Лекционный комплекс и Методические рекомендации по изучению дисциплины а основные понятия и термины по Курсу (стр. 7 из 8)
Следует обратить внимание, что эффект Майсснера-Оксенфельда - это принципиально новое явление, которое не описывается классической электродинамикой. Ток проводимости в электродинамике определяется сторонними силами (химические источники тока, источники э.д.с., э.д.с. индукции и т.д.). В эффекте Мейсснера сторонние силы отсутствуют. Поэтому возникновение упорядоченного движения электронов при эффекте Мейсснера можно рассматривать как пример самоорганизации: возникновения упорядоченного движения из хаотического. Под действием каких сил оно возникает? Строго говоря, этот экранирующий ток нельзя отождествить с током проводимости, и поэтому его следует называть мейсснеровским.
Вскоре после открытия сверхпроводимости было обнаружено, что сверхпроводящее состояние разрушается достаточно сильным магнитным полем и током. Значения критических магнитных полей (Нс) и токов (Ic) возрастают при понижении температуры ниже Тс и определяют область, в которой существует сверхпроводимость. Параметры Тс , Нс и Ic являются основными характеристиками сверхпроводников, определяющими возможности их практических приложений.
В общем случае переход в сверхпроводящее состояние можно классифицировать как частный случай фазового перехода беспорядок-порядок при понижении температуры. Как известно, все фазовые переходы этого типа происходят в результате конкуренции энергии теплового движения kТ (k = 1,38 " 10- 23 Дж/К - константа Больцмана) и энергии взаимодействия между частицами U(r). Силы, связанные с энергией взаимодействия, стремятся упорядочить систему и привести ее в состояние с минимальной потенциальной энергией, а тепловое движение - разупорядочить. Если |U(r)| < kT, то система находится в разупоряд2оченном состоянии (например, парамагнитное состояние для ферромагнетика при значении Т больше температуры Кюри); если |U(r)| > kT, то в упорядоченном. Таким образом, фазовый переход происходит при характерной для данного взаимодействия критической температуре Тс ~ |U(r)| / k. С этой точки зрения температура, при которой возникает сверхпроводимость, определяет энергию упорядочения электронов при переходе в сверхпроводящее состояние.
Так как сверхпроводимость наблюдается (пока?) при температурах, существенно ниже комнатных (Тс < 300 К), отрицательная потенциальная энергия, приводящая к сверхпроводящему упорядочению, не превышает ~ 3 " 10- 2 эB. Эта энергия мала по сравнению с характерными энергиями носителей тока: кинетической энергией и положительной потенциальной энергией кулоновского отталкивания, составляющих несколько электрон-вольт.
Отрицательная потенциальная энергия соответствует притяжению электронов друг к другу. Вопрос о том, каким образом в системе электронов возникает притяжение, то есть вопрос о природе сверхпроводимости, представлял собой загадку на протяжении более четырех десятилетий. Микроскопическая теория сверхпроводимости была создана только в 1957 году Джоном Бардиным, Леоном Купером, Дж. Робертом Шриффером. Оригинальный метод решения был предложен Н.Н. Боголюбовым (1958 год). В 1972 году Бардину, Куперу, Шрифферу за создание этой теории (ее называют теорией БКШ) была присуждена Нобелевская премия.
Вскоре, в 1962 году, было теоретически предсказано и обнаружено экспериментально принципиально новое явление - протекание постоянного и возникновение переменного сверхпроводящего тока через тонкие вакуумный или диэлектрический зазоры, разделяющие два сверхпроводника. За теоретическое предсказание этих эффектов Брайану Д. Джозеффсону в 1973 году была присуждена Нобелевская премия.
Последняя Нобелевская премия за работы в области сверхпроводимости была присуждена Й.Г. Беднорцу и К.А. Мюллеру в 1987 году за открытие нового класса высокотемпературных сверхпроводников.
За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb3Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.
В 1986г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La2-xBaxCuO4) переходить в СП состояние при 30К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения жидкого азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.
