Вниз по лестнице температур (стр. 2 из 4)

Онесс изготовил маленький соленоид - катушку из свинцового провода - и соединил его с электрической батареей с помощью двух ключей - внешнего и внутреннего. Катушку он погрузил в криостат с жидким гелием. Идущий по ней ток создавал магнитное поле, которое существовало и в пространстве вне криостата. Чтобы обнаружить это поле, Онесс взял маленький постоянный магнит, игравший ту же роль, что и компасная стрелка.

В начале опыта внешний ключ был замкнут, а внутренний - разомкнут, и по катушке шел ток. Затем внутренний ключ замыкался, а внешний размыкался, так что теперь катушка была замкнута сама на себя, отсоединена от батареи. Стрелка компаса в этот момент не изменила своего положения. Это означало, что по проводнику продолжает идти ток.

Теперь оставалось ждать. В обычных проводниках из-за сопротивления ток исчезает практически мгновенно после отключения источника напряжения. Через несколько часов весь жидкий гелий испарился, и опыт прекратился. Но в течение всего этого времени стрелка компаса не шелохнулась. Впоследствии этот опыт неоднократно повторялся другими исследователями. В одном из опытов наблюдение за циркулирующим током длилось в течение нескольких лет. И за все эти годы ток в сверхпроводящем кольце не изменился. Из этого следовал вывод, что электрическое сопротивление сверхпроводника точно равно нулю.

Появление новых сверхпроводников

В десятые годы в Лейденской лаборатории в дополнение к ртути, свинцу и олову были открыты сверхпроводящие свойства индия таллия и галлия. Все эти металлы сходны друг с другом в том, что имеют невысокие температуры плавления и довольно небольшую твердость. В двадцатые годы, когда в поиски новых сверхпроводников включились и другие лаборатории, немецкий физик Вальтер Мейснер обнаружил, что сверхпроводники встречаются и среди достаточно твердых и тугоплавких металлов: ими оказались титан, ниобий, тантал и торий.

Разработка новых методов сверхглубокого охлаждения в тридцатые годы позволила вторгнуться в область температур ниже 1К. Число вновь открытых проводников пополнилось алюминием, цинком и другими элементами. На сегодняшний день известно около 40 химических элементов, обнаруживающих сверхпроводимость.

Уже в первые годы изучения сверхпроводимости выяснилось, что среди металлов, обладающих при нормальных температурах высокой электропроводностью, сверхпроводники почти не встречаются. Так, например, золото, серебро, медь - не сверхпроводники. Для многих элементов возникновение сверхпроводимости и температура перехода в сверхпроводящее состояние не зависели от степени загрязненности их примесями, для других же металлов сверхпроводимость удалось обнаружить, лишь когда они были получены в очень чистом виде.

В двадцатые годы, помимо новых сверхпроводников, были открыты и новые черты самого явления. Выяснилось, что в момент перехода металла из нормального состояния в сверхпроводящее никакого тепла не выделяется и не поглощается. Вместе с тем теплоемкость металла на таком переходе испытывала скачок. Ни внешний вид, кристаллическая структура металла при этом не изменялись.

Если тепло при переходе не выделяется и не поглощается, это означает, что переход между нормальным и сверхпроводящим состоянием не является обычным фазовым переходом.

Измерения критического магнитного поля показывали, что его величина не постоянна, а зависит от элемента, а для данного элемента- от температуры сверхпроводника, причем для всех изучавшихся сверхпроводников зависимость имела одинаковую и характерную форму. При температурах, близких к абсолютному нулю, критическое поле было наибольшим и медленно менялось с температурой. Однако при приближении к температуре сверхпроводящего перехода критическое поле уменьшалось все быстрее, пока в самой точке перехода не обращалось в нуль. Вблизи критической температуры для разрушения сверхпроводимости было достаточно совсем небольших магнитных полей.

Зависимость критического поля от температуры

В_к

В_к0

0

Т_к Т

Сверхпроводник и магнитное поле

Постепенное накопление экспериментальных сведений о сверхпроводниках было прервано в 1933 году открытием, сделанным В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. До этого проводились испытания с полыми проводниками, т.к. эти проводники имели маленькую массу, и их легче было охладить. Мейснер и Оксенфельд проводили испытания на сплошных образцах из олова и свинца, состояло в том, что когда охлаждался образец с введенным в него магнитным потоком, в момент наступления сверхпроводящего перехода этот поток мгновенно выталкивался из образца. Магнитная индукция сразу обращалась в нуль, и при нулевом конечном магнитном поле итог обеих операций был совершенно одинаковым. Сверхпроводники оказались идеальными диамагнетиками: они выталкивали из себя магнитное поле во всех случаях.

При намагничивании полого сверхпроводника сначала происходит то же самое, что и при намагничивании сплошного. На поверхности сверхпроводника появятся незатухающие замкнутые токи, которые создадут "противополе". Токи уничтожат магнитное поле в толще сверхпроводника и в полости.

