidi". Mida lähemal on "orbiit" tuumale, seda tugevamini elektron selle poole tõmbab, seda rohkem on vaja energiat sellise elektroni tuumast eemale rebimiseks. Vastupidi, tuumast kõige kaugemal asuvad elektronid eralduvad sellest kõige kergemini, kuigi ka see nõuab energiat.
Väliseid elektrone nimetatakse valentselektronideks. Ainetes, mida nimetatakse metallideks, eralduvad nad tegelikult aatomitest, kui nad ühinevad, moodustades tahke aine ja moodustades peaaegu vabadest elektronidest koosneva gaasi. See on lihtne, ilus ja sageli õige füüsiline pilt: ainetükk on nagu anum, milles on elektronide “gaas” (joonis 2).
Kui tekitame elektrivälja - rakendame uuritavale ainetükile pinge, tekib elektrongaasi tuul, justkui rõhuerinevuse mõjul. See tuul on elektrivool.
Metallid
Kõik ained ei juhi hästi elektrit. Dielektrikutes jäävad valentselektronid oma aatomitega "seotuks" ja neid pole nii lihtne panna läbi kogu proovi liikuma.
On üsna raske seletada, miks mõned ained osutuvad metallideks, teised aga dielektrikuteks. See sõltub sellest, millistest aatomitest need koosnevad ja kuidas need aatomid on paigutatud. Mõnikord on transformatsioonid võimalikud, kui aatomite paigutus muutub, näiteks rõhu mõjul aatomid lähenevad üksteisele ja dielektrik muutub metalliks.
Dielektrikuid ei läbi vool, kuid ka elektronid ei liigu metallides täiesti vabalt. Nad puutuvad kokku aatomi "südamikutega", millest nad "eraldusid" ja on nende peale laiali. Sel juhul tekib hõõrdumine või, nagu öeldakse, elektrivool kogeb takistust.
Ülijuhtivuse korral takistus kaob ja muutub võrdseks nulliga, s.t. elektronide liikumine toimub hõõrdumiseta. Vahepeal näitab meie igapäevaelu kogemus, et selline liikumine on võimatu.
Füüsikute aastakümnetepikkune töö on olnud suunatud selle vastuolu lahendamisele.
Avastatud omadus on nii ebatavaline, et nimetatakse metalle, millel on vastupidavus, mitte ülijuhtidel normaalne.
Vastupidavus
Metallitüki (näiteks traadi) elektritakistust mõõdetakse oomides ning selle määrab proovi suurus ja materjal. Valemis
R = ρ × l / S
R- vastupanu, l— pikkus (proovi suurus voolu liikumise suunas), S— proovi ristlõige. Olles kirjutanud sellise valemi, näib, et jätkame elektronide võrdlemist gaasiga: mida laiem ja lühem toru, seda lihtsam on sellest gaasi läbi puhuda.
Väärtus ρ — eritakistus, mis iseloomustab materjali omadusi, millest proov on valmistatud.
Puhta vase puhul toatemperatuuril ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.
Vask on üks kõige juhtivamaid metalle ja seda kasutatakse laialdaselt tootmiseks elektrijuhtmed. Mõned teised metallid juhivad toatemperatuuril elektrit halvemini:
Võrdluseks toome mõnede dielektrikute eritakistused ka toatemperatuuril:
Kui temperatuur langeb T Vase eritakistus väheneb järk-järgult ja mitme kelvini temperatuuril on 10 -9 Ohm cm, kuid vask ei muutu ülijuhiks. Ja alumiinium, plii, elavhõbe lähevad ülijuhtivasse olekusse ja nendega tehtud katsed näitavad, et ülijuhi eritakistus ei ületa igal juhul 10–23 Ohm cm – sada triljonit korda vähem kui vasel!
Jääktakistus
Metalli eritakistus sõltub temperatuurist. Tingimuslik graafik ρ( T), ütleme vase puhul, näete joonisel fig. 3. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on takistus, seda rohkem vibreerivad metalli moodustavad aatomi "südamikud" ja seda rohkem häirivad need elektrivoolu. Kui, vastupidi, viime temperatuuri absoluutsele nullile lähemale, kipub proovi takistus ρ 0 -ni - jääktakistus. Jääktakistus sõltub proovi täiuslikkusest ja koostisest. Igas aines on võõrlisandi aatomeid, aga ka igasuguseid muid defekte. Mida vähem on proovis defekte, seda väiksem on jääktakistus. Just see sõltuvus huvitas Onnest 1911. aastal. Ta ei otsinud üldse “ülijuhtivust”, vaid püüdis välja selgitada, kui väikeseks saab jääktakistust proovi puhastamisega muuta. Ta tegi katseid elavhõbedaga, kuna sel ajal sai elavhõbedat viia kõrgema puhtusastmeni kui plaatina, kulda või vaske (need metallid on elavhõbedast paremad juhid ja Onnes uuris neid enne ülijuhtivuse avastamist. Ei kulda ega plaatinat ega vask on ülijuhtiv).
Kriitiline temperatuur
Ülijuhtivus tekib järsult, kui temperatuur langeb. Temperatuur T c, mille saavutamisel toimub hüpe, nimetatakse kriitiliseks. Tähelepanelik uuringud näitavad et sellist üleminekut täheldatakse teatud temperatuurivahemikus (joonis 4). Liikuvate elektronide hõõrdumine kaob sõltumata proovi “puhtusest”, kuid mida “puhtam” on proov, seda teravam on takistuse hüpe, selle laius “puhtamates” proovides on alla sajandikkraadi. Sel juhul räägitakse "headest" näidistest või ülijuhtidest; “halbades” proovides võib ülemineku laius ulatuda kümnetesse kraadidesse. (See kehtib loomulikult nn kõrge temperatuuriga ülijuhtide kohta, milles T c ulatub sadade kelviniteni.)
Kriitiline temperatuur on iga aine puhul erinev. See temperatuur ja ülijuhtivuse avastamise aasta (täpsemalt seda käsitleva artikli avaldamise aasta) on näidatud joonisel fig. 5 mõne puhta elemendi jaoks. Nioobiumil on kõrgeim (at atmosfääri rõhk) kõigi elementide kriitiline temperatuur perioodilisustabel D.I. Mendelejev, kuigi see ei ületa 10 K.
Onnes ei avastanud mitte ainult elavhõbeda, tina ja plii ülijuhtivust, vaid leidis ka esimesed ülijuhtivad sulamid – elavhõbeda sulamid kulla ja tinaga. Sellest ajast alates on see töö jätkunud, ülijuhtivust on testitud üha uute ühendite suhtes ning ülijuhtide klass on tasapisi laienenud.
Madalad temperatuurid
Ülijuhtivuse uurimine edenes väga aeglaselt. Nähtuse jälgimiseks oli vaja metallid jahutada madalale temperatuurile ja see polegi nii lihtne. Proovi tuleb pidevalt jahutada, selleks asetatakse see jahutusvedelikku. Kõik meile igapäevasest kogemusest tuntud vedelikud külmuvad ja kivistuvad madalatel temperatuuridel. Seetõttu on vaja vedeldada aineid, mis ruumi tingimused on gaasid. Joonisel fig. Näidatud on 6 keemistemperatuuri T b ja sulamine T m viis ainet (atmosfäärirõhul).
Kui alandate temperatuuri allapoole T b , aine vedeldub ja allpool T m see kõveneb. (Atmosfäärirõhul jääb heelium vedelaks kuni absoluutse nulltemperatuurini.) Seega võib meie eesmärkidel kasutada kõiki neid aineid vahemikus T b ja T m. Kuni 1986. aastani ületas ülijuhtivuse maksimaalne teadaolev kriitiline temperatuur vaevu 20 K, nii et ülijuhtivust uurides ei saanud ilma vedela heeliumita hakkama. Lämmastikku kasutatakse laialdaselt ka jahutusvedelikuna. Järjestikustes jahutusetappides kasutatakse lämmastikku ja heeliumi. Mõlemad ained on neutraalsed ja ohutud.
Heeliumi vedeldamine on iseenesest väga huvitav ja põnev probleem, mille lahendamisega tegelesid 19. ja 20. sajandi vahetusel paljud füüsikud. Onnes saavutas eesmärgi 1908. aastal. Spetsiaalselt selleks lõi ta labori Leidenis (Holland). 15 aastat oli laboril monopol ainulaadsete uuringute läbiviimiseks uues temperatuurivahemikus. Aastatel 1923-1925. Nad õppisid vedelat heeliumi tootma veel kahes maailma laboris – Torontos ja Berliinis. Nõukogude Liidus ilmusid sellised seadmed 1930. aastate alguses. Harkovi Füüsika ja Tehnoloogia Instituudis.
Pärast Teist maailmasõda arenes paljudes riikides järk-järgult välja terve tööstus, et varustada laboreid vedela heeliumiga. Enne seda oli kõik "iseteenindus". Tehnilised raskused ja nähtuse füüsiline keerukus tähendasid, et teadmised ülijuhtivuse kohta kogunesid väga aeglaselt. Vaid 22 aastat pärast esimest avastust avastati ülijuhtide teine põhiomadus.
Meissneri efekt
Selle tähelepanekust teatasid Saksa füüsikud W. Meissner ja R. Ochsenfeld 1933. aastal.
Seni oleme elektritakistuse kadumist nimetanud ülijuhtivuseks. Ülijuhtivus on aga keerulisem kui lihtsalt takistuse puudumine. See on ka teatud reaktsioon välisele magnetväljale. Meissneri efekt on siis, kui ülijuhtivast proovist surutakse välja konstantne, mitte liiga tugev magnetväli. Ülijuhi paksuses nõrgeneb magnetväli nullini, ülijuhtivust ja magnetismi võib nimetada justkui vastandlikeks omadusteks.
Uute ülijuhtide otsimisel testitakse ülijuhtivuse mõlemat peamist omadust:
- ülijuhis elektritakistus kaob;
- Ülijuhist surutakse välja magnetväli.
Mõnel juhul võib "määrdunud" ülijuhtide korral takistuse langus temperatuuriga olla palju pikem, kui on näidatud joonisel fig. 1 elavhõbeda jaoks. Teadusajaloos on korduvalt juhtunud, et füüsikud pidasid ülijuhtivuseks mingil muul põhjusel, näiteks tavalisest lühisest tingitud, takistuse langust.
Ülijuhtivuse olemasolu tõestamiseks on vaja jälgida vähemalt selle mõlema peamise omaduse ilminguid. Väga muljetavaldav eksperiment, mis näitab Meissneri efekti olemasolu, on esitatud joonisel fig. 7: Ülijuhtiva tassi kohal hõljub püsimagnet. Esimest korda viis sellise katse läbi Nõukogude füüsik V. K. Arkadjev 1945. aastal.
