Тысячи-1 / !_Мои 1000_! / Сопротивление в сверхпроводниках / Resistance in High (перевод)
.docСопротивление высокотемпературных сверхпроводников.
Поднятие в воздух поездов и устройств высокой производительности для сохранения электроэнергии было среди многих смелых вИдений, которые принимали во внимание некоторые физики после открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 г. Но вскоре возникли некоторые трудности, умерившие перспективы по расширению способности этих керамических материалов проводить электричество при высоких температурах без сопротивления. Одной из наиболее неприятных помех явилось исчезновение сверхпроводящего состояния после того, как материал помещается в магнитное поле – условия губительные или, по крайней мере, неизбежные для многих мыслимых способов применения. Сопротивление электрическому току может возникнуть, когда внешнее магнитное поле пронизывает сверхпроводник в виде отдельных пучков, называемых линиями тока. Поскольку такая линия состоит из “водоворотов” электрического тока, её часто называют вихрем. Если эти вихри перемещаются, то они могут препятствовать току электронов. Знания о том, как эти вихри перемещаются и располагаются при различных температурах и магнитных полях, будут решающими в управлении этим явлением и поддержании сверхтока.
К счастью, недавние исследования весьма расширили наши знания о вихрях. Исследователи обнаружили, что поведение сверхпроводников в магнитном поле намного разнообразнее, чем думали ранее. Действительно, обнаружилось, что вихри были способны образовывать множество необычных новых состояний материи в пределах семейства высокотемпературных сверхпроводников. Чтобы описать эти состояния – твёрдые частицы вихря, жидкости и стёкла – разработчики были вынуждены отказаться от некоторых взглядов на сверхпроводимость, которых придерживались ранее, и сформулировать новейшие гипотезы, основанные на современных понятиях физики конденсированного состояния вещества. Для проверки новых идей исследователи разработали экспериментальные методы, обладающие беспрецедентной чувствительностью. Эта работа может, в конечном счёте, указать путь к полному пониманию и, возможно, к эффективному использованию этих новых материалов.
Возвращаясь назад, не стоит удивляться тому, что знания о сверхпроводящем состоянии, полученные до 1986 г., были недостаточными для описания высокотемпературной сверхпроводимости. Первоначальные идеи развивались из наблюдений за обычными сверхпроводниками. Такие материалы, хорошо известные металлы и сплавы, проводят электричество без сопротивления только после охлаждения до температур в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля. Фактически, любопытство по вопросу о поведении вещества при низких температурах привело голландского физика Хеика Камерлинга Оннеса к открытию сверхпроводимости в 1911. Оно произошло благодаря тому, что Onnes достиг пугавшей в экспериментальном плане задачи сжижения гелия, последнего из инертных газов, подвергшихся конденсации. Жидкий гелий позволил Onnes охладить материалы до температур около 1 К.
По, возможно недостоверной истории, это открытие случилось, когда Оннес попросил студента замерить электрическое сопротивление ртути. Тот сообщил, что сопротивление исчезло, когда температура образца упала до 4,2 К. Оннес отослал его назад в лабораторию, чтобы найти то, что, по мнению Оннеса, было "ошибкой", производившей ложный сигнал. После нескольких попыток ошибка не была обнаружена, и исследователи поняли, что они сделали историческое открытие. Onnes продолжал изучение и получил Нобелевскую премию в 1913 году по физике за это и многие другие важные открытия в области физики низких температур.
Отсутствие сопротивления электрическому току не было единственным основанием для изумления. Поведение сверхпроводников в магнитном поле оказалось в равной степени поразительным. В 1933 году 2 немецких физика, Вальтер Мейснер и Роберт Очсенфельд, нашли, что сверхпроводник может выталкивать магнитные поля при охлаждении ниже температуры перехода в сверхпроводимое состояние. Полное вытеснение магнитного поля теперь называется эффектом Мейснера. Наряду с отсутствием сопротивления, способность не пропускать магнитные поля приводит в движение огромный исследовательский интерес к сверхпроводимости.
В этом вопросе наблюдение далеко опередило теорию. Квантовые модели, развитые в 30-ых годах, могли объяснить проводимость в нормальных металлах, но они не могли объяснить сверхпроводящее состояние. Проблема оказалась особенно неподатливой; рабочие не достигли существенного теоретического понимания происхождения сверхпроводимости на микроскопическом уровне до 1950-ых. Тогда двое русских, Виталий Гинсбург и Лев Ландау, разработали феноменологическую теорию. Смотря на то, что происходит во время перехода от нормального состояния к сверхпроводимому, учёные смогли сформулировать ряд уравнений, которые могли описать явление. Они не смогли, однако, объяснить, отчего оно происходит.
В 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер представили теорию, которая предусматривала микроскопическое объяснение сверхпроводимости. Согласно так называемой теории BCS, электроны проводимости перемещаются, не встречая сопротивления, потому что они двигаются парами, известные как пары Купера. Электроны образуют Куперовы пары потому, что взаимодействуют с фононами, механическими колебаниями в кристаллической решетке металла, которые напоминают звуковые волны. Движение атомов в решётке имеет тенденцию нейтрализовать отталкивание, которое обычно есть между электронами. Фактически, это приводит к небольшой силе притяжения между электронами. Эффективность этого взаимодействия резко зависит от температуры. Действительно, точку на шкале температур, в которой появляется сверхпроводимость, называют температурой перехода. При температурах выше этой критической точки, тепловые флуктуации разрушают пары Купера и, следовательно, сверхпроводимость металла.
Парное взаимодействие определяет два важных микроскопических расстояния в сверхпроводнике. Первым из них является пространственное разделение электронов в паре Купера. Это наименьшая длина в сверхпроводнике, на которой могут изменяться электронные свойства. Вторая длина связана с силой эффекта Мейснера – то есть, способностью сверхпроводника выталкивать приложенное магнитное поле.