Физика сверхпроводимости (стр. 9 из 14)

3.10 Изотопический эффект

В 1905г. был открыт ток называемый изотопическим эффектом. Изучая сверхпроводимость у различных изотопов ртути и олова, физики обратили внимание на то обстоятельство что критическая температура Т_к перехода в сверхпроводящее состояния и масса изотопа М связана соотношением Т_kМ^1\2=const.

Изотопы – это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержаться одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они имеют одинаковый заряд, но разную массу. Масса изотопа является характеристической решетки кристалла и может влиять на её свойства. От массы зависит, например, частота колебаний в решетки. Она, так же как и критическая температура, обратно пропорциональна массе: n~М^-1\2. Значит, если массу М устремить к бесконечности, то температура перехода Т_к будет стремиться к нулю, то есть чем тяжелее атомы, тем медленнее они колеблются и тем труднее (при меньших температурах) получается идеальная проводимость, а чем выше энергия нулевых колебаний, тем легче.

Таким образом, изотопический эффект указывая на то что колебания решетки участвуют в создании сверхпроводимости! Сверхпроводимость, которая является свойством электронной системы металла, оказывается связанной с состоянием кристаллической решетки. Следовательно, возникновение эффекта сверхпроводимости, обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла.

4. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина – Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова

4.1 Теория БКШ

Многие ученые разных стран внесли вклад в создании теории сверхпроводимости. Первым из них был советский ученый Л.Д. Ландау. Он первым сопоставил два «странных» явления – сверхпроводимость и сверхтекучесть электронной жидкости.

В 1950г.В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау предложили феноменологическую теорию сверхпроводимости, позволившую рассмотреть ряд существенных свойств сверхпроводников, описать их поведение во внешнем поле. Теория эта была обоснована Л.П. Горьковым, разработавшим метод исследования сверхпроводящего состояния.

Следующий шаг был сделан почти одновременно советским физиком академиком Н.Н. Боголюбовым и американским физиком Бардиным, Купером и Шриффером. Американские ученые успели несколько раньше поставить последнюю точку.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Она тесно связана между собой, так что разорвать пару и разобщить электроны через трудные мощные связи позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла.

Исходя из этих представлений Бардин, Купер и Шриффер в 1957г. построили долгожданную микроскопическую теория сверхпроводимости, за которую они в 1972г.были удостоены нобелевской премии. Эта теория, известная сегодня под названием «теория БКШ», не только позволила с уверенностью сказать, что механизм сверхпроводимости ясен, но и впервые привела к установлению связи между критической температурой Т_с и параметрами металлов.

4.2 Энергетическая щель

Металл представляет собой систему колеблющихся положительно заряженных ионов, образующих кристаллическую решетку, и систему относительно свободных, как говорят, "коллективизированных" электронов. Поскольку электроны имеют собственный механический момент (спин), равный 1/2, по принципу Паули в каждом квантовом состоянии могут находиться только два электрона с противоположно направленными спинами. А так как концентрация n коллективизированных электронов в металлах велика (n ~ 10²³ — 10²⁴ см⁻³), верхним заполненным энергетическим состояниям соответствует очень большая кинетическая энергия е_F= mV_F²/2≈ (1 — 10) эB. Энергетический спектр электронов, то есть схема расположения уровней энергии, которые могут занимать электроны, квазинепрерывен (уровни расположены очень близко один к другому, рис. 4а). В некотором смысле, электроны ведут себя, как жидкость, заполняющая сосуд: чем больше жидкости, тем выше ее уровень. Поэтому электроны в металле хаотически движутся не со скоростями, определяемыми энергией теплового движения kТ, а с "космическими" скоростями V_F ~ 10⁸ см/с, соответствующими энергии е_F. Между электронами действуют силы кулоновского отталкивания, которые частично экранируются положительным зарядом ионов.