Ülijuhis tekivad magnetvälja suruvad voolud, nende magnetväli tõrjub püsimagneti ja kompenseerib selle kaalu. Olulised on ka tassi seinad, mis lükkavad magneti keskkoha poole. Lameda põhja kohal on magneti asend ebastabiilne, juhuslike löökide tõttu liigub see küljele. See ujuv magnet meenutab legende levitatsioonist. Kõige kuulsam legend räägib usuprohveti hauast. Koopasse asetatud kirst hõljus seal õhus ilma nähtava toeta. Nüüd on võimatu kindlalt öelda, kas sellised lood põhinevad mõnel reaalsel nähtusel. Nüüd on tehniliselt võimalik "legend teoks teha", kasutades Meissneri efekti.
Magnetväli
Kaasaegne füüsika kasutab välja mõistet, et kirjeldada ühe keha mõju teisele kauguselt, ilma otsese kokkupuuteta. Jah, läbi elektromagnetväli Laengud ja voolud suhtlevad. Kõik, kes on uurinud elektromagnetvälja seaduspärasusi, teavad välja visuaalset pilti – pilti selle jõujoontest. Seda pilti kasutas esmakordselt inglise füüsik M. Faraday. Selguse huvides on kasulik meelde tuletada veel üks pilt väljast, mida kasutas teine inglise füüsik – J. C. Maxwell.
Kujutage ette, et väli on liikuv vedelik, näiteks vesi, mis voolab mööda väljajooni. Proovime selle abil kirjeldada laengute vastasmõju Coulombi seaduse järgi. Olgu siin bassein, lihtsuse huvides tasane ja madal, selle pealtvaade on näidatud joonisel fig. 8. Põhjas on kaks auku: läbi ühe siseneb vesi basseini (see on nagu positiivne laeng) ja teisest voolab see välja (see on äravool ehk negatiivne laeng). Sellises basseinis voolav vesi kujutab endast kahe statsionaarse laengu elektrivälja. Vesi on läbipaistev ja selle vool on meile märkamatu. Kuid tutvustame joadesse "testi positiivset laengut" – pall nööril. Kohe tunneme jõudu – vedelik kannab palli endaga kaasas.
Vesi kannab palli allikast eemale – nagu laengud tõrjuvad. Pall tõmmatakse äravoolu või erineva märgiga laengu külge ja laengute vaheline jõud sõltub nendevahelisest kaugusest, nagu nõuab Coulombi seadus.
Voolud ja väljad ülijuhtides
Ülijuhtide voolude ja väljade käitumise mõistmiseks peate meeles pidama magnetinduktsiooni seadust. Nüüd on meie jaoks kasulikum anda sellele üldisem sõnastus kui koolifüüsika kursusel. Magnetinduktsiooni seadus räägib tegelikult elektri- ja magnetvälja suhetest. Kui kujutada elektromagnetvälja vedelikuna, siis välja elektrilise ja magnetilise komponendi vahelist suhet saab kujutada rahuliku (laminaarse) ja keerise vedeliku voolu seosena. Igaüks neist võib eksisteerida omaette. Olgu meie ees näiteks rahulik lai vool – ühtlane elektriväli. Kui proovite seda välja muuta, s.t. Justkui vedeliku aeglustamiseks või kiirendamiseks tekivad kindlasti keerised - magnetväli. Magnetvälja muutus viib alati elektrivälja ilmnemiseni ja elektriväli indutseerib juhtivas ahelas voolu, see on tavaline magnetinduktsiooni nähtus: magnetvälja muutus kutsub esile voolu. Just see füüsikaseadus toimib kõigis maailma elektrijaamades, põhjustades ühel või teisel viisil muutusi juhi magnetväljas. Tekkiv elektriväli tekitab voolu, mis voolab meie kodudesse ja tööstusettevõtetesse.
Aga tuleme tagasi ülijuhtide juurde. Ülijuhi alalisvool ei nõua elektrivälja olemasolu ja tasakaaluolukorras on ülijuhi elektriväli null. Selline väli kiirendaks elektrone, kuid puudub takistus ega hõõrdumine, mis ülijuhtides kiirendust tasakaalustaks. Suvaliselt väike konstantne elektriväli tooks kaasa voolu lõputu suurenemise, mis on võimatu. Elektriväli tekib ainult ahela mitteülijuhtivates osades. Ülijuhtides liigub vool ilma pingelanguseta.
Vaimne arutluskäik ei paljasta midagi, mis võiks takistada ülijuhis magnetvälja olemasolu. Siiski on selge, et ülijuht takistab magnetvälja muutumist. Tõepoolest, magnetvälja muutus tekitaks voolu, mis tekitaks magnetvälja, mis kompenseeriks esialgse muutuse.
Seega peab iga ülijuhtahel säilitama seda läbivat magnetvälja. (Aasa läbiv magnetvoog on lihtsalt magnetvälja tugevuse ja ahela pindala korrutis.)
Sama peaks juhtuma ülijuhi paksusega. Näiteks kui toome magneti ülijuhtivale proovile lähedale, ei saa selle magnetväli ülijuhti läbida. Iga selline "katse" viib ülijuhis voolu tekkeni, mille magnetväli kompenseerib välist välja. Selle tulemusena puudub ülijuhi paksuses magnetväli ja piki pinda liigub täpselt selleks vajalik vool. Tavalise juhi paksuses, mis viiakse magnetvälja, toimub kõik täpselt samamoodi, kuid seal on takistus ja indutseeritud vool laguneb üsna kiiresti ning selle energia muutub hõõrdumise tõttu soojuseks. (Seda soojust on katseliselt väga lihtne tuvastada: vii käsi töötava trafo lähedale ja tunned sellest eralduvat soojust.) Ülijuhis takistust pole, vool ei sure välja ega “lase” magnetväli mis tahes aja jooksul. Kirjeldatud pilt on täpne ja kogemustega korduvalt kinnitust leidnud.
Nüüd teeme veel ühe vaimse eksperimendi. "Võtame" sama tüki ülijuhtivat ainet, kuid piisavalt kõrge temperatuur kui see on veel normaalses seisukorras. Toome selle magnetvälja ja ootame, kuni kõik rahuneb, voolud surevad välja – ainet läbib magnetvoog. Alandame temperatuuri, oodates, kuni aine läheb ülijuhtivasse olekusse. Tundub, et temperatuuri alandamine ei tohiks mõjutada magnetvälja mustrit. Ülijuhi magnetvoog ei tohiks muutuda. Kui eemaldate magneti - välise magnetvälja allika, siis peaks ülijuht sellele vastu pidama ja pinnale peaksid ilmuma ülijuhtivad voolud, säilitades aine sees magnetvälja.
See käitumine on aga täiesti vastuolus eksperimentaalselt täheldatuga: Meissneri efekt ilmneb ka sel juhul. Kui jahutada tavalist metalli magnetväljas, siis ülijuhtivasse olekusse üleminekul surutakse magnetväli ülijuhist välja. Samal ajal ilmub selle pinnale pidev vool, mis tagab ülijuhi paksuses nulli magnetvälja. Ülijuhtiva oleku kirjeldatud pilti jälgitakse alati, olenemata sellest, kuidas sellesse olekusse üleminek toimub.
Muidugi on see kirjeldus äärmiselt idealiseeritud ja me muudame selle esitluse edenedes keerulisemaks. Kuid nüüd tasub mainida, et on kahte tüüpi ülijuhte, mis reageerivad magnetväljale erinevalt. Hakkasime rääkima I tüüpi ülijuhtide omadustest, mille avastamisest sai alguse ülijuhtivus. Hiljem avastati veidi erinevate omadustega II tüüpi ülijuhid. Peamiselt nendega seotud praktilisi rakendusiülijuhtivus.
Ideaalne diamagnetism
Magnetvälja väljatõrjumine on füüsikule sama üllatav kui takistuse puudumine. Fakt on see, et pidev magnetväli tungib tavaliselt kõikjale. Seda ei sega elektrivälja varjestav maandatud metall. Enamasti ei ole keha piiriks magnetvälja jaoks sein, mis piirab selle "voolu", vaid pigem väike samm basseini põhjas, mis muudab sügavust ja mõjutab veidi seda "voolu". Magnetvälja tugevus aines muutub sajandik- või tuhandikprotsenti võrreldes selle tugevusega väljaspool (erandiks on magnetilised ained nagu raud ja muud ferromagnetid, kus välisele lisandub suur sisemine magnetväli). Kõigis teistes ainetes on magnetväli kas veidi tugevdatud – ja selliseid aineid nimetatakse paramagnetilisteks või nõrgenenud – selliseid aineid nimetatakse diamagnetilisteks.
Ülijuhtides on magnetväli nõrgenenud nullini, nad on ideaalsed diamagnetilised materjalid.
Ainult pidevalt hoitud voolude ekraan ei suuda magnetvälja "läbi lasta". Ülijuht ise loob oma pinnale sellise ekraani ja hoiab seda nii kaua kui soovitakse. Seetõttu pole Meissneri efekt ehk ülijuhi ideaalne diamagnetism vähem üllatav kui selle ideaalne juhtivus.
Joonisel fig. Joonis 9 näitab umbkaudu, mis juhtub metallkuuliga, kui temperatuur muutub T ja magnetvälja rakendamine H(magnetvälja jooned on näidatud proovi läbistavate või selle ümber voolavate nooltega). Tavalises olekus metall on tähistatud sinisega; kui metall läheb ülijuhtivasse olekusse, muutub värv roheliseks. Võrdluseks joonisel fig. 9, V näitab, kuidas käituks ideaalne juht (tähistatakse tähtedega IC) - metall ilma Meissneri efektita nulltakistusega (kui see oleks olemas). See tingimus on tähistatud punasega.
Riis. 9. Meissneri efekt:
A- tavaline juht, mille takistus ei ole mis tahes temperatuuril (1) nullist erinev, viiakse magnetvälja. Seaduse järgi elektromagnetiline induktsioon tekivad voolud, mis takistavad magnetvälja tungimist metalli (2). Kui aga takistus on nullist erinev, lagunevad need kiiresti. Magnetväli tungib läbi tavalise metalli proovi ja on peaaegu ühtlane (3);
b- alates normaalne seisund kõrgematel temperatuuridel T c on kaks võimalust: Esiteks: kui temperatuur langeb, läheb proov ülijuhtivasse olekusse, siis saab rakendada magnetvälja, mis surutakse proovist välja. Teiseks: rakendage esmalt proovi läbistavat magnetvälja ja seejärel alandage temperatuuri, siis surutakse väli ülemineku ajal välja. Magnetvälja väljalülitamine annab sama pildi;
V- kui Meissneri efekti poleks, käituks takistuseta juht teisiti. Magnetväljas takistuseta olekusse üleminekul säilitaks see magnetvälja ja säilitaks selle ka välise magnetvälja eemaldamisel. Sellist magnetit oleks võimalik demagnetiseerida ainult temperatuuri tõstes. Seda käitumist ei ole aga eksperimentaalselt täheldatud.
