Явление сверхпроводимости

В 1908 г. голландским ученым Х.Каммерлинг-Оннесом был впервые получен жидкий гелий и появилась возможность исследовать ма­териалы при такой низкой температуре, как 4,2 К. Одним из пер­вых объектов стало удельное электрическое сопротивление. В то время было известно лишь, что удельное сопротивление металлов падает при понижении температуры, но существовала неопреде­ленность относительно пределов этого падения. В принципе допус­калась возможность любого из трех вариантов хода кривой в об­ласти температур, близких к абсолютному нулю (рис. 3.1).

Первые эксперименты были проведены с платиной и золотом— наиболее чистыми доступными в то время металлами. Оказалось, что их удельное сопротивление изменяется по кривой 3, то есть эти металлы обладают остаточным удельным сопротивлением. Было решено, что их чистота недостаточно высока, таким образом, оста­валось место для гипотезы о том, что удельное сопротивление чис­тых металлов стремится к нулю. Для дальнейших экспериментов была выбрана ртуть как металл, легко поддающийся очистке ме­тодом многократной перегонки. При температуре 4,2 К сопротивление ртути не регистрировалось ни одним прибором (то есть падало до 0), но выяснилось, что падение удельного сопротивления происходило в интервале в несколько сотых долей Кельвинов, напоминало скорее скачок, нежели постепенное плавное снижение (рис. 3.2). Это противоречило колебательной теории сопротивления. Ртуть перешла в новое состояние, которое, учитывая его исключительные свойства, можно было назвать сверхпроводящим.

Явление резкого скачкообразного падения сопротивления при температурах, близких к абсолютному нулю, получило название сверхпроводимости. А температура, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой Т_кр.

Выяснилось далее, что чистота металла не име­ет определяющего значения: сверхпроводниковыми свойствами об­ладают лишь немногие металлы, в остальных случаях не помогает и глубокая очистка — металл сохраняет остаточное удельное со­противление.

Рис. 3.1. Возможные варианты изменения удельного сопротивления металлов в области низких температур (до открытия сверхпрово­димости): I — снижение до нуля, II — снижение до минимума с последующим повышением, III — горизонтальный ход вплоть до 0 К

Рис. 3.2. Температурная зависимость сопротивления ртути в области низких температур (экспериментальная кривая, полученная Каммерлинг-Оннесом в 1911 году)

Скачок сопротивления при переходе в новое состояние составляет, как минимум, 12 порядков, тогда как у обычных металлов он вообще отсутствует.

Поскольку зарегистрировать сверхпроводимость только по па­дению сопротивления трудно, особое значение приобретает эф­фект, обязательно сопровождающий переход в сверхпроводящее состояние — выталкивание магнитного поля из объема на поверх­ность сверхпроводника (эффект Мейснера) (рис. 3.3).

Сверхпроводник характеризуется тем, что у него Сверхпроводящее состояние можно разрушить внешним маг­нитным полем, если его напряженность превысит некоторое кри­тическое значение, различное для разных сверхпроводников.

Плотность тока, протекающего через сверхпроводник, также ограничена критическим значением, выше которого материал пе­реходит в обычное резистивное состояние. Это значение часто со­ставляет 10⁴ А/мм² при 4,2 К.

В течение 50 лет природа сверхпроводимости не была понят­ной. Только в 60-х годах благодаря работам Бардина, Купера, Шрифера была создана теория сверхпроводимости (БКШ-теория). Отправной точкой этой теории стала идея Купера об образовании пар элек­тронов за счет их взаимодействия с участием фонона при крио­генных температурах. Каждый электрон слегка поляризует кристалл.

На ка­кой-то другой электрон действует полное поле первого электрона и решетки. Но второй электрон тоже действует на кристалл и, поляризуя его, действует на первый электрон. Между ними возника­ет сила взаимного притяжения и образуются так называемые пары Купера. Движение электронов, связанных в па­ру, оказывается согласованным. Электроны об­разуют единый коллектив куперовских пар, при движении кото­рых рассеяние становится энергетически невыгодным и пары, раз образовавшись, могут существовать годами.

Таким образом, квантовые процессы электрон-электронного взаимодействия при низких температурах дают совершенно новый эф­фект большей упорядоченности.

Верхний предел теории БКШ оценивается в 30...40 К, поэтому возможность создания высокотемператур­ных сверхпроводников считалась маловероятной. Существуют и другие теории сверхпроводимости, например возможен и экситонный механизм образования пар (экситон—в простейшем случае пара электрон-дырка, связанная кулоновскими силами). Экситонный механизм был положен в основу известной гипотезы Литтла о высокотемпе­ратурной сверхпроводимости в некоторых органических полиме­рах. Автор другой идеи — академик В. Я. Гинзбург — предложил структуры «сэндвич», со­стоящие из чередующихся тонких слоев диэлектрика и металла. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы академика Н.Н.Боголюбова.

Рис. 3. 3. Выталкива­ние магнитного поля из объема сверхпроводника (эффект Мейснера)

Сверхпроводниковыми свойствами обладают 26 металлов, еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях (среди них такие полупроводники как кремний, германий, сурьма, теллур). Наивысшим среди простых веществ значением температуры перехода в сверхпроводящее состояние обладает ниобий — 9,2 К.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. В настоящее время известно около 2000 сверхпроводников. Среди них самыми высокими критическими температурами обладают сплавы и соединения ниобия (сплав ниобия с германием имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние 24 К).Высокий критической температурой (20,7 К) отличается сплав сложная кристаллическая структура которого бла­гоприятна для образования пар. Эта группа сплавов основана на соединениях Nb₃Me (Me — Al, Ge, Sn, La).

Одной из главных задач науки постоянно оставалось повыше­ние значения температуры перехода в сверхпроводящее состояние, однако прогресс, достигнутый за 75 лет, был очень небольшим и не был устойчиво преодолен даже водородный рубеж. Тот факт, что еще в 1973 г. сверхпрово­димость была обнаружена в некоторых оксидных системах, остал­ся недооцененным учеными, по именно на этом направлении состоялся главный прорыв. В кон­це 1986 г. Д. Беднорц и К. Мюллер впервые преодолели «неоно­вый» барьер, создав керамику на основе оксидов лантана, бария и меди. Полупроводниковая при обычных температурах керамика становилась сверхпровод­ником уже при 35 К.

Наиболее устойчивые ре­зультаты были затем полу­чены на иттриево-бариево-медной керамике. Путем эксперимен­тального подбора техноло­гии обработки очень быст­ро, в течение лишь несколь­ких месяцев, был преодо­лен и «азотный» рубеж. Одновременно столь же ус­пешно отодвигался магни-тотоковый барьер, благода­ря чему стали возможными технические устройства на сверхпроводниках, работа­ющие при охлаждении жидким азотом. Стала, по-видимому, близкой ре­альностью и «комнатная» сверхпроводимость.

Особенность новой ке­рамики— слоистая струк­тура типа перовскита, бла­гоприятствующая сущест­вованию пар экситонного типа, наличие наряду с ионами еще и необычных ионов обмен зарядами между которыми обеспечивает сравнительно вы­сокую электропроводность керамики уже при обычных темпера­турах. Сверхпроводящую керамику можно получать в виде тонких и толстых пленок. Это открывает большие перспективы в применении сверхпроводников.

Date: 2015-07-25; view: 674; Нарушение авторских прав