В электрическом поле Е электроны ускоряются в направлении поля и возникает ток. Плотность тока j = neV_Eопределяется концентрацией электронов n, их зарядом е = 1,6· 10⁻¹⁹Кл и средней скоростью V_Eнаправленного (упорядоченного) движения под действием электрического поля Е. Ускоренные электроны, то есть электроны, у которых скорость V_Eувеличивается в поле Е, рассеиваются на тепловых колебаниях решетки, примесях и других неоднородностях, передавая решетке приобретенную в электрическом поле кинетическую энергию:

которая выделяется в виде джоулева тепла (стрелки на рис. 12а). После рассеяния электроны возвращаются к своему начальному значению энергии е_F. Поскольку электроны в металлах никак не связаны между собой, а энергетический спектр квазинепрерывен, любые сколь угодно малые значения энергии, приобретенные в Е, могут при рассеянии передаваться решетке.

Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящем состоянии указывает на то, что по каким-то причинам электроны перестают рассеиваться кристаллической решеткой. Речь идет о токах 0 <j_s <j_с = neV_c, а следовательно, скоростях V_sнаправленного движения сверхпроводящих электронов 0 < V_s < V_cи соответственно изменениях энергии 0 < mV_FV_s< mV_FV_c. Это означает, что в энергетическом спектре сверхпроводника возникает область энергий над энергией е_F, шириной ~mV_FV_C, в которой электроны не рассеиваются решеткой (рис. 12б). Электроны начинают рассеиваться лишь после того, как увеличение кинетической энергии их движения mV_FV_sстановится больше mV_FV_c. Исходя из самых общих соображений, можно предположить, что рассеяния не происходит потому, что при таких значениях энергии оно энергетически невыгодно, то есть приводит к увеличению общей энергии (кинетической и потенциальной) коллективизированных электронов. Если рассматривать только кинетическую энергию (как в нормальных металлах), то при рассеянии она всегда уменьшается и, таким образом, процессы рассеяния энергетически выгодны при любых значениях энергии электронов.

(19)

Чтобы они стали невыгодны (и не происходили бы), нужно, чтобы электроны в области е_F < е < mV_FV_cобладали отрицательной потенциальной энергией, то есть притягивались бы друг к другу, и эта энергия исчезала бы при рассеянии. Обозначим модуль этой энергии ∆. Чтобы рассеяние в указанной области было энергетически невыгодно, ∆ должно быть равно

∆=mV_FV_c.

Рассмотрим рассеяние электрона с энергией е_F + е' (точка А на рис. 12б). При рассеянии его кинетическая энергия уменьшится (левая красная стрелка), но одновременно возрастет потенциальная энергия на ∆ (правая красная стрелка) и суммарная энергия увеличится. Рассеяние становится энергетически выгодным только при значениях е' > ∆.

В изолированной электронной системе силы притяжения возникнуть не могут. Для их возникновения необходимо участие другой системы, с которой электроны могут взаимодействовать. Существо этого эффекта можно проиллюстрировать на следующей наглядной модели. Положим на установленную горизонтально упругую мембрану тяжелый шар. Под действием силы тяжести мембрана прогнется. Если теперь положить на мембрану второй шар, то пока расстояние между шарами велико, никаких сил взаимодействия между ними не возникает. Но как только один шар попадает в область упругой деформации мембраны, создаваемой вторым шаром (оба шара скатываются в одну лунку), на шары со стороны мембраны начинают действовать силы, стремящиеся сблизить шары до касания. При соприкосновении шаров энергия системы "мембрана−шары" становится минимальной. Величина "силы притяжения" определяется величиной изменения потенциальной энергии второго шара в результате упругой деформации мембраны, создаваемой его партнером. Чем мягче мембрана, тем сильнее шары связываются друг с другом. Заметим, что если мембрана абсолютно жесткая (не деформируемая), то шары с мембраной не взаимодействуют и сил притяжения не возникает.

Допустим теперь, что один шар движется, а создаваемая им деформация (например, в результате инерционности мембраны) отстает во времени и следует за шаром на некотором расстоянии. В этом случае потенциальная энергия системы будет минимальна, когда второй шар движется за первым на определенном расстоянии, находясь в создаваемой им лунке. Ситуация выглядит так, как будто один шар коррелирует движение второго.