Низкотемпературная и высокотемпературная сверхпроводимость

Сверхпроводимость представляет собой квантовое явление, проявляющееся в макроскопических масштабах. Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых веществ до определенной для данного вещества критической температуры, при которой вещество скачкообразно переходит в особое сверхпроводящее состояние. Фундаментальной особенностью сверхпроводников является полное отсутствие электрического сопротивления.

Данное явление было открыто в 1911 году Х. Камерлинг-Оннесом. Сверхпроводимость можно наблюдать в следующем опыте. Металлическое кольцо помещается в магнитное поле В при температуре выше критической T_c. Затем температура понижается до значений Т < T_с. После этого поле В выключают. По закону электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает в образце появление тока. Вследствие того, что в образце отсутствует сопротивление, ток может циркулировать бесконечно долго.

Если при температурах Т< T₀ увеличить индукцию В магнитного поля, то при некотором критическом значении В_кр, которое называется критическим магнитным полем, сверхпроводящее состояние нарушается. Согласно современным представлениям сверхпроводящее и нормальное состояния представляет собой две фазы вещества, которые могут переходить друг в друга (рис.1).

Рис. 1.

Второе фундаментальное свойство сверхпроводников заключается в эффекте Мейснера, т.е. сверхпроводники становятся идеальными диамагнетиками и выталкивают внешнее магнитное поле. В отличие от них идеальные проводники с сопротивлением должны захватывать магнитный поток. На приведенном ниже рисунке 2 показано поведение сверхпроводящего шара и проводника с сопротивлением при различных температурах и внешних магнитных полях. На рис2. рассмотрены случаи:2а) Т>Т_к, 2б) Т<Т_к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т_к, внешнее магнитное поле равно нулю

Рис.2

Эффект Мейснера связан с тем, что в приповерхностном слое, толщиной око ло 10^–6 см начинает циркулировать постоянный ток, сила которого такова, что созданное им поле компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.

Различают сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники I рода переходят в нормальное состояние скачкообразно, а проводники второго рода переходят в нормальное состояние постепенно. На приведенном рисунке показана зависимость намагниченности М от индукции В внешнего магнитного поля. Начальные кривые от 0 до критического значения В_с у сверхпроводников I и II рода одинаковы. Они соответствуют эффекту Мейснера. Сверхпроводники I рода (рис.а) при критическом значении магнитного поля скачкообразно переходят в нормальное состояние, при этом их намагниченность резко уменьшается.

Сверхпроводники II рода (рис.б) при критическом значении магнитного поля начинают плавно переходить в нормальное состояние, при этом их намагниченность уменьшается плавно.

До 80-х годов самая высокая критическая температура у сверхпроводников имела значение 23 К.

В 1986 году были открыты сверхпроводники с критическими температурами 35 К. Сейчас открыты материалы с критическими температурами 135 К. До этих открытий в качестве охлаждающего вещества применялся жидкий гелий (температура кипения при нормальном давлении 4,2 К). После открытия сверхпроводников с критическими температурами, превосходящими 77,3 К(температура кипения азота) стали применять в качестве охлаждающего вещества более дешевый и доступный азот. Соответственно о низкотемпературных сверхпроводниках стали говорить как о сверхпроводниках гелиевого уровня температур, а о высокотемпературные сверхпроводники назвали сверхпроводниками азотного уровня температур.

К пониманию природы низкотемпературной сверхпроводимости привели два экспериментальных факта.

1. Металлы, являющиеся при комнатных температурах хорошими проводниками (серебро, медь) не обладают свойством сверхпроводимости. Плохие проводники (ртуть) при низких температурах становятся сверхпроводниками. Хорошая проводимость серебра и меди указывает на слабое взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Наоборот, в ртути электроны взаимодействуют с решеткой более интенсивно.

2. Для большинства сверхпроводников выполняется соотношение , где М – масса атома изотопа. Явление получило название изотопический эффект. Это соотношение указывало на взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки.

Качественно явление низкотемпературной сверхпроводимости может быть описано следующим образом. Электрическое поле движущегося электрона воздействует на кристаллическую решетку, деформируя (поляризуя) её. При этом электрон оказывается в окружении положительного облака заряда узла кристаллической решетки. Если суммарный заряд области электрона и поляризованного иона окажется положительным, то эта область может притянуть другой электрон. При этом через взаимодействие с положительным узлом кристаллической решетки в пару объединяются электроны, имеющие противоположно ориентированные спины и импульсы. Такая пара называется куперовской парой по фамилии ученого Л. Купера, разработавшего эту теорию. Куперовская пара имеет спин, равный 0, она подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Поэтому при низких температурах превращение в куперовские пары носит массовый характер. Каждый электрон с импульсом может вступить во взаимодействие лишь с таким электроном, импульс которого равен . Состояния электронов в кристалле постоянно меняются, поэтому постоянно изменяются и наборы пар. Этот процесс обеспечивает связь между всеми куперовскими парами. Такую совокупность куперовских пар можно рассматривать как бозе-конденсат.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стало неожиданностью для теоретической физики, т.к. теория низкотемпературной сверхпроводимости не давала высоких значений критических температур.

Среди высокотемпературных сверхпроводников особую группу составляют купраты – соединения со сложной слоистой структурой. Кристалл купрата можно образно сравнить с "сэндвичем" из различных элементов. В.Л. Гинзбургом была рассмотрена модель сверхпроводника, состоящего из металлической пленки, расположенной между слоями диэлектрика или полупроводника. Электроны этих слоев отталкиваются электронами металла, вследствие чего вокруг последних возникает облако положительного заряда, что способствует образованию куперовских пар. По оценкам В.Л. Гинзбурга такая модель допускает существование критических температур до 200 К.

К настоящему времени хорошо разработанной теории высокотемпературной сверхпроводимости не существует.

Сверхпроводники используются в различных устройствах и приборах. Из сверхпроводниковых изделий гелиевого уровня температур используются томографы, сепараторы и накопители энергии. Сверхпроводящие томографы обеспечивают более высокое качество диагностики внутренних органов, сепараторы применяются для обогащения руд, накопители обеспечивают запас энергии порядка нескольких киловатт-часов.

Замена жидкого гелия на азот в качестве охлаждающего вещества в сотни раз сокращает расходы на создание установок.

Замена обычных проводников на высокотемпературные сверхпроводники значительно уменьшает их вес, существенно увеличивает время эксплуатации. В настоящее время они применяются в системах спутниковой и сотовой связи, прецизионной аппаратуре, измеряющей ничтожно малые токи, изменения магнитных потоков.

В цифровой сверхпроводниковой электронике создаются устройства с большим числом элементов на одном чипе.

Между сверхпроводящим кольцом и магнитом возникает отталкивание. Это явление может применяться в моторах, гироскопах. Во многих странах разрабатываются проекты поездов на магнитной подушке. По сверхпроводнику монорельсу попускается электрический ток. В вагонах поезда размещаются сверхпроводящие магниты. Вагоны зависают над рельсом. Такой поезд развивает скорость, сравнимую со скоростью самолета.

Дата добавления: 2015-05-07