Надпровідники першого та друго роду (стр. 3 из 5)
Транспортний струм, що протікає по надпровіднику, створюватиме магнітне поле. Між щільністю струму і магнітним полем існує строгий зв'язок, який означає, що критичному полю відповідає певна критична щільність струму (правило Сильсбі). Причому абсолютно байдуже, про який струм йде мова - транспортний, або що екранує. Для провідника з круглим поперечним перерізом магнітне поле на поверхні В0і сумарний струм I зв'язані відношенням
,
де R - радіус поперечного переріру провідника.
З даного рівняння виходить, що критичний струм має таку ж залежність від температури, як і критичне магнітне поле. Розрахунок показує, що, наприклад, для олов'яного дроту радіусом 0,5 мм критична сила струму при Т=0 До складає 75 А .
За допомогою правила Сильсбі можна визначити також критичні струми для надпровідників в зовнішньому магнітному полі. Для цього необхідно скласти зовнішнє магнітне поле з полем транспортного струму на поверхні. Щільність струму досягає результуюче значення, коли це результуюче поле Врез стаєкритичним. Для дроту радіусом R в магнітному полі Bа, перпендикулярному її осі:
.
Тут значення 2Вa на твірній циліндра отримано для коефіцієнта розмагнічування uм=1/2.
Залежність критичного струму від зовнішнього поля Вaможна визначити з рівняння:
.
Графік її представлений на рис.5.
Рис. 5. Залежність критичного струму від зовнішнього магнітного поля, перпендикулярного дроту.
Процес порушення надпровідності в масивних зразках досягши критичної сили струму відбувається з утворенням проміжного стану. Структура його для циліндрового зразка представлена на рис.6. При включенні зовнішнього магнітного поля відбувається його накладення на кругове поле струму, внаслідок чого геометрія міжфазних меж між надпровідними і нормальними областями значно ускладнюється.
В кінці розмови про надпровідники першого роду відзначимо, що низькі критичні параметри роблять практично неможливим їх технічне використання.
Рис. 6. Структура проміжного стану дроту, що несе критичний струм.
Надпровідники другого роду.
Принципова відмінність надпровідника другого роду від надпровідника першого роду починає виявлятися в той момент, коли магнітне поле на поверхні досягає значення Вc1. При цьому надпровідник переходить в змішаний стан. Проникнення магнітного поля в об'єм надпровідника приводить до того, що в цих умовах транспортний струм розподіляється рівномірно по всьому перетину, не зайнятому вихровими нитками. Таким чином, на відміну від надпровідників першого роду, в яких струм протікає по тонкому поверхневому шару, в надпровіднику другого роду транспортний струм протікає у всьому об'ємі.
Відомо, що між струмом і магнітним полем завжди існує сила взаємодії, яку називають силою Лоренса. Стосовно змішаного стану надпровідника ця сила діятиме між абрикосовскими вихорами і транспортним струмом. Можливості транспортного перерозподілу струму обмежені кінцевими розмірами провідника, і, отже, під дією сили Лоренса вихрові нитки повинні переміщатися. Для опису особливостей поведінки надпровідників в магнітному полі проаналізуємо термодинаміку утворення поверхонь розділу між надпровідною і нормальною фазами. У нормальній області В∆Bc, у надпровідній спадає до нуля на глибині порядку ∆ (рис.7). У нормальному стані щільність надпровідних електронів рівна нулю, в той час, як в надпровіднику вона має певну величину ns(Т). На деякій відстані від межі ∆ щільність надпровідних електронів по порядку величини досягає значення, рівного ns(Т). Характеристичний параметр ∆ називають довжиною когерентності, залежність її від температури визначається формулою
,де ∆0 залежить від властивостей надпровідника і складає по порядку величини 10-6 - 10-8 м.
Рис. 7. Розподіл магнітного потоку і густини надпровідних електронів поблизу фазової межі.6. Ефект Джозефсона.
Якщо два надпровідники з'єднати один з одним «слабким» контактом, наприклад якнайтоншою смужкою з діелектрика, через нього піде тунельний надпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровідних куперовских пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників зв'язано між собою. Зв'язок цей дуже слабкий, оскільки мала ймовірність тунелювання пар навіть через дуже тонкий шар ізолятора.
Наявність зв'язку приводить до того, що в наслідок процесу обміну парами стан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність і напрям обміну визначається різницею фаз хвилевих функцій між системами. Якщо різниця фаз j= j1 – j2, тоді з квантової механіки слідує
.Енергії в точках по одну і іншу сторону бар'єру Е1 і Е2 можуть відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різниця потенціалів Us. В цьому випадку
. (1)Якщо надпровідники зв'язані між собою з одного боку і розділені слабким контактом з іншою, то напруга на контакті можна викликати, міняючи магнітний потік усередині контура, що утворився. При цьому
.Враховуючи, що квант потоку і потік Ф через контур може бути лише nФ0, де n=0,±1,±2,±3... Джозефсон передбачив, що
, (2)де Is - струм через контакт, Ic - максимальний постійний джозефсонівский струм через контакт, j - різниця фаз.
З (1), (2) слідує
.Оскільки на фазове співвідношення між системами впливає магнітне поле, то надпровідним струмом контура можна управляти магнітним полем. В більшості випадків використовується не один джозефсонівский контакт, а контур з декількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (НКВІД). Величина магнітного поля, необхідного для управління струмом, залежить від площі контура і може бути дуже мала. Тому НКВІДи застосовують там, де потрібна велика чутливість.
7. Високотемпературна надпровідність.
Розглянутий раніше механізм переходу в надпровідний стан заснований на міжелектронній взаємодії за допомогою кристалічної решітки. Як показують оцінки, для такого механізму надпровідності, звана фононним, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40 К.
Таким чином, для реалізації високотемпературної надпровідності (з Тc>90 К) необхідно шукати інший механізм кореляції електронів. Один з можливих підходів описаний підходів описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати свого роду полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, рухомих уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної решітки. Оскільки маса електрона на декілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура вищою, ніж при фоновому механізмі.
У основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В.Л.Гизбургом, лежить так званий механізм екзитонної взаємодії електронів. Річ у тому, що в електронній системі існують особливі хвилі - екситони. Подібно до фононів вони є квазічастинками, що переміщаються по кристалу і не пов'язаними з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника є металевою плівкою в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідність, рухома в металі, відштовхує електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надмірного позитивного заряду, який і приводить до утворення электронної пари. Такий механізм кореляції електронів передбачає вельми високі значення критичної температури (Тc=200 К).
8. Критичні стани.
8.1. Критичні магнітні поля.
Критичне магнітне поле в надпровідниках, характерне значення напруженості магнітного поля Нк, вище якого виникаеє повне або часткове проникнення магнітного поля в надпровідник. При Н < Нкмагнітне поле в надпровідник не проникає, його екранує поверхневий надпровідниковий струм (ефект Мейсера).
В надпровідниках першого роду, до яких відноситься більшість чистих металів, речовина переходить в звичайнний, ненадпровідний стан при Н > Нк(фазовий перехід першого роду). Відповідаюче цьому переходу критичне магнітне поле Нк зв’язане з різницею вільної енергії нормальної Fн і надпровідної Fнп фаз співвідношенням: