Сверхпроводимость и низкие температуры (стр. 1 из 3)

Содержание:

1. Вступление

2. Сверхпроводящие вещества

3. Эффект Мейснера

4. Теплоемкость сверхпроводника

5. Изотропический эффект

6. Теория сверхпроводимости

7. Конечные температуры

8. Щель в энергетическом спектре

9. Сверхпроводимость в полупроводниках

10. Эффекты Джозефсона

11. Электромагнитные свойства сверхпроводников

12. Заключение

13. Библиография

Вступление

В 1908 г. в Лейденском университете под руководством Камерлинг-Оннеса был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой температурой кипения (4,21К), и поэтому его сжижение позволило изучать свойства веществ при температурах, ранее не доступных.

1911 г. был отмечен открытием явления сверхпроводимости. Открыл его все тот же Камерлинг-Оннес в Лейденском университете, в лаборатории низких температур. Изучение этого явления составляет одно из важнейших направлений в физике твердого тела. При проведении экспериментов оказалось, что при низкой температуре сопротивление многих металлов обращается в нуль. Для первого исследованного вещества—ртути этот барьер составил 4К.

Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной температуре, отличной от нуля. Приблизительное сопротивление сверхпроводника: 10-23 ом*см. По проводнику, находящемуся в сверхпроводящем состоянии ток будет циркулировать бесконечно. Также у сверхпроводников наблюдается резкая аномалия магнитных, тепловых и других свойств.

Сверхпроводящие вещества

Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (9,22К), а наиболее низкой иридий (0,14К). Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Например, серое олово—полупроводник, а белое может превращаться в сверхпроводящий металл. Поэтому сверхпроводимость является свойством не отдельных атомов, а представляет собой эффект структуры самого образца.

Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не обладают этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных условиях проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для исследователей это явилось полной неожиданностью и еще больше осложнило объяснение этого явления. Основную часть сверхпроводников составляют не чистые вещества, а их сплавы и соединения. Причем сплав двух несверхпроводящих веществ может обладать сверхпроводящими свойствами.

Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1К). Однако в 1967 г. был создан Nb3Al0,75Ge0,25 (20,1К). В 1973 создали пленку Nb3Ge (22,3К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из оксидов металлов, критическая температура у которых выше температуры сжижения азота и приближается к комнатной.

Эффект Мейсснера

В 1933 Мейсснером и Оксенфедьдом было открыто одно из наиболее фундаментальных свойств сверхпроводимости—эффект Мейсснера. Оказалось, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если мы исследуем образец при t>Tk, то в образце напряженность при помещении в магнитное поле будет больше нуля. Не выключая внешнего поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что магнитной поле будет постепенно вытолкнуто из сверхпроводника.

Как известно, металлы, за исключением ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля обладают нулевой магнитной индукцией. Это связано с тем, что магнитные поля элементарных токов, которые всегда имеются в веществе, взаимно компенсируются вследствие полной хаотичности их расположения.

При коэффициенте m>1 (парамагнитные вещества) происходит уменьшение внешнего поля в образце. В диамагнитных веществах (m<1) наблюдается ослабление приложенного поля. В сверхпроводниках b=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. В поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю и компенсирует его, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца. Эффект Мейсснера и явление сверхпроводимости тесно связаны между собой и являются следствием общей закономерности, которую и установила созданная более чем через полвека после открытия явления теория сверхпроводимости.

Существование стационарных сверхпроводящих токов обнаруживается в следующем эксперименте: если над металлическим сверхпроводящим кольцом поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий незатухающий ток. Его возникновение приводит к диамагнитному эффекту и возникновению сил отталкивания между кольцом и сферой, в результате будет наблюдаться парение сферы над кольцом. Магнитные силовые линии не проникает в толщу образца, а находятся в поверхностном слое, где протекает незатухающий ток. Глубина проникновения поля в образец является одной из основных характеристик сверхпроводника. Обычно глубина проникновения приблизительно равна 100..400Å. Поверхностный слой сверхпроводника обладает особыми свойствами, связанными с отличной от нуля напряженностью магнитного поля в нем. Эти свойства оказывают очень существенное влияние на получение сверхпроводников с высокими критическими полями.

Если мы начнем увеличивать напряженность внешнего поля,

То при критическом его значении сверхпроводимость разрушится. Чем ближе мы подходим к точке критической температуры, тем меньше должна быть напряженность внешнего магнитного поля для разрушения эффекта сверхпроводимости, и наоборот, при температуре, равной температуре абсолютного нуля напряженность должна быть максимальной по отношению к другим случаям для достижения такого же эффекта. Данная взаимосвязь иллюстрируется следующим графиком (рис. 1).

Теплоемкость сверхпроводника

Чем сильнее температура приближается к критической, тем меньше величина критического поля, достаточного для разрушения сверхпроводимости. При T=Тк Hk=0; приблизительно зависимость критического поля от температуры выражается следующей формулой:

Теплоемкость металла складывается из электронной теплоемкости и теплоемкости кристаллической решетки. При низких температурах основной вклад в теплоемкость металла вносит электронная система. Электронная теплоемкость нормального металла соответствует отношению:

Теплоемкость же решетки при понижении температуры падает не пропорционально, а по следующей формуле, поэтому ею можно пренебречь:

В сверхпроводниках Се убывает и при температуре, стремящейся к нулю, тоже стремится к нулю по экспоненциальному закону.

Где A и b постоянные, не зависящие от температуры величины. Когда температура сверхпроводника становится равной критической, происходит переход в нормальное состояние и теплоемкость начинает изменяться по линейному закону. Весьма своеобразны свойства теплопроводности в сверхпроводнике. При наличии дифференциального градиента температуры металл не находится в состоянии теплового равновесия. В образце возникает тепловой поток, пропорциональный созданному температурному градиенту. Связь между ними определяется по формуле:

Общий коэффициент теплопроводности складывается из коэффициента теплопроводности электронной системы и коэффициента теплопроводности решетки:

Коэффициент же теплопроводности электронной системы в свою очередь складывается из коэффициента электронной решетки и коэффициента рассеяния примесями.

В образцах, содержащих малые концентрации примеси основную роль играет электронная теплопроводность, зависящая от температуры по закону:

В образцах, содержащих малые концентрации примесей, основную роль играет электронная теплопроводность, зависящая от Т по следующему правилу:

Слагаемые в правой части формулы соответствуют χреш, χэл. При переходе металла в сверхпроводящее состояние скачком обращается в нуль сопротивление. Поэтому электронная теплопроводность тоже должна равняться нулю. Тогда при прохождении через критическую температуру должен был бы наблюдаться скачок теплопроводности. Однако этого не происходит. Электронная теплопроводность падает, но остается отличной от нуля.

Для объяснения этого явления была предложена двужидкостная модель. В двужидкостной модели предполагается, что электронную «жидкость» в сверхпроводнике можно представить как совокупность двух жидкостей—нормальной и сверхпроводящей. Нормальная компонента ничем не отличается по своим свойствам от электронной системы нормального образца, сверхпроводящий же—аномален. При повышении температуры количество нормального компонента возрастает, а количество аномального уменьшается и наоборот. В нормальном металле число электронов, участвующих в теплопередаче не меняется в зависимости от температуры, а в сверхпроводящем зависит. Аномальный компонент отвечает за проведение токов, а нормальный—за обычную теплопроводность (χэл) и за рассеивание. Уменьшение числа переносящих энергию носителей естественно приводит к уменьшению χэл.