Natuke ajalugu
Järgmises peatükis räägime sellest lähemalt hämmastavad omadusedülijuhid ning selle peatüki lõpetuseks loetleme üles olulisemad tööd, mida füüsikud ülijuhtivuse uurimisel tegid.
Esiteks on need juba mainitud H. Kamerlingh Onnesi (1911) ning W. Meissneri ja R. Ochsenfeldi (1933) avastused. Esimese teoreetilise seletuse ülijuhi käitumise kohta magnetväljas pakkusid välja Inglismaal (1935) Saksamaalt emigreerunud saksa füüsikud F. London ja G. London. 1950. aastal kirjutasid L. D. Landau ja üks selle raamatu autoritest artikli, milles nad koostasid üldisema ülijuhtivuse teooria. See kirjeldus osutus mugavaks ja on kasutusel tänaseni; seda nimetatakse Ginzburg-Landau teooriaks või ülijuhtivuse ψ teooriaks.
Nähtuse mehhanismi avastasid 1957. aastal Ameerika füüsikud J. Bardeen, L. Cooper ja J. Schrieffer. Nende nimede suurtähtede põhjal nimetatakse seda teooriat BCS-teooriaks ja mehhanismi ennast (selle jaoks on elektronide paariskäitumine hädavajalik) nimetatakse sageli “Cooperi paaristamiseks”, kuna selle idee mõtles välja L. Cooper. Ülijuhtivusfüüsika arendamisel mängis suurt rolli kahte tüüpi ülijuhtide – I ja II tüüpi – olemasolu kindlakstegemine. Elavhõbe ja mitmed teised ülijuhid on I tüüpi ülijuhid. II tüüpi ülijuhid on enamasti kahe või enama elemendi sulamid. II tüüpi ülijuhtivuse avastamisel mängis suurt rolli L. V. Šubnikovi ja tema kolleegide töö Harkovis 1930. aastatel. ja A. A. Abrikosov 1950. aastatel.
Lisaks avaldasid suurt mõju 1950. aastate avastused ja uuringud. suhteliselt kõrge kriitilise temperatuuriga ühendid, mis on võimelised taluma väga kõrgeid magnetvälju ja läbima ülijuhtivas olekus suure tihedusega voolusid. Võib-olla olid nende uuringute kulminatsiooniks J. Künzleri ja tema kolleegide katsed (1960). Nad näitasid, et Nb 3 Sn traat juures T= 4,2 K 88 000 Oe väljal (rohkem tugev väli see lihtsalt ei olnud nende käsutuses) läbib voolu tihedusega 100 tuhat A/cm 2 . Tollal avastatud ülijuhid töötavad tehnilistes seadmetes siiani. Sellised materjalid on nüüd klassifitseeritud ülijuhtide eriklassi, mida nimetatakse kõvadeks ülijuhtideks.
Inglise füüsik B. Josephson ennustas 1962. aastal teoreetiliselt täiesti ebatavalisi nähtusi, mis peaksid toimuma ülijuhtide kontaktidel. Need ennustused said seejärel täielikult kinnitust ja nähtusi endid nimetati nõrgaks ülijuhtivuseks või Josephsoni efektiks ning need leidsid kiiresti praktilise rakenduse.
Lõpuks tähistas Zürichis töötavate füüsikute, šveitslase A. Mülleri ja sakslase G. Bednorzi artikkel (1986) uue ülijuhtivate ainete klassi – kõrgtemperatuursete ülijuhtide – avastamist ja tõi kaasa uute uuringute laviini. selles piirkonnas.
Kelvini skaala kraadid on tavaliselt tähistatud suure tähega K, need on võrdsed tavaliste Celsiuse kraadidega, kuid neid arvestatakse absoluutsest nulltemperatuurist. Celsiuse skaalal on absoluutse nulli temperatuur -273,16 °C, seega on mainitud temperatuur 4,15 K võrdne -269,01 °C-ga. Järgnevalt püüame esitada ümardatud väärtused.
Pilt elektritakistuse tekkimisest on muidugi keerulisem ja seda vaatame lähemalt hiljem.
Destilleerimismeetod, mis sarnaneb vee destilleerimise protsessiga.
Ülijuhtivus on füüsikaline nähtus, mis seisneb selles, et teatud ainetes, jahutades alla teatud (kriitilise) temperatuuri Tt, muutub takistus alalisvoolule nulliks. Ülijuhtivuse fenomeni avastas Hollandi füüsik Kamerlingh Onnes (1911), kes avastas, et elavhõbeda jahutamisel temperatuurini Tk lt; 4,2 K, selle alalisvoolu takistus läheb järsult nulli. Praeguseks on ülijuhtivus avastatud enam kui 20 metallis ja paljudes sulamites, sealhulgas ainete sulamites, mis ise ei ole ülijuhid.
Ülijuhtide uuringud on näidanud mitmeid huvitavad omadused. Arvatakse, et ülijuhis voolab elektrivool edasi ka pärast pinge väljalülitamist. Ülijuhtivale plaadile langev magnet ripub õhus ja jääb rippuma seni, kuni ülijuhtplaat jahutatakse kriitilisest temperatuurist madalamale temperatuurile. Ülijuhtivust võib hävitada väline magnetväli ja ka juhul, kui proovi läbib piisavalt suur vool.
Ülijuhtivuse nähtuse olemus jäi pikka aega ebaselgeks. Ja alles 1957. aastal tegid Ameerika füüsikud J. Bardeen, JI. Cooper" ja J. Schrieffer lõid teooria, mis sai nime nende perekonnanimede algustähtede järgi – BKS. Selle töö eest said nad 1977. aastal Nobeli füüsikaauhinna. viimased aastad BJL Ginzburg, A.A. aitas kaasa ülijuhtivuse teooria arendamisele. Abrikosov, Anthony J. Leggett, kes pälvis ka 2003. aasta Nobeli füüsikaauhinna nende "teadja panuse eest ülijuhtivuse ja ülivoolavuse teooriasse".
Kuidas kaasaegne teooria seletab ülijuhtivuse fenomeni? Vastavalt seadustele kvantmehaanika Juhi vool saab summutada ainult siis, kui kõiki laengukandjaid kirjeldatakse ühe lainefunktsiooniga. Kuid see on võimalik ainult siis, kui need kandjad kuuluvad bosonite klassi, s.o. nad kõik peavad
meil on terve (sh null) spin. Bosonid on kollektivistid. Nad püüavad ühineda mitte ainult oma lähimate naabritega, moodustades "Bose kondensaadi", vaid ka liituda oma "vabade" naabritega lähikeskkonnast. Moodustub justkui "kollektiivne osake", mis koosneb suurest hulgast üksikutest bosonitest. Selline moodustis, mis liigub tervikuna läbi kristalli, ei reageeri ei mikroskoopiliste võre defektidele ega ioonidele selle sõlmedes.
Ho elektronid kuuluvad fermioonide klassi, kuna nende spinn on S = 1/2 ja selle projektsioonil saab olla ainult kaks väärtust: -1/2 ja +1/2. Fermionid on individualistid ja igaüks neist, millel on oma lainefunktsioon, suhtleb individuaalselt kõigi neid ümbritsevate osakestega. Seetõttu ei saa need moodustada Bose kondensaati. BCS-teooria ja sellele järgnevad teooriad annavad "õigustuse" võimalusele ühendada elektronid paarideks, hoolimata Coulombi üksteisest eemaletõukamisest.
1956. aastal püstitas L. Cooper hüpoteesi, et elektronid võivad teatud tingimustel paarideks "kokku jääda". Sel juhul peavad nende spinnid olema antiparalleelsed, st. Spinniga -1/2 ja +1/2 elektronid võivad kombineerida. Selle paari koguspinn on null ja sellest saab boson. Selliseid elektronide paare hakati nimetama "Cooperi paarideks".
J. Bardeen pakkus välja hüpoteesi, mis selgitab elektronidevaheliste külgetõmbejõudude olemust, kui need ühinevad Cooperi paarideks. Selle hüpoteesi kohaselt on kristallvõre kohtades paiknevad ioonid kvantsüsteem ja selles süsteemis on võre vibratsioonile vastavad kvaasiosakesed, mida nimetatakse fononiteks. Elektronid, vahetades fononeid, kogevad üksteise vastu tõmmet, mille tugevus ületab Coulombi tõukejõu.
Cooperi paaride lõplik suurus on suurusjärgus 1 (H-10-5 cm ja keskmine elektronide vaheline kaugus metallis on umbes 10-* cm (see paradoks on aine kvantomaduste ilming). Miks ei Kas nad ei sega üksteist? Sellele küsimusele vastates võrdles üks BCS-teooria autoreid Schrieffer ülijuhis olevaid elektrone tänapäeva diskoteegis tantsijatega: kaks tantsivad ja kuigi nende vahel on palju teisi tantsijaid. neid, nad ei kaota üksteisega sidet.Ülijuhtivuse nähtuse edasise uurimise käigus leiti, et lisaks taustale peab elektronidevahelise interaktsiooni edastamiseks olema veel üks mehhanism.Eeldatakse, et muud aines võivad esineda kvaasiosakeste tüübid (plasmonid, magnonid jne), mis on elektronidevahelise interaktsiooni kandjad.
Seega olid ülijuhtivuse fenomeni teooria väljatöötamisel teadlaste peamised jõupingutused suunatud elektronide interaktsiooni mehhanismi paljastamisele, kui need ühinevad Cooperi paarideks, milles väidetavalt mängivad põhirolli erinevat tüüpi kvaasiosakesed (fononid, plasmonid, magnonid). Kuid kas sellised osakesed on reaalsus või müüt? Seda on võimatu katseliselt tõestada, sest kvaasiosakesed ei saa eksisteerida väljaspool keha. Seetõttu ei saa pidada edukaks katset seletada ülijuhtivuse fenomeni Cooperi paaride abil.
Olemasolevad teaduslikud ideed elektrivoolust kui elektrivoolude suunatud ja korrastatud liikumisest piki juhti ei võimalda meie arvates välja töötada rahuldavat teooriat, mis selgitaks ülijuhtide paljude omaduste avaldumise mehhanismi. Hea teooria peaks vastama küsimustele, näiteks miks elavhõbe, tina, plii ja tallium omavad ülijuhtivust, kuid headel hõbeda, kulla ja vase juhtidel mitte? Miks on mõnel ühekristallilisel ülijuhtidel takistus? Kas takistus üle kihi on kümneid kordi suurem kui takistus piki neid? Miks paljudel ülijuhtidel on normaalne temperatuur takistus on kümneid kordi suurem kui vasel?