Если же намагнитить образец при температуре выше критической, а затем, охладив, перевести его в сверхпроводящее состояние, то возникающее " противополе" уничтожит магнитное поле в толще сверхпроводника, но сохранит его в полости. Это поле, захваченное несверхпроводящей полостью, первые исследователи приняли за поле всего сверхпроводника, но это заблуждение было развеяно опытом Мейснера и Оксенфельда.

Диамагнетизм сверхпроводников хорошо демонстрируется опытом, который осуществил в 1945 году профессор московского университета В. К. Аркадьев. Он изготовил небольшую свинцовую чашу и погрузил ее в жидкий гелий, а затем на тросике начал медленно опускать в нее постоянный брусковый магнит. По мере приближения магнита к чаше натяжение тросика постепенно ослабевало, и наконец, магнит свободно повис над чашей. Объясняется этот эффект просто: под действием магнита в сверхпроводящей чаше возникают "противотоки", создающие "противополе". В результате выталкивания магнитного поля из чаши возникает отталкивание чаши и магнита, которое и проявляется в том, что магнит парит в воздухе над чашей.

А что происходит вне сверхпроводника, при помещении его в магнитное поле? Если сверхпроводник имеет форму узкого цилиндра или узкой пластины, располагающихся вдоль силовых линий приложенного поля, то внесение его в магнитное поле не искажает заметным образом картину силовых линий этого поля.

Если же проводник имеет иную форму, то в его присутствии распределение силовых линий поля существенно изменяется. Например, если образец имеет вид шара, то силовые линии расступаются перед шаром, сгущаются в окрестности его экватора и снова смыкаются позади шара.

Число силовых линий, пересекающих площадку постоянного сечения, есть мера напряженности поля. Сгущение силовых линий около экватора шара говорит о том, что магнитное поле здесь сильнее, чем вдали от шара.

Пока приложенное к сверхпроводнику магнитное поле невелико, неоднородность этого поля, вызванная образцом, для сверхпроводника несущественна. Но когда поле начинает приближаться к критическому, на проводнике возникают чередующиеся нормальные и сверхпроводящие области. Когда же достигается критическое значение, проводник целиком переходит в нормальное состояние.

А что будет со сверхпроводником, если к нему подключить электрический ток? По мере нарастания тока собственное его поле увеличивается и, наконец, наступает момент, когда оно достигает значения, равного критическому в случае приложения внешнего магнитного поля. Сверхпроводимость исчезает, т.к. сверхпроводнику все равно, какое поле на него действует - собственное поле тока или внешнее магнитное поле. Соответствующее значение тока тоже было названо критическим.

За четверть века, прошедшую с момента открытия сверхпроводимости, были выявлены основные ее черты. Прежде всего выяснилось, что это явление не уникально и присуще целому ряду металлических элементов, причем для всех них температура перехода в сверхпроводящее состояние оказалась очень низкой, порядка нескольких Кельвинов. Затем было установлено, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. В зависимости от формы образца и его ориентировки в магнитном поле это разрушение могло происходить либо скачком по достижении критического поля, либо постепенно по достижении такого поля сначала в отдельных участках образца. Был открыт важнейший эффект Мейснера - Оксенфельда: выталкивание магнитного поля из сверхпроводящих образцов вне зависимости от тех условий, в каких поле прикладывается к образцам. Далее, было обнаружено существование критических токов в сверхпроводниках. И наконец, появилась первая теория сверхпроводимости Лондонов, которая учитывает идеальную электропроводность и идеальный диамагнетизм сверхпроводников.

Новая теория сверхпроводимости

Основной класс веществ, в которых разыгрываются известные эффекты сверхпроводимости, являются металлические кристаллы. Микроскопической теории сверхпроводимости предстояло выяснить, какую роль в этих эффектах играют частицы, из которых состоят кристаллы, - электроны и ионы.

Теория Лондонов не могла объяснить промежуточного состояния. Нужна была новая теория. Волновая функция в сверхпроводящей области отличается от таковой в нормальной области, а на границе между ними достаточно быстро меняется. Кроме того, это не совсем обычная волновая функция: она описывает только коллектив сверхпроводящих электронов. В нормальной области таких электронов нет, и, естественно , волновая функция в ней должна обратиться в нуль. Это обращение в нуль на границе сверхпроводящей и нормальной областей должно произойти постепенно. Чтобы соответствовать тому, что получается на опыте, волновая функция должна постепенно уменьшаться по величине по мере повышения температуры сверхпроводника и обращаться в нуль при критической температуре, когда сверхпроводящие области вовсе исчезают. Для получения необходимых уравнений для волновой функции, нужно было учесть сам переход в сверхпроводящее состояние, т.е. тот факт, что при определенной температуре свободная энергия сверхпроводящей фазы должна стать меньше, чем у нормальной фазы. Следовало принять во внимание также и то, что на сверхпроводимость влияет магнитное поле, создавая чередование нормальных и сверхпроводящих областей и вовсе разрушая сверхпроводимость при достижении критической напряженности во всем образце.