Санкт-петербургский политехнический университет
Петра Великого Институт энергетики и транспортных систем
Электротехническое
материаловедение
К.т.н., доцент Белько Виктор Олегович
Сверхпроводники
Явление сверхпроводимости
•Хайке Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году «за
исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к получению жидкого гелия».
•Лев Давидович Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике в 1962 году «за пионерские теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия».
•Джон Бардин, Леон Н. Купер, Дж. Роберт Шриффер разделили в 1972 году Нобелевскую премию по физике «за создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ теорией».
•Брайан Д. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике в 1973 году «за
теоретические предсказания свойств сверхпроводящего тока, проходящего через
туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона».
•Петр Леонидович Капица был удостоен Нобелевской премии по физике в 1978 году «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур».
•Георг Беднорц и Алекс Мюллер получили Нобелевскую премию по физике в 1987 году «за важный прорыв в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».
•Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Легетт
получили Нобелевскую премию по физике в 2003 году «за пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей».
Открытие сверхпроводимости
|
ρ < 10–25 Ом·м |
1911 год – Хайке Камерлинг-Оннес |
|
|
Не искал «сверхпроводимость» |
Ртуть |
Исследовал золото, платину, медь. |
У чистой меди: |
|
|
при комнатной |
Тс=4,15 К |
температуре ρ = 1,75·10– |
8 Ом·м; |
|
при нескольких К ρ = 10–11 Ом·м (нет СП)
Газ электронов.
Максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум»
Al, Pb,Hg
переходят в
сверхпроводящее
состояние
Критическая температура
Металлы, их температура сверхпроводящего перехода, Tc, К,
Вид «сверхпроводящего год опубликования обнаружения сверхпроводимости перехода». Зависимость
сопротивления от температуры для образца 1 (более «чистого»)
и 2 (более «грязного»). Тсо-Тсе = n*0.01 – n*10 K
Критическая температура
Температуры кипения Tb, К, и плавления Tm, К
До 1986 года максимальная известная критическая температура сверхпроводимости едва превышала 20 К, поэтому при исследовании сверхпроводимости нельзя было
обойтись без жидкого гелия.
Жидкий гелий - Оннес в 1908 году!
В1923–1925 гг. жидкий гелий — в Торонто и в Берлине.
Вначале 1930-х гг. - в Советском Союзе в Харьковском физико-техническом
институте.
Эффект Мейснера
Немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в
|
1933 году. |
Постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего |
|
образца. |
Идеальные диамагнетики |
Постоянный магнит длиной несколько сантиметров парит на расстоянии чуть больше 1 см над дном сверхпроводящей чашечки
Принципиальная схема опыта
Оннеса
1 — источник тока; 2 — выключатель, замыкающийся, чтобы ток
циркулировал в сверхпроводящем контуре внутри сосуда 3с жидким гелием; 4 — сверхпроводящее кольцо, которое создает магнитное поле H(на рисунке обозначены его силовые линии); 5 — магнитная стрелка, с помощью которой отслеживаются изменения магнитного поля
Теплоемкость при
сверхпроводимости
Зависимость теплоемкости от температуры вблизи сверхпроводящего перехода.
Влияние магнитного поля на СП
! Если напряженность магнитного поля оказывается больше некоторого значения, то при охлаждении металла оно не вытесняется и сверхпроводимость не возникает.
Фазовая диаграмма |
|
перехода нормальный |
1 эрстед [Э] = 79,57 ампер на метр [А/м] |
металл — сверхпроводник. |
Критический ток
! Все токи в сверхпроводниках I рода поверхностные, они текут в тонком слое вблизи границы сверхпроводника с нормальной фазой.
Чем выше температура, тем глубже проникает в сверхпроводник магнитное поле
Граница раздела сверхпроводника (слева, зеленым цветом) и магнитного поля (справа, стрелками обозначены силовые линии магнитного поля).