Vaatamata asjaolule, et ülijuhtivuse fenomeni teooria arendamisega ei lähe hästi, said eksperimentaatorid peaaegu "pimesi" arvukalt kõrge temperatuuriga ülijuhtide (HTSC) klasse. Füüsikute G. Bednorzi ja A. Mülleri (Šveits) avastus 1986. aastal kõrge ülijuhtiva üleminekutemperatuuriga (Tic ~ 40 K) metallioksiidide klassist põhjustas tõelise ülijuhtimise buumi. Ülijuhtivate sulamite tüüpilised esindajad on lantaanil ja ütriumil põhinevad ühendid: La - Ba - Cu - O, Y - Ba - Cu - O. Järgmise kümne aasta uurimistöö jooksul oli ülijuhtiva ülemineku temperatuur atmosfäärirõhul osades sulamites. tõusis 140 K-ni. Tabelis 5.8.1 on toodud mõned selle perioodi jooksul loodud telluuril, vismutil ja elavhõbedal põhinevad HTSC kolme klassi ühendid.
Kõigi nende ülijuhtivate sulamite struktuur vastab nn kihilistele perovskiitidele, iseloomulik tunnus mis on fikseeritud külgedega elementaarrakkude vaheldumine nende kihtides. Eelkõige märgime, et telluuril ja vismutil põhinevad HTSC-d ei sisalda elemente, mis ise on ülijuhid.
Niisiis, mis määrab ülijuhtivuse avaldumise metallides ja sulamites? Tõenäoliselt kõik need peamised tegurid, mis mõjutavad juhtide elektritakistuse väärtust normaalse töö ajal
temperatuur: aatomite elektroonikakestade struktuur, kristallvõre kuju, temperatuur (joon. 5.8.1).
Vaatleme ülijuhtivuse nähtust elektrivoolu eeterliku olemuse vaatenurgast. Elektrivool on efütoonide suunatud lainelaadne liikumine elektrivälja mõjul. Efütoonide liikumise takistuse määravad kaks peamist tegurit: aatomitevaheliste kauguste suurus ja elektromagnetilise interaktsiooni tugevus aatomitevahelise eeterruumi efütoonidega, mis omakorda sõltuvad aine kristallvõre kujust. , aatomi kesta elektrooniline konfiguratsioon ja temperatuur.
Si p/p | Ühendused (lühendatult määramine) | Võre kuju (süngoonia) | Elementaarne suurus. rakud, A | Tk |
I | Te0a2CaCi2O7, (Te - 1212) | Nelinurkne | a = b = 3,86; c = 12,8 | 103 |
2 | TeBa2Ca2Cu309, (Te -1223) | Nelinurkne | a = b"3,85; c = 15,9 | 120 |
3 | Te2Ba2Ca2Cu3010, (Te - 2223) | Nelinurkne | a = 6 = 3,85; c = 35,9 | 125 |
4 | Bi2Sr2Ca2Cu3010, (Bi – 2223) | Rombikujuline | a = 6 = 5,41; c = 37,1 | 110 |
5 | HgBa2CaCu206, (Hg -1212) | Nelinurkne | a = b = 3,86, c = 12,7 | 121 |
6 | HgBa2CaCu308, (Hg -1223) | Nelinurkne | a = b = 3,85; c = 15,9 | 133 |
7 | HgBa2Ca3Cu40ie, (Hg – 1234) | Nelinurkne | a = b = 3,85; c = 19,0 | 127 |
Tabel 5.8.1.
Ülijuhtivus ei ole üksikute aatomite, vaid kogu nende kollektiivi, proovi aatomistruktuuri omadus. See tekib siis, kui aatomitevahelised kaugused, vähemalt piki kristallvõre ühte suunda, võimaldavad praegustel efütonitel seda mööda vabalt liikuda ja nende koostoime aatomitevahelise eetervälja efütonitega tuleks vähendada nullini.
Aatomitevahelised kaugused määratakse kristallvõre kuju, aatomite elektrooniliste kestade (aatomite tüübid) struktuuriomaduste ja ka temperatuuri järgi. Suurima "panuse" aatomitevaheliste kauguste väärtusse annab kristallvõre kuju. Sellest annab tunnistust lantaani, ütriumi, telluuri, vismuti ja elavhõbeda baasil saadud HTSC-de kihiline struktuur. Kõik need sulamid on tetragonaalse või rombilise kristallvõre kujuga. Esimeses on elementaarrakk korrapärase fikseeritud külgedega tetraeedrilise prisma välimusega (a = b ~ 3,85 A, c ~ 12,5 - 36 A) ja teises.
sülem - ristkülikukujuline rööptahukas suvaliste külgedega.
Puhastes metallides oleneb ülijuhtivuse nähtus väga palju ka kujust; restid. Eelkõige on hall tina pooljuht ja valge tina ülijuht, mille jaoks Tit =
= 3,72 K ja kahel lantaani kristallilisel modifikatsioonil on erinevad Tk väärtused.
Kehatemperatuuri langedes väheneb efütoonide vibratsiooni amplituud aatomite elektroonilistes kestades, mille tulemusena väheneb iga aatomi ruumala ja aatomitevahelised kaugused võres, hoolimata keha suuruse vähenemisest. tervikuna, võib suureneda. Samal ajal toimub aatomitevaheliste kauguste muutus ühikelemendi külgedel, eriti sulamites, erineval viisil. See pool, kus aatomite vahelised kaugused olid suuremad, kasvab suuremal määral. Seda seletatakse asjaoluga, et väiksema aatomitevahelise kauguse korral on aatomitevahelise interaktsiooni jõud alati tugevam ja seetõttu on ka vastupidavus nendevahelise kauguse suurendamisele tugevam. Aatomitevaheliste kauguste suurenemine toob omakorda kaasa efütoonide tiheduse vähenemise aatomitevahelises eeterväljas.
Aatomitevaheliste kauguste ebaühtlane muutumine kristallvõre erinevatel tahkudel temperatuuri langusega põhjustab aatomite nihkumise nende tasakaaluasendist ja võre enda struktuuri perioodilisuse muutumise. Aine kristallvõre kuju järsk muutus toimub ilmselt siis, kui temperatuur langeb väärtuseni Tt, mis on võrdne negatiivse Curie punktiga.
Kristallvõre kuju kiire muutumine põhjustab aatomitevaheliste kauguste suurenemise piki selle üksikuid tahke, et aatomitevahelise eetervälja tihedus neis väheneb.
tic suurus. Lisaks väheneb madalatel temperatuuridel oluliselt efütoonide võnkumiste amplituud. Sellise interatomilise eetervälja tiheduse ja selle võnkumiste väikese amplituudiga tekivad efütoonide suunalise liikumise mõjul selles lööklaine kujul omapärased “katked”, mis võimaldavad voolul vabalt liikuda. läbi kristallvõre, kui voolu efütonide elektromagnetilise vastastikmõju jõud aatomitevahelise eetervälja efütonitega väheneb nullini. Selle jõu suurus sõltub nii aatomite elektroonilisest konfiguratsioonist kui ka ülijuhi temperatuurist.
Nagu on näha tabelist 5.8.2, saab kõik ülijuhid rühmitada kahte rühma vastavalt nende aatomite elektroonilisele konfiguratsioonile. Esimesse rühma kuuluvad peamiselt perioodilisuse tabeli rühmade 3-5 elemendid ja teise rühma 12-14 rühmade elemendid.
Tabel 5.8.2
Üldreegel kõikide ülijuhtide puhul on, et viimase sisekihi täitmine lõpeb elektronidega d olekus (täielikus või mittetäielikus koostises), s.o. nende elektronkestad ei sisalda fag olekuga elektrone.
Esimese rühma ülijuhtidele on elektroonilise konfiguratsiooni iseloomulik tunnus see, et aatomi elektronkihi väliskihis on peamiselt 2 elektroni s-olekus (nioobiumil on I elektron) ja lähimas sisekihis. enne täielikku täitumist pole piisavalt 6-9 elektroni (tingimuses d). Sel juhul algab väliskihi täitmine elektronidega (olekus s) siis, kui eelmises kihis olekus d elektrone veel pole. See tähendab, et elektronide omavahelise vastasmõju tulemusena osutub väliskihi s-olekus oleva elektroni energia väiksemaks kui mis tahes elektroni energia eelmise kihi d-olekus, s.t. Esimese rühma ülijuhtides osutub väliskihis olevate elektronide energia tähtsusetuks. Ja veel, kahe elektroni magnetmomendid, mis asuvad aatomi välimises elektronkihis, kipuvad "spin-rotatsiooni" jõudude mõjul võtma vastupidiseid suundi.
Märkmed Tabelis ei ole toodud keemilisi elemente uraan (92U 5 f3/6dl/7s2 - periood 7, rühm 6) ja iriidium (77Ir 5d7/6s2 - periood 6, rühm 9), mis on samuti ülijuhid. Andmed elektronkihi struktuuri kohta sisaldavad elemendi aatomnumbrit, elemendi sümbolit ja elektroonilist konfiguratsiooni. Niisiis, lantaani puhul: 57 on aatomarv, La on elemendi sümbol, 5dl/6s2 on elektrooniline konfiguratsioon (5. kihis on üks elektron d olekus ja 6. kihis s olekus on kaks elektroni). Võimalik elektronide arv kestas kihtide kaupa: esimeses kihis (tuumast) - mitte rohkem kui 2, teises - mitte rohkem kui 8, kolmandas - mitte rohkem kui 18, neljandas - mitte rohkem kui 32, viiendas - mitte rohkem kui 18 (Z lt juures; 89 või mitte rohkem kui 32 juures Z gt; 89), kuuendas - mitte rohkem kui 8, seitsmendas - mitte rohkem kui 2. Iga elektronikiht aatom on järjestikku täidetud elektronidega olekutes s, p, d, f, g. Maksimaalne võimalik elektronide arv igas olekus: s - 2, p - 6, d - 10, f - 14, g - 18
Elektronide magnetmomentide sellise orientatsiooni korral muutub nende kogumagnetmoment võrdseks nulliga, st elektronidel on minimaalne mõju orientatsioonile piki aatomitevahelise eetervälja efütoonide magnetkomponenti.