Явление сверхпроводимости исследовалось, как правило на металлах и окислах. Впервые интерметаллические соединения заинтересовали исследователей в 1973 г. Подробнее изучая свойства сверхпроводящих окислов, многие исследователи обнаружили важную характеристику таких соединений – малую концентрацию электронов. В титанате стронция она составляет 2 1020 см-3, а в соединении типа
она равна (2-4)1021см-3, т.е. на порядок величины меньше, чем в металлах.В теории БКШ формирование пар объясняется существованием определенного типа непрямых взаимодействие между электронами. В сверхпроводимости уровень Ферми это начало запрещенной зоны, которая отделяет основное состояние системы спаренных электронов от возбужденных состояний, заполненных обычными (неспаренными) электронами. Ширина
этой зоны равна энергии, которую необходимо приложить, чтобы разделить пару (см. лекцию по сверхпроводимости, раздел «теория БКШ»).задания для самоконтроля:
1) Изложите теорию БКШ
2) Какие эффекты возникают в сверхтекучем состоянии
3) Высокотемпературная сверхпроводимость
4) Диамагнетические свойства сверхпроводников
Литература: [1-12], ДЛ [1-12]
Занятие 14
Тема лекции: Экспериментальные методы определения электронного энергетического спектра в твердых телах. ЯМР
Цель лекции: Ядерный магнитный резонанс, как инструмент исследования твердого тела
Вопросы к лекции:
1 Сущность ЯМР
2 Эффекты ЯМР
Тезисы лекционного занятия:
Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто в 1944 году Евгением .Константиновичем Завойским, который обнаружил, что парамагнитный образец, помещенный в постоянное магнитное поле, может поглощать энергию подаваемого на него электромагнитного поля. Поглощение электромагнитного излучения парамагнитными образцами имело избирательный (резонансный) характер, поскольку оно наблюдалось лишь при определенном соотношении между напряженностью постоянного магнитного поля и частотой переменного электромагнитного поля. Поэтому открытое явление получило название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). .Метод ЭПР нашел широкие применения в физике, химии, биологии и медицине. Явление ЭПР, принципиальные схемы спектрометров ЭПР и сущность информации, получаемой методом ЭПР, приведены примеры спектров ЭПР в химических и биологических системах различного происхождения.
Для того чтобы понять, почему в условиях резонанса парамагнитная система поглощает энергию электромагнитного поля, необходимо учесть явление магнитной релаксации. .Суть этого явления заключается в том, что парамагнитные частицы могут обмениваться энергией друг с другом и взаимодействовать с окружающими их атомами и молекулами.
Так, например, в кристаллах спины могут передавать свою энергию кристаллической решетке, в жидкостях Р молекулам растворителя. .о всех слуаях независимо от агрегатного состояния вещества по аналогии с кристаллами принято говорить, что спины взаимодействуют с решеткой. В широком смысле слова термин «решетка» относится ко всем тепловым степеням свободы системы, которым спины могут быстро отдавать поглощаемую ими энергию. Благодаря быстрой безызлучательной релаксации спинов в системе успевает восстанавливаться практически равновесное отношение заселенностей зеемановских подуровней, при котором заселенность нижнего уровня выше заселенности верхнего уровня.
Сущность явления ЯМР можно проиллюстрировать следующим образом. Если ядро, обладающее магнитным моментом, помещено в однородное поле H0 , направленное по оси z, то его энергия (по отношению к энергии при отсутствии поля) равна
, где 
- проекция ядерного магнитного момента на направление поля.Явление ЯМР состоит в резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Отсюда вытекает очевидное название явления: ядерный - речь идет о системе ядер, магнитный - имеются в виду только их магнитные свойства, резонанс - само явление носит резонансный характер.
Метод ЯМР в твердом теле успешно решает задачи по определению фазового состава (включая полиморфизм) и структуры твёрдых материалов любой степени упорядоченности:
спектральное разделение фаз;
установление полиморфного состава;
строение аморфных веществ;
структура кристаллических соединений;
строение семикристаллических материалов;
состав многокомпонентных систем;
межкомпонентные взаимодействия в сложных системах;
строение наноструктур;
взаимодействие наночастиц с "матрицей" в нанокомпозитах.
Причём в отличие от традиционных рентгеновских техник, при кристаллографических исследованиях методами твердотельного ЯМР отпадает необходимость в выращивании крупных кристаллов.
В реальных условиях резонирующие ядра, сигналы ЯМР которых детектируются, являются составной частью атомов или молекул. При помещении исследуемых веществ в магнитное поле (H0) возникает диамагнитный момент атомов (молекул), обусловленный орбитальным движением электронов. Это движение электронов образует эффективные токи и, следовательно, создает вторичное магнитное поле, пропорциональное в соответствии с законом Ленца полю H0 и противоположно направленное. Данное вторичное поле действует на ядро.