6. Магнитные явления в Сверхпроводниках
6.1. Сверхпроводимость
Сверхпроводимость свойство проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры TK. Свойством сверхпроводимости обладают более чем 25 металлов, а также сплавы, интерметаллические соединения, некоторые полупроводники и полимеры.
Сверхпроводники обладают аномальными свойствами. Прежде всего, это практически нулевое электрическое сопротивление, определить которое достаточно сложно, используя общепринятый метод вольтметра и амперметра. Например, сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10-20 Ом см, хотя сопротивление чистых образцов Сu или Ag составляет около 10-9 Ом см даже при температуре жидкого гелия. Это, во-первых, позволяет решать проблемы при передаче электроэнергии без потерь. Во-вторых, имеется возможности создания эффективных накопителей электроэнергии. Например, ток в замкнутом сверхпроводящем магнитном контуре ток будет незатухающим в течении длительного времени, поскольку сопротивление контура равно 0 и выделения тепла при этом не происходит. Происходит процесс «замораживания» тока.
Не менее важным является свойство сверхпроводников находиться в состоянии идеального диамагнетика. Однако это свойство не в является следствием диамагнетизма материалов, а вызывается процессом выталкивания магнитного поля за счет молекулярных токов. Эффект выталкивания магнитного поля называется эффектом Меснера - в честь одного из ученых, открывшего этот эффект. Вследствие эффекта Мейснера магнитная восприимчивость сверхпроводника km=-1, поэтому он, в отличие от ферромагнитных материалов, выталкивается из магнитного поля, что представлено на рис 6.1.
Свойство выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положено в основу диамагнитной левитации, необходимой для современных высокоскоростных транспортных систем.
Рис 6.1 Картина магнитного поля ферромагнетика и сверхпроводника, размещённых у полюса электромагнита.
Объяснить природу сверхпроводимости удалось лишь после многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Основы физических явлений сверхпроводимости в упрощённом виде заключаются в следующем.
Сверхпроводящее состояние это макроскопическое квантовое состояние. При этом наблюдается эффект квантования магнитного потока. Например, магнитный поток внутри сверхпроводящего кольца может принимать лишь значения, кратные кванту потока Ф0= hс/е*, где е* — заряд носителей сверхпроводящего тока. Оказалось, что е*=2е , где е — заряд электрона. Это объясняется тем, что при температурах меньших TK два электрона с противоположными спинами, могут взаимодействовать за счёт обмена фононами. Фонон квазичастица, сопоставляемая волне смещения атомов или ионов и молекул кристалла из положений равновесия. Поэтому взаимодействие электронов происходит посредством кристаллической решетки, а сами электроны образуют связанное состояние - куперовскую пару. Заряд такой пары равен 2е. Было доказано, что пары обладают нулевым значением спина и подчиняются законам квантовой статистики. В сверхпроводящем металле пары образуют т. н. бозе-конденсацию, которая обладает свойством сверхтекучести и поэтому явление сверхпроводимости представляет собой сверхтекучесть электронной жидкости. Объяснение сверхтекучести заключается в том, что в сверхпроводниковом состоянии (при T<TK) силы притяжения между электронами преобладают над силами отталкивания. Пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны проводимости в металле, которые находятся в нормальном ("одиночном") состоянии. Каждая электронная пара, взаимодействуя со всеми остальными, движется строго согласовано со всей совокупностью таких же пар.
В отсутствие тока во всех куперовских парах спин равен нулю, так как пары образованы электронами, имеющими равные по величине, но противоположные по направлению спины. Под действием же внешнего источника, вызвавшего ток, все куперовские пары, не нарушая корреляции, приобретают один и тот же импульс и движутся как единый коллектив (суммарная волна) в одном направлении с некоторой дрейфовой скоростью. Электроны проводимости испытывают рассеяние на тепловых колебаниях решетки и других ее дефектах, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, рассеиваться на тепловых колебаниях и других дефектах решетки не могут. Не испытывая рассеяния при своем движении, куперовские пары и обусловливают сверхпроводимость.