Teise rühma ülijuhtides lõpeb aatomite viimase sisemise elektroonilise kihi täitmine elektronide täieliku koostisega d-olekus (d = 10) ja välimine elektroonikakiht sisaldab 1, 2 või 3 elektroni. See tähendab, et kuna igas kihis olevate aatomite elektronkihtide sisemised kihid sisaldavad paarisarv elektrone, peab nende kogumagnetmoment olema null. Kui väliskihis on kaks elektroni, siis on ka nende kogumagnetmoment null, s.t. sel juhul on aatom tervikuna magnetiliselt neutraalne. Kui väliskihis on paaritu arv elektrone (I või 3), siis ühe elektroni magnetmomenti ei kompenseerita ja see võib avaldada teatud mõju aatomitevahelise eetervälja efütoonide orientatsiooni piki magnetkomponenti.
Kuna teise rühma ülijuhtide aatomitel on viimases sisemises elektronkihis alati 10 elektroni, siis "sõeluvad" nad Coulombi tõmbejõude aatomituuma ja välimiste elektronide vahel tugevamini kui esimese rühma ülijuhtides. Seetõttu saab väliskihi paaritu elektron kergemini muuta oma magnetmomendi orientatsiooni voolu efütoonide mõjul.
Seega mõjutavad ülijuhtivuse nähtuse esinemist metallides ja sulamites järgmised peamised tegurid: aine kristallvõre struktuur ja kuju, aatomikestade elektrooniline konfiguratsioon ja temperatuur. Kõigi nende tegurite mõju ülijuhtivuse avaldumisele on keeruline.
Kui ülijuhi temperatuur langeb negatiivse Curie punktini (-Tc), kiire muutus kristallvõre kuju ja aatomitevahelise eetervälja võnkumiste amplituudi vähenemine, mis põhjustab aatomitevaheliste intervallide järsu suurenemise piki võre üksikuid tahke, aatomitevahelise eetervälja tiheduse ja selle energia vähenemist. Suured aatomitevahelised intervallid ja aatomitevahelise eetervälja madal energia toovad kaasa asjaolu, et selles väljas toimuvad praeguste efütoonide suunalise liikumise mõjul lööklaine kujul omapärased "katked", mis võimaldavad sellel takistamatult liikuda. mööda kristallvõre. Seda soodustavad ülijuhtaatomite kestade elektroonilised konfiguratsioonid, mille väliskihtide elektronid praktiliselt ei mõjuta aatomitevahelise eetervälja efütoonide orientatsiooni, mis vähendab selle efütoonide elektromagnetilise interaktsiooni jõudu. välja praeguste efütoonidega nullini. Takrv võimalik mehhanismülijuhtivuse nähtuse esinemine.
Vaatleme ülijuhtide põhiomaduste avaldumismehhanismi elektrivoolu eeterliku olemuse vaatenurgast. Arvatakse, et ülijuhis voolab elektrivool edasi ka pärast pinge väljalülitamist. See väide põhineb Kamerlingh Onnesi (1911) kogemusel.
Elektromagneti pooluste vahele asetati puhtast tahkest elavhõbedast suletud juht. Kui elektromagneti mähises vool välja lülitati, tekkis juhis indutseeritud vool, mis tavatingimustes kiiresti tuhmus. Kui juht jahutati vedela heeliumiga temperatuurini alla 4,21 K, vähenes selle takistus järsult ja induktsioonivool jätkus läbi juhi mitu tundi ilma märgatava nõrgenemiseta. Sarnane katse viidi läbi 1959. aastal. 2,5 aastat pärast katse algust rõngast läbiva voolu vähenemist ei tuvastatud.
Voolu vool läbi juhi elektripinge puudumisel (potentsiaalide erinevus), isegi juhi nulltakistusega, on vastuolus loodusseadustega ja terve mõistusega, eriti kuna juhi nulltakistust ei ole võimalik saavutada ühegi vahendi ega vahendiga. . Elavhõbedaga tehtud katsete aruanded ei näidanud, kuidas ülijuhi voolu mõõdeti. Kuid see ei saanud olla otsese mõõtmise meetod, vaid suure tõenäosusega põhines juhi ümber oleva magnetvälja tugevuse suuruse mõõtmisel, millest Biot-Savart seaduse abil määrati voolu suurus. Kui see on nii, siis voolu eeterliku olemuse seisukohalt selgitatakse ülijuhis pideva voolu mõju ilma märgatava nõrgenemiseta ja pinge puudumisel järgmiselt.
Vool on teatud viisil orienteeritud eeterlike osakeste - efütoonide - suunatud translatsiooniline liikumine. Vooluefütonites langeb elektrikomponendi suund alati kokku voolu suunaga ja magnetkomponent on elektrilisega risti. Vool voolab piirkonnast kõrge kontsentratsioon efütoonid (plussist) madalama kontsentratsiooniga piirkonda (miinusesse) piki aatomitevahelist eetervälja. Praegused efütoonid, olles bosonid, "sunnivad" ümbritseva ruumi efütone kooskõlastama oma magnetkomponentide suundi omadega. See loob juhi ümber magnetvälja. Efütoonide tiheduse juhis määrab juhti läbiva voolu tugevus. Kui toide on välja lülitatud, võrdsustub efütoonide tihedus kogu juhi ulatuses, säilitades samal ajal nende orientatsiooni. Vastavalt sellele säilib ka ümbritseva ruumi efütoonide orientatsioon, s.o. magnetväli juhi ümber säilib. Ja kui ülijuhi voolu suurust mõõdetakse seda ümbritseva magnetvälja tugevuse järgi, loob see vale pildi selles oleva voolu olemasolust. Ülijuhi ümbritseva magnetvälja säilimine pärast selles oleva voolu väljalülitamist selgitab selle järgmist huvitavat omadust. Ülijuhtivale plaadile langev magnet ripub õhus ja jääb rippuma seni, kuni ülijuhtplaat jahutatakse kriitilisest temperatuurist madalamale temperatuurile. Magneti langedes ergastab selle magnetväli plaadis ringvoolu, mille magnetväli magneti tõrjub. Pärast magneti rippumist elektrivool kaob, kuid plaadi ümber olev magnetväli jääb alles ja see hoiab magnetit jätkuvalt rippumas. Ülijuhtivus võib hävida juhtudel, kui proovi läbib piisavalt suur vool, samuti välise magnetvälja toimel.
Ülijuhi üks omadusi on maksimaalne vool Imajf, mis võib seda läbida ilma märgatava takistuseta. Ja kui vool I ületab Imai väärtust, siis ülijuhtivus hävib. Seda seletatakse asjaoluga, et antud ülijuhi aatomitevahelised kaugused ja vastavalt ka "lüngad" aatomitevahelises eeterväljas ei suuda tagada sellise voolu takistamatut voolamist. Nii nagu on võimatu ilma takistuseta läbida suurt veejuga läbi väikese augu, nii on ka aatomitevahelises eeterväljas olevate väikeste “lünkade” kaudu suur efütoonide voog. Kui ma saan; Imax, tekivad keerised, efütoonide orientatsioon ja liikumissuund on häiritud, mis suurendab nende interaktsiooni aatomite eeterväljadega ja vastavalt sellele, et ilmneb vastupanu vooluvoolule.
Selle tulemusena muutub ülijuht tavalise juhi olekuks.
Olemasolevate ideede kohaselt elektromagnetismi olemuse kohta tuleks ülijuhis, mis on paigutatud mitte väga tugevasse magnetvälja, seda välja säilitada. Pealegi peab see püsima ka pärast magnetvälja väljalülitamist, kuna seda peavad säilitama ülijuhis indutseeritud voolud. Uuringutulemused näitavad aga, et midagi sellist ei täheldata.
Magnetväli on eeterväli, milles efütoonid on orienteeritud piki magnetkomponenti. Efütoonide orientatsioonivektori määrab välja suund ja selle intensiivsuse suurus. Kui kaks välja interakteeruvad saadud väljas, on efütoonide orientatsioon võrdne nende väljade efütoonide orientatsioonivektorite summaga. Ja kui välisesse magnetvälja asetatud ülijuhis see väli ei säili, siis on selle intensiivsus nii madal, et see ei avalda märgatavat mõju voolu efütoonide orientatsioonile, s.t. väline magnetväli on justkui ülijuhist välja surutud. Ja ainult ülijuhi pinnale ilmub väike kiht, milles täheldatakse tekkivat magnetvälja, mis kaitseb ülijuhti. Seda kihti nimetatakse läbitungimissügavuseks ja selle paksus on ligikaudu 10-5-10-6 cm. Kui suurendate magneti väärtust
välja, siis teatud tugevuse saavutamisel juhi ülijuhtivusomadus järsult hävib.
Ülijuhtivuse hävimine välise magnetvälja poolt toimub siis, kui selle välja B tugevus hakkab ületama magnetvälja tugevuse Bxp teatud kriitilist väärtust, mis sõltub ülijuhi temperatuurist ja geomeetrilistest mõõtmetest. Mida madalam on temperatuur ja mida õhem on ülijuht, seda suurem on Bxp Kui saavutatakse B = Bxp, hüppab ülijuht normaalse juhtivusega olekusse.
Rangelt võttes kehtib see täielikult ainult puhaste ülijuhtide kohta, mis koosnevad ühest metallist, nagu elavhõbe, sõna ja plii. Selliseid ülijuhte nimetatakse Ipoda ülijuhtideks.
II tüüpi ülijuhtidel, mis koosnevad lisanditega sulamitest või metallidest, on magnetvälja tugevuse kriitilisel väärtusel kaks väärtust: alumine Bxpii ja ülemine B. Välise magnetvälja tugevuse korral B lt;
lt; I ja II tüüpi ülijuhtide bispii omadused on samad. Kui välise magnetvälja tugevus jääb Bxpt lt piiresse; In lt; Bxpii, siis on ülijuhil samaaegselt nii ülijuhtivuse kui ka tavalise juhtivuse piirkonnad (segaolek).
Selles olekus on ülijuht justkui "läbistatud" tohutul hulgal normaalse juhtivusega filamente, mis on suunatud piki välja ja on paigutatud õigesse järjekorda. Läbilõikes moodustavad nad kolmnurksete rakkudega kristallvõrega sarnase perioodilise struktuuri (joon. 5.8.2). Lisaks on igal rakul südamik, mille läbimõõt on mikroni murdosa. Ülijuhtivus eksisteerib ainult filamentide vahel. Tavalise juhtivusega filamentide (Abrikosovi keerised) olemasolu ülijuhis kinnitavad uurimistulemused. Selleks puhastatakse ülijuhi ots kõige peenema ferromagnetilise pulbriga. Selle osakesed kogunevad kohtadesse, kus on magnetväli, s.t. keermete väljumiskohtades. Selle otsa vaatlused elektronmikroskoobiga näitavad, et niidid paiknevad perioodiliselt, moodustades korrapärase võre.
Kell B lt; Bkph, väline magnetväli, oma mõju kaudu praegustele efütonidele, ei ole veel võimeline avaldama olulist mõju nende orientatsioonile. Seetõttu puudub voolutakistus ja ülijuhtivus säilib kogu juhi piirkonnas. Ho kui Vkrglt; In lt; Bitpii, siis muutub väline magnetväli võimeliseks mõjutama praeguste efütoonide orientatsiooni piki magnetkomponenti kristallvõre nende tahkude piirkonnas, kus aatomitevahelised kaugused on minimaalsed. Efütoonide orientatsioonihäired toovad omakorda kaasa nende liikumissuuna muutumise ja osalise hajumise. Nii tekivad isoleeritud voolutakistuse piirkonnad, mis paiknevad piki ülijuhtide kristallvõre servi minimaalsete aatomitevaheliste vahemaadega. Need alad moodustavad normaalse juhtivusega "niite". Mida tugevam on magnetväli, seda rohkem filamente tekib ülijuhis.
Kui välise magnetvälja tugevus hakkab ületama Bxpt, muutub ülijuht tavaliseks juhiks. Selle nähtuse füüsiline tähendus on järgmine. Väline magnetväli intensiivsusega V gt; Biipt on juba võimeline oma magnetväljaga mõjutama voolu efütoonide orientatsiooni piki magnetkomponenti kogu ülijuhi piirkonnas, mis toob kaasa efütoonide liikumissuuna muutumise ja nende osalise hajumise, s.t. vastupanu tekkimiseni. HTSC klassi avastus näitas, et ülijuhtivus võib avalduda mitte tingimata absoluutse nulli lähedasel temperatuuril, vaid ka piisavalt kõrgel temperatuuril. See võib esineda ka sulamites, mille komponendid ise ei ole head juhid.
Niisiis, elektromagnetismi eeterliku olemuse ja aine struktuuri seisukohalt määrab metallides ja terastes täheldatud ülijuhtivuse järgmiste peamiste tegurite koosmõju: aine kristallvõre kuju, aine struktuurilised omadused. aatomite elektroonilised kestad, temperatuur ja välised tingimused(väline magnetväli).
Ülijuhtivus: avastamise ajalugu ja nähtuse olemus.
Avastamise ajalugu.
Ülijuhtivuse fenomeni avastamise aluseks oli tehnoloogiate väljatöötamine materjalide jahutamiseks ülimadalatele temperatuuridele. 1877. aastal jahutasid prantsuse insener Louis Cayette ja Šveitsi füüsik Raoul Pictet iseseisvalt hapniku vedelasse olekusse. 1883. aastal viisid Zygmunt Wróblewski ja Karol Olszewski läbi lämmastiku veeldamise. 1898. aastal õnnestus James Dewaril saada vedel vesinik.
1893. aastal hakkas Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes uurima ülimadalate temperatuuride probleemi. Tal õnnestus luua maailma parim krüogeenne labor, milles ta sai 10. juulil 1908 vedelat heeliumi. Hiljem õnnestus tal viia selle temperatuur 1 Kelvinini. Kamerlingh Onnes kasutas vedelat heeliumi metallide omaduste uurimiseks, eelkõige selleks, et mõõta nende elektritakistuse sõltuvust temperatuurist. Tollal eksisteerinud klassikaliste teooriate järgi peaks takistus temperatuuri langedes järk-järgult langema, kuid oli ka arvamus, et liiga madalal temperatuuril elektronid praktiliselt seiskuvad ja metall voolu juhtiva täielikult. Kamerlingh Onnesi koos abilistega Cornelis Dorsmani ja Gilles Holstiga tehtud katsed kinnitasid algselt järeldust takistuse sujuvast vähenemisest. 8. aprillil 1911 avastas ta aga ootamatult, et 3 Kelvini (umbes −270 °C) juures on elavhõbeda elektritakistus praktiliselt null. Järgmine katse, mis viidi läbi 11. mail, näitas, et takistuse järsk langus nullile toimub temperatuuril umbes 4,2 K (hiljem näitasid täpsemad mõõtmised, et see temperatuur on 4,15 K). See mõju oli täiesti ootamatu ja seda ei saanud seletada tollal eksisteerinud teooriatega.
1912. aastal avastati veel kaks metalli, mis lähevad madalatel temperatuuridel ülijuhtivasse olekusse: plii ja tina. Jaanuaris 1914 näidati, et ülijuhtivust hävitab tugev magnetväli. 1919. aastal avastati, et ka tallium ja uraan on ülijuhid.
Nulltakistus ei ole ülijuhtide ainus eristav tunnus. Üks peamisi erinevusi ülijuhtide ja ideaaljuhtide vahel on Meissneri efekt, mille avastasid Walter Meissner ja Robert Ochsenfeld 1933. aastal.
Esimese teoreetilise seletuse ülijuhtivuse kohta andsid 1935. aastal Fritz ja Heinz London. Üldisema teooria konstrueerisid 1950. aastal L. D. Landau ja V. L. Ginzburg. See on laialt levinud ja on tuntud kui Ginzburg-Landau teooria. Need teooriad olid aga olemuselt fenomenoloogilised ega paljastanud ülijuhtivuse üksikasjalikke mehhanisme. Ülijuhtivust selgitati esmakordselt mikroskoopilisel tasemel 1957. aastal Ameerika füüsikute John Bardeeni, Leon Cooperi ja John Schriefferi töödes. Nende teooria keskne element, mida nimetatakse BCS-teooriaks, on niinimetatud Cooperi elektronide paarid.
Hiljem avastati, et ülijuhid jagunevad kahte suurde perekonda: I tüüpi ülijuhid (mis sisaldab eelkõige elavhõbedat) ja II tüüpi ülijuhid (mis on tavaliselt erinevate metallide sulamid). II tüüpi ülijuhtivuse avastamisel mängisid olulist rolli L.V.Shubnikovi töö 1930. aastatel ja A. A. Abrikosovi töö 1950. aastatel.
Praktiliseks kasutamiseks võimsates elektromagnetides suur tähtsus aastal avastati ülijuhid, mis on võimelised taluma tugevaid magnetvälju ja kandma suurt voolutihedust. Nii avastati 1960. aastal J. Künzleri eestvedamisel Nb3Sn materjal, millest traat on võimeline läbima voolu tihedusega kuni 100 kA/cm² temperatuuril 4,2 K, olles magnetis. väli 8,8 T.
1962. aastal avastas inglise füüsik Brian Josephson efekti, mis sai tema nime.
1986. aastal avastasid Karl Müller ja Georg Bednorz uut tüüpi ülijuhid, mida nimetatakse kõrgtemperatuurilisteks ülijuhtideks. 1987. aasta alguses näidati, et lantaani, strontsiumi, vase ja hapniku ühendite (La-Sr-Cu-O) juhtivus hüppab temperatuuril 36 K peaaegu nullini. 1987. aasta märtsi alguses saadi ülijuht esimest korda vedela lämmastiku keemistemperatuurist kõrgemal temperatuuril (77,4 K): avastati, et ütriumi, baariumi, vase ja hapniku ühendil (Y-Ba-Cu-O) on see omadus. Rekord kuulub 2006. aasta 1. jaanuari seisuga 2003. aastal avastatud keraamilisele ühendile Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), mille kriitiline temperatuur on 138 K. Pealegi on 400 kbar rõhul sama ühend on ülijuht temperatuuril kuni 166 K.
2015. aastal püstitati uus temperatuurirekord, mille juures ülijuhtivus saavutatakse. H 2 S (vesiniksulfiid) puhul rõhul 100 GPa registreeriti ülijuhtiv üleminek temperatuuril 203 K (-70 ° C).
Ülijuhtivuse mõiste.
Ülijuhtivus- mõnede materjalide omadus omada rangelt nulli elektritakistust (konstantse voolu korral), kui need saavutavad temperatuuri alla teatud väärtuse (kriitiline temperatuur)
Ülijuhtiv olek tekib järsult temperatuuril, mida nimetatakse üleminekutemperatuuriks. Üle selle temperatuuri on metall või pooljuht normaalses olekus ja selle all - ülijuhtivas olekus. Antud aine üleminekutemperatuuri määrab kahe „vastupidise jõu“ suhe: üks kipub elektrone järjestama ja teine seda järjestust hävitama. Füüsikud nimetavad ülijuhtivat olekut makroskoopiliseks kvantmehaaniliseks olekuks. Kvantmehaanikat, mida tavaliselt kasutatakse aine käitumise kirjeldamiseks mikroskoopilisel skaalal, rakendatakse siin makroskoopilisel skaalal. Just asjaolu, et kvantmehaanika võimaldab siin seletada aine makroskoopilisi omadusi, muudab ülijuhtivuse nii huvitavaks nähtuseks.
Klassifikatsioon.
Ülijuhtide klassifitseerimisel on mitu kriteeriumi. Siin on peamised:
Vastavalt nende reaktsioonile magnetväljale: nad võivad olla I tüüpi, mis tähendab, et neil on üks tähendus magnetväli Hc, millest kõrgemal kaotavad nad ülijuhtivuse. Või II tüüp, mis tähendab magnetvälja kahe kriitilise väärtuse H c1 ja H c2 olemasolu. Kui selles vahemikus rakendatakse magnetvälja, tungib see osaliselt ülijuhti, säilitades samal ajal ülijuhtivad omadused.
Vastavalt nende kriitilisele temperatuurile: madal temperatuur, kui Tc< 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.
Materjali järgi: puhas keemiline element(nagu plii või elavhõbe, kuid mitte kõik elemendid ei jõua ülijuhtivasse olekusse puhtal kujul), sulamid (näiteks NbTi), keraamika (näiteks YBCO, MgB 2), rauapõhised ülijuhid, orgaanilised ülijuhid jne.
Ülijuhtide põhiomadused
Elektritakistus null. Alalisvoolu korral on ülijuhi elektritakistus null. Seda demonstreeriti katses, kus suletud ülijuhis indutseeriti elektrivool, mis voolas selles sumbumata 2,5 aastat (katse katkestas krüogeenseid vedelikke tarnivate töötajate streik).
Kriitiliste omaduste saadavus:
Kriitiline magnetväli (kriitiline induktsioon). Kriitiline magnetväli on välja väärtus, millest kõrgemal ülijuht on normaalses olekus. Kriitilised väljad ulatuvad tavaliselt mitmekümnest gaussist kuni mitmesaja tuhande gaussini, olenevalt ülijuhist ja selle metallofüüsikalisest olekust. Antud ülijuhi kriitiline väli muutub sõltuvalt temperatuurist, vähenedes selle tõustes. Üleminekutemperatuuril on kriitiline väli null ja absoluutses nullis maksimaalne
Riis. 2. ÜLIJUHTIVUS hävib tugevate magnetväljade ja kõrgete temperatuuride mõjul. Esitatud on tina magnetvälja – absoluutse temperatuuri faasidiagramm. Punktile vastavatel tingimustel A, tina on normaalses mitteülijuhtivas olekus. Kui see on punktini jahutatud IN, siis see muutub
ülijuhtiv.