При температурах выше 0 К куперовские пары под действием тепловых колебаний решетки (фононов) начинают медленно разрушаться и электроны переходят в нормальное ("одиночное") состояние. Чем ближе температура сверхпроводника к его критической температуре TK, тем все большее число куперовских пар разрушено, и при T=TK все они разрушаются и сверхпроводимость пропадает.
Сверхпроводимость можно также разрушить, увеличивая плотность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемого критической плотностью тока JK. При J= JK, энергия куперовской пары достигает величины, достаточной для ее разрушения.
Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем, что непосредственно вытекает из существования JK. При помещении сверхпроводника в магнитное поле в его тонком поверхностном слое наводится незатухающий электрический ток, который с увеличением напряженности магнитного поля растет и при достижении значения JK сверхпроводимость исчезает, так как разрушаются куперовские пары. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют критической напряженностъю НК (или критический магнитной индукцией BK). Чем больше значение НК (BK) сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура TK и критическая напряженность магнитного поля НК являются взаимозависимыми величинами. При увеличении температуры сверхпроводника НК (и BK) уменьшается. Поэтому максимальная температура перехода TK в сверхпроводниковое состояние достигается при ничтожно малом значении напряженности магнитного поля .
На сверхпроводимость также влияет частота электромагнитного поля. Начиная с некоторой граничной частоты FК, обычно составляющей десятки-сотни Гц куперовские пары разрушаются и соответственно разрушается сверхпроводимость, в результате материал становится обычным проводником.
Свойства сверхпроводников характеризуют кривыми намагничивания J(H) и диаграммами фазового состояния Н(T). Типичный вид указанных характеристик представлен на рис 6.2.В зависимости от характера M(H), Н(T) сверхпроводники подразделяются на сверхпроводники 1го ,2го и 3го рода.
Рис 6.2. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводников 1го (а) и 2го рода (б). Св- состояние сверхпроводимости; См -смешанное состояние; П –проводниковое, нормальное состояние.
У сверхпроводников 1го рода происходит резкое изменение состояния проводник-сверхпроводник как в сторону снижения температуры, так и в сторону её повышения относительно TK . Характерно, что и эффект Мейснера – резко исчезает при Н=НК . Сверхпроводник 1го рода может находиться только в 2х состояниях проводник или сверхпроводник.
У сверхпроводников 2го рода в процессе перехода происходит постепенное уменьшение магнитного момента на протяжении значительного интервала полей от HK— нижнего критического поля, когда оно начинает проникать в толщу образца, и до верхнего критического поля Hсм, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния. В большинстве случаев кривая намагничивания такого типа необратима (наблюдается магнитный гистерезис). Поле Hсм часто оказывается весьма большим, достигая сотен тысяч эрстед (1 эрстед =79, 57 А/М).
Такое свойство сверхпроводников 2-го рода теория сверхпроводников объясняет тем, что поверхностная энергия отрицательна. При отрицательной поверхностной энергии уже при H<HK энергетически выгодным является образование тонких областей нормальной фазы, ориентированных вдоль магнитного поля и которые пронизывают сверхпроводник по глубине сравнимой с глубиной проникновения магнитного поля. При увеличении внешнего поля концентрация нитей возрастает, что и приводит к постепенному уменьшению магнитного момента. Т. о., в интервале значений поля от HK до Hсм сверхпроводник 2го рода находится в состоянии, которое принято называть смешанным.
Сверхпроводники IIIрода. Сверхпроводниками III рода являются сверхпроводники II рода, которые имеют крупные неоднородности (дефекты решетки и примеси); их называют "жесткими" сверхпроводниками. При пластическом деформировании, например протяжке, в кристаллической решетке резко увеличивается концентрация дефектов. В результате критическая плотность тока Jк возрастает на несколько десятичных порядков. К "жестким" сверхпроводникам относится обширная группа сплавов и химических соединений на основе ниобия и ванадия.