Kriitiline vool. Kriitiline vool on maksimaalne alalisvool, mida ülijuht suudab vastu pidada ilma ülijuhtivust kaotamata. Nagu kriitiline magnetväli, sõltub kriitiline vool tugevalt temperatuurist, vähenedes selle suurenedes.
Kriitiline temperatuur. Temperatuur T c, mille saavutamisel toimub hüpe, nimetatakse kriitiliseks. Hoolikas uuring näitab, et sellist üleminekut täheldatakse teatud temperatuurivahemikus. Kriitiline temperatuur on iga aine puhul erinev.
Riis. 3"ülijuhtiva ülemineku" tüüp. Proovi takistuse sõltuvus temperatuurist 1 (rohkem “puhas”) ja 2 (rohkem “räpane”). Kriitiline temperatuur T c tähistab ülemineku keskpunkti, kui takistus langeb pooleni normaalväärtusest. Sügise algus - T c0 , lõpp - T ce
ÜLIJUHTIVUS
2007 Lobatšev V.V.*, Jarzemski V.G.*, Kholmanski A.S.**
Töö annab lühiülevaate ülijuhtivuse teooriatest ning analüüsib kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse probleeme.
SISSEJUHATUS
Ülijuhtivuse fenomen (1911) avastati kolm aastat pärast vedela heeliumi saamist. Kell normaalsed rõhud heelium muutub vedelaks temperatuuril ~ 4,2 K. Hollandi füüsik K. Kamerlingh-Onnes avastas, et nii madalatel temperatuuridel kaob osade metallide elektritakistus järsult.
Metalliproov ühendatakse pingeallikaga ja jahutatakse vedela heeliumiga. Voltmeetriga mõõdetud pingelang proovis muutus nulliks, kui temperatuur langes alla teatud kriitilise Tc. IN alternatiivneülijuhtrõngas asetati selle tasapinnaga risti magnetvälja. Pärast magnetvälja väljalülitamist ergastati rõngas induktsioonivool. Tavalistes metallides laguneb see vool kiiresti. Ülijuhis püsib ja voolab vool lõputult. pikka aega. Praegu näitavad peened katsed, et ülijuhi eritakistus ei ole vähemalt suurem kui . See väärtus sisse
väiksem kui hea juhi – vase – eritakistus. Hindame ülijuhtiva voolu vaibumisaega.
Riis. 1. B ja T suhe c.
Hiljem avastati, et ülijuhtiv olek hävib mitte ainult siis, kui temperatuur tõuseb üle teatud Tk, vaid ka magnetvälja ja ülijuhtiva voolu piirväärtuste (Vk ja Ik) korral. Joonisel fig. 1 näitab ligikaudset seost
.
ÜLIJUHT JA IDEAALNE DIREND
Kuna ülijuhi takistus on väga nullilähedane, siis arvati pikka aega, et ideaalse juhi (R = 0) ja ülijuhi omadused on samad. Kuid selgus, et see kehtib ainult elektritakistuse kohta. Magnetväljas tuvastatakse erinevused vastavate proovide vahel. Võtame ideaalse juhi, mille temperatuur on väiksem kui Tc. Kui see sisestatakse magnetvälja, jääb null-magnetvoog nulliks, kuna proovis tekivad pöörisvoolud, mis kompenseerivad välise magnetvoo suurenemist (seega magnetinduktsioon B = 0). Kui lülitate magnetvälja kriitilisest temperatuurist kõrgemal temperatuuril, seejärel jahutage proovi, siis jääb magnetväli sel juhul ideaalsesse juhti. Tekkivad pöörisvoolud ei lase sellel muutuda.
Ülijuhis, nagu Meissner ja Ochsenfeld 1933. aastal avastasid, on magnetväli alati null. Kui ülijuhtnäidis läheb üle ülijuhtivasse olekusse, siis selle sees olev magnetväli muutub kohe nulliks, sõltumata sellest, kas proov oli enne üleminekut välises magnetväljas või mitte.
Magnetväli surutakse ülijuhist välja. Sellest järeldatakse, et ülijuht ja ideaalne juht on oma olemuselt põhimõtteliselt erinevad.
ÜLIKJUHTIVUSE TEOORIATE ÜLEVAADE
Esimene katse ülijuhtivust seletada oli vendade G. Londoni ja F. Londoni teooria (1935). Saadi võrrandid, mis kirjeldavad paljusid ülijuhtide omadusi. Eeldati, et ülijuhis olevaid elektrone saab käsitleda kahe rühmana: ülijuhtivad ja normaalsed elektronid (kahe vedeliku mudel).
Null kraadi juures muutuvad kõik elektronid ülijuhtivaks. Temperatuuri tõustes suureneb ülijuhtivate elektronide tihedus väheneb ja läheb nulli, kui T=Tc Ülijuhtivad elektronid ei tunne liikumisel takistust. Elektrivälja pole selliseks liikumiseks vaja – ülijuhtivad elektronid liiguvad justkui inertsist. Elektrivälja puudumisel on normaalsed elektronid puhkeolekus.
Ülijuht ei avalda takistust ainult siis, kui vool on konstantne. Vahelduvvoolu korral on takistus nullist erinev ja mida suurem on vahelduvvoolu sagedus, seda suurem.
Magnetväli ei ole null õhukeses pinnaväljas, mille paksuse annab
Ginzburg ja Landau rakendasid ülijuhtivuse teooriale fenomenoloogilist lähenemist, võttes arvesse nähtuse kvantiseerimist ja kirjeldasid seda kui teist järku faasisiiret. Teist järku faasisiire on muutusteta üleminek agregatsiooni olek. Muutub vaid kristallvõre sümmeetria ja füüsikaliste suuruste temperatuurisõltuvuse kulg.
Hiljem (1961) avastasid Deaver ja Fairbank eksperimentaalselt ülijuhtiva rõngaga seotud magnetvoo kvantimise. Asetame rõnga T > T c magnetvälja. Alandame temperatuuri ja viime rõnga ülijuhtivasse olekusse, seejärel lülitame magnetvälja välja. Faraday-Lenzi seaduse kohaselt tekib induktsioonivool, mis takistab magnetvoo muutumist. Kuna rõnga takistus on null, siis see vool ei vähene. Pealegi ei saa sellise "külmunud magnetvoo" väärtus olla meelevaldne. Ja seda väljendatakse valemiga
, kus n on täisarv.
Tavalises juhis kaasneb voolu läbimisega soojuse eraldumine (Joule-Lenzi seadus). See soojus tekib elektronide kokkupõrkest kristallvõrega. Elektronide kineetiline energia muundatakse võre vibratsioonienergiaks (soojusenergiaks).
Siis saab ülijuhtivuse nähtuse olemuse sõnastada järgmiselt: madalatel temperatuuridel ei saa kristallvõre mingil põhjusel liikuvatelt elektronidelt energiat vastu võtta. Miks? Ülijuhtivuse fenomeni mõistmiseks peame meeles pidama, et elektronid ja aatomid kristallides alluvad kvantmehaanika seadustele, mille kohaselt saab energiat üle kanda vaid teatud osades – kvantides. Nii kristallis olevate vabade elektronide energiad kui ka kristallvõre vibratsioonid on kvantiseeritud. Võre vibratsioonide kvantloomus avaldub siis, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile. Võre suudab elektronile üle kanda ainult väga spetsiifilise energia – võnkekvanti energia. Siis võib tekkida ülijuhtivus, kui vibratsioonienergia kvant on väiksem kui elektronide energiatasemete vaheline kaugus. Sellisel juhul ei piisaks ühest vibratsioonikvandist elektroni üleviimiseks teisele energiatasemele. Kuid see pole nii – metallides on elektronid peaaegu vabad ja tasemete vaheline kaugus on tühine. Seetõttu vahetavad üksikud elektronid isegi väga madalatel temperatuuridel võrega vabalt energiat.
Teoreetiliselt lahendasid ülijuhtivuse probleemi puhastes metallides Bardeen, Cooper ja Schrieffer, luues teooria, mida nimetatakse BCS-teooriaks. Nad tegid ettepaneku, et elektronid moodustavad kristallvõre vibratsiooniga interaktsiooni tõttu paare, mida nimetatakse Cooperi paarideks. Ülijuhtvool on elektronpaaride suunatud liikumine, mis toimub elektrivälja mõjul. Kuid elektronid suhtlevad võre vibratsiooniga eraldi. Seetõttu peavad võre vibratsioonid paarile energia ülekandmiseks esmalt paari hävitama ja seejärel energia üle kandma ühele elektronidest.
Cooperi paaridel on sisemine sümmeetria, mille mõistmiseks peame meeles pidama mõningaid kvantmehaanika põhimõtteid. Elektronid alluvad Pauli printsiibile, s.t. Ühes kvantolekus ei saa olla rohkem kui üks elektron. Pauli printsiibi tõttu ei saa kõikidel elektronidel tahkises olla nullmomenti. Juhtivuselektroni impulsid täidavad järjestikku ruumala impulsiruumis, mida piirab pind, mida nimetatakse Fermi pinnaks. Teoorias tahke Impulsi p asemel on tavaks kasutada lainevektorit k, mis on impulsiga seotud seosega:
Р = nk
Elektronidel on veel üks puhtalt kvantvabadusaste – spin. Visuaalseks tõlgendamiseks kujutatakse spinni elektroni pöörlemisena ümber oma telje. Nii nagu suvaliselt valitud pöörlemistelje jaoks on kaks pöörlemissuunda, on kaks pöörlemissuunda üles ja alla. Seetõttu võib impulsiruumi igas punktis olla kaks elektroni, mis pöörlevad üles ja alla. Ilmselgelt ei saa sügaval Fermi pinna sees asuvad elektronid Pauli printsiibi tõttu oma impulssi vähesel määral muuta, sest kõik lähedalasuvad tasemed on hõivatud. Juhtivuses osalevad ainult Fermi pinna lähedal asuvad elektronid. Välja rakendamisel muudavad Fermi pinna lähedal olevad elektronid oma impulssi. Pauli põhimõte seda ei takista, sest naaberriigid on vabad. Nii tekib juhtides tavaline vool.
Nüüd peame mõistma, kuidas ülijuhtiv vool võib tekkida. Kvantmehaanikast on teada, et kahe elektroni vastasmõjul tekib kaks energiataset: ühe energiaga on suurem kui kahe oleku energiate summa ja teisel vähem. Ja elektronide paar on madalaima energiatasemega. Nüüd, enne impulsi ülekandmist elektronile, peavad võrevõnked paari hävitama ja selleks peab võrevõnke kvanti energia olema suurem kui paari sidumisenergia. Seega pidi BCS leidma elektronidevahelise interaktsiooni tüübi ja määrama paari struktuuri. BCS-teooria kohaselt on kaks Fermi pinnal paiknevat vastandmomendiga elektroni seotud paariks. Paari kogumoment on null. Elektrivälja rakendamisel muutub paaris olevate elektronide impulss veidi ja paari massikese hakkab liikuma intensiivsusvektori suunale vastupidises suunas. Tavalise ülijuhtide paari Cooperi paari elektronidel on vastupidised spinnid. Sellist paari nimetatakse singletiks. Paari energia väheneb koosmõjul fonoonidega (võrevõnked). Viimast oletust kinnitab isotoobiefekt. Aatomid asendati isotoopidega – sama arvu prootonitega, kuid erineva prootonitega aatomitega aatommass Samal ajal muutus üleminekutemperatuur. Kuna võre vibratsioonide energia sõltub aatomite massist, siis isotoopefekti olemasolust tehakse järeldus elektronide vahelise atraktiivsuse potentsiaali olemuse kohta. Klassikaliste BCS ülijuhtide oluline omadus on ka Cooperi sidumise isotroopia (sfääriline sümmeetria). Kõik teatud impulsiga elektronid, sõltumata selle suunast, moodustavad temperatuuri langedes samaaegselt Cooperi paare.
Sõnastame nüüd ülijuhtide põhiomadused, mis tulenevad BCS-teooriast:
Cooperi paarid on singletid (paaris olevate elektronide spinnid on suunatud vastassuundades).
Ülijuhtiv olek on sfääriliselt sümmeetriline
Magnetväljad takistavad ülijuhtivust.
Ülijuhtivus tuleneb elektroni-fononi interaktsioonist.
Ülijuhtivust täheldatakse puhastes metallides.
ABRikosovi pöörised
Magnetvälja II tüüpi ülijuhi pinnale tungimise mehhanismi selgitamiseks osutus A. A. Abrikosovi poolt välja töötatud ja eksperimentaalselt kinnitatud elektronpööriste kontseptsioon väga viljakaks. Kõige lihtsamal juhul on keeris õhuke silindriline toru (raadiusega umbes 0,1 μm), mille kaudu saab magnetvoog tungida ülijuhti (joonis 2). Magnetvälja hoiavad keerises elektrivoolud, mis voolavad ümber toru telje.
Joonis 2. Segaseisundi skeem (Šubnikovi faas). Magnetväli ja ülijuhtivad ringvoolud on näidatud kahel keerisfilamendil.
Keeris on sisuliselt ülijuhis olev auk ja seda läbiv magnetvoog tuleb kvantifitseerida. Abrikosovi lahenduse järgi moodustavad keerised korrapärase võre, mille struktuur segaoleku korral tehti kindlaks elastse neutronite hajumise katsetes.
KÕRGE TEMPERATUURI ÜLIJUHTIVUSE PROBLEEMID
1986. aastal ilmusid Mülleri ja Bednorzi tööd, milles avastati ülijuhtivus oksiidides La 1,8 Ba 0,2 CuO 4 ebatavaliselt kõrgetel temperatuuridel T c = 100 K. Seda uut tüüpi ülijuhtivust nimetati kõrgtemperatuuriliseks HTSC-ks. On tähelepanuväärne, et teost, mille eest hiljem Nobeli preemia anti, ei avaldatud prestiižseim USA-s ilmunud füüsikaajakiri Physical Review ja Saksa ajakirja Zeitschrift Fur Fusik. Fakt on see, et autorid saatsid artikli algselt Physical Review'ile, kuid arvustajad lükkasid artikli tagasi: kuna ülijuhtivus oksiidides ja isegi nii kõrgel temperatuuril ei saa eksisteerida! Sarnane lugu juhtus nende samade ühenditega NSV Liidus. Need ühendid sünteesisid I. S. Shaplygin ja V. B. Lazarev NSVL Teaduste Akadeemias aastal 1979. Autorid avastasid nende ühendite juhtivuse ebatavalise temperatuurisõltuvuse. Nad ei testinud ülijuhtivust madalamatel temperatuuridel, sest nad ei saanud eeldada, et nende proovid olid ülijuhtivad. Nad kontrollisid seda alles pärast Mullerit ja Bednoretsit!
Kuid isegi 2-3 aastat enne HTSC avastamist saadi ülijuhid mitte sellise rekordilise Tc-ga, vaid sama ebatavaliste omadustega - nn raskete fermionidega TFSC ülijuhid. Need on 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 K). HTSC ja TFSC on ühendatud ühes sõnas - ebatavalised ülijuhid. Praegu aktsepteeritud definitsiooni järgi on ülijuhid need, mille ülijuhtivus ei ole sfääriliselt sümmeetriline, s.t. Mõnes punktis ja Fermi pinna joontel Cooperi sidumine puudub. Ebatavalised ülijuhid erinevad eksperimentaalselt tavalistest füüsikaliste suuruste temperatuurisõltuvuse poolest. Tavalistes ülijuhtides on füüsikaliste suuruste, näiteks soojusjuhtivuse, temperatuurisõltuvus eksponentsiaalne. Ebatavalistes ülijuhtides on füüsikaliste suuruste temperatuurisõltuvus võimsusseadus.
Ülijuhtiva oleku teine oluline omadus on selle paarsus, s.o. kuidas ruumilise inversiooni mõjul muutub paari lainefunktsioon I. Kooligeomeetrias vaadeldakse tsentraalselt sümmeetrilisi kujundeid, mis kõikide koordinaatide märgi muutmisel ei muutu, ja kujundeid, millel see omadus puudub. Kvantmehaanikas, kui kristallstruktuur on tsentraalselt sümmeetriline, on võimalikud kaks olekut, mida iseloomustab inversiooni I toime lainefunktsioonile Ψ(R). Isegi öelda:
Veider olek:
Kvantmehaanika seaduse järgi on nii, et kui paaris olevate elektronide spinnid on suunatud vastassuunas (üksikpaar), siis on lainefunktsioon paaris ja kui need on samad (kolmikpaar), siis on lainefunktsioon paaritu. Uut tüüpi ülijuhtide eksperimentaalsed uuringud on avastanud, et paljudes neist on ülijuhtiv olek paaritu lainefunktsiooniga ja paaris olevate elektronide spinnid on paralleelsed. See võimaldas meil teha järelduse veel ühe kohta ebatavaline vara: ülijuhtivus on mõnel neist (UBe 13 UPt 3 Sr 2 RuO 4, UPd 2 Al 3 Pros 4 Sb 12) kolmikomadusega, mõnel aga näiteks HTSC-s singlett.
Elektron-elektron vastastikmõju toob alati kaasa asjaolu, et kahe üheelektronilise oleku vastastikmõjul tekib kaks võimalikku mitmeelektronilist olekut, millest üks on madalama energiaga (maapealne) ja teine suurema energiaga (ergastatud) ning mõlemad elektronid hõivavad põhiseisund. Interaktsiooni tüüp määrab, milline olek on peamine - singlett või triplett. Hoolimata asjaolust, et viimase 20 aasta jooksul on loodud palju teooriaid ja publikatsioonide arv ulatub tuhandetesse, ei ole ebatavalistes ülijuhtides ülijuhtivuseni viivate interaktsioonide tüübid veel usaldusväärselt teada. On vaid teada, et paljudes TFSP-des on elektronide vastastikmõju paaris seotud magnetismiga. Mõnedel kristallide aatomitel on oma magnetmomendid, mis on tingitud asjaolust, et aatomi elektronide spinnid on orienteeritud paralleelselt. Naaberaatomite momendid võivad olla orienteeritud paralleelselt – seda struktuuri nimetatakse ferromagnetiliseks ehk antiparalleelseks – seda struktuuri nimetatakse antiferromagnetiliseks. Paljudes ebatavalistes ülijuhtides (näiteks UBe 13, UPt 3) täheldatakse antiferromagnetilist üleminekut, kui temperatuur on langetatud ligikaudu 10 T c. Antiferromagnetilise struktuuri ja ülijuhtivuse kooseksisteerimist täheldatakse usaldusväärselt UPd 2 Al 3-s ning spontaansed magnetväljad tuvastatakse Sr 2 RuO 4 ja PrOs 4 Sb 12 puhul. Seega, kui BCS ülijuhtides hävitab magnetväli ülijuhtivuse, siis ebatavalistes ülijuhtides sisemised magnetväljad mingil moel ülijuhtivust säilitavad.
KOKKUVÕTE
Sõnastame nüüd ebatavaliste ülijuhtide 5 peamist tunnust:
Cooperi paarid võivad olla kas üksikud või kolmikud.
Ülijuhtiv olek ei ole sfääriliselt sümmeetriline. Fermi pinnal on jooned ja punktid, kus Cooperi sidumine puudub.
Ülijuhtivus on kuidagi seotud kristalli magnetilise struktuuriga.
Ülijuhtivuseni viivad spetsiifilised interaktsioonid pole teada, on ainult selge, et nende interaktsioonide olemus võib varieeruda.
Ülijuhtivust täheldatakse metallidevahelistes ühendites ja ioonkristallides.
Näeme, et need viis ebatavaliste ülijuhtide tunnust erinevad põhimõtteliselt tavaliste ülijuhtide omadustest. Olemasolev teooria (BCS teooria) kirjeldab konkreetset juhtumit õigesti, kuid ei ole universaalne. Hilisemad uuringud on ümber lükanud paljud tema üldised järeldused, kuid pole ümber lükanud tema loogikat. See annab lootust, et kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse probleem laheneb ja luuakse toatemperatuuril töötavad ülijuhid.
Veel üks paljutõotav kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mehhanismi uurimissuund on spiraalsete müeliinkestadega neuronite soolase juhtivuse mehhanismi uurimine. Ilmselt saab nende puhul rakendada Abrikosovi kvantpöörise mudeli formalismi.
KIRJANDUS
Tsypenyuk Yu. M. Ülijuhtivuse füüsikalised alused. - M.: 1996.
Kholmansky A. S. Aju füüsika modelleerimine // Matemaatiline morfoloogia. Elektrooniline matemaatika ja meditsiinilis-bioloogia ajakiri. – T. 5. – Väljaanne. 4. - 2006. - URL: www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12-html/holmansky-4/holmansky-4.htm
Kõrge temperatuuri ülejuhtimise probleemid
Lobach
ev V.V., Yargemskiy V.G., Kholmanskiy A.S.
Vaadake läbi mõned kõrge temperatuuriga liigjuhtimise probleemid.
*Moskva Riiklik Ülikool inseneriökoloogia (MSUIE).
**Moskva Riiklik Meditsiini- ja Hambaarstiülikool (MGMSU)