Отчет должен содержать

1. Теорию работы.

2. Результаты выполнения лабораторного задания (п. 13-19).

Контрольные вопросы

1. Как можно изменять рабочую температуру образца?

2. Какие металлы считаются гиперпроводниками?

3. Какие физические процессы вызывают рост электропроводимости металла с понижением температуры?

4. Как влияют чистота и плотность дислокаций на электропроводность металла,

5. Какие параметры дают представления о чистоте металлов?

6. Нарисуйте одну из схем измерения величины сопротивления.

Библиографический список

1. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. // М.: Высшая школа, 1977 г., 288 с.

2. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов.// М.: Металлургия, 1983 г., 232 с.

3. Милошенко В.Е. Криофизика. // изд. ВГТУ, Воронеж, 2001 г., 137 с.

Лабораторная работа №4 изучение сверхпроводящего перехода металлооксида иттрия

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: научиться измерять существенно изменяющиеся электрофизические процессы.

2. ОБОРУДОВАНИЕ: лабораторный стенд, включающий криостат, низкотемпературный датчик, электронные милливольтметры, источники питания типа ВИП-009 и УИП2, образец YBa₂Cu₃O_7-, сосуд Дьюара с жидким азотом, лейка и кружка для азота.

3. ТЕОРИЯ. Основные представления о сверхпроводимости.

Фрелих и позднее Бардин показали, что движущийся сквозь кристаллическую решетку электрон обладает собственной энергией, т.к. он окружен виртуальными фононами. Это означает, что двигаясь через решетку электрон вызывает в ней возмущения, а решетка в свою очередь действует на другой электрон из-за воздействия электростатического поля. Колебательное движение решетки квантуется посредством введения фононов и взаимодействие решетки с электроном можно рассматривать как результат непрерывного излучения и поглощения фононов этой же решеткой. Эти фононы называются виртуальными, т.к. вследствие принципа неопределенности их короткое время жизни позволяет не учитывать закона сохранения энергии во время процесса взаимодействия. Можно себе представить, что электрон, движущийся через решетку, сопровождается или "окутывается", даже при О⁰ К облаком виртуальных фононов. Это приводит к возникновению у электрона собственной энергии, которая, как было показано Фрелихом и Бардином, пропорциональна квадрату средней энергии фонона. Последняя в свою очередь обратно пропорциональна массе атомов решетки.

Только через семь лет Бардин, Купер и Шриффер показали, что основным взаимодействием, ответственным за сверхпроводимость, является, по-видимому, взаимодействие пар электронов посредством обмена виртуальными фононами. Это можно объяснить следующим простым образом: двигаясь через решетку, электрон вызывает ее возмущение, в результате которого возникает фонон. Второй электрон, находящийся на некотором расстоянии от первого, в свою очередь испытывает действие распространяющейся флуктуации в распределении заряда р ешетки. Другими словами, как показано на рис.1 электрон с импульсом Р₁ испускает виртуальный фонон q, который поглощается электроном с импульсом Р₂. Происходит рассеяние с изменением Р₁ на Р^₁= Р₁- q и Р₂ на Р^₂+q. Поскольку процесс испускания фонона виртуальный, энергия при этом может не сохраняться и фактически природа результирующего электрон-электронного взаимодействия зависит от относительных величин изменения электронной энергии и энергии фонона wq.

Если последняя превышает изменение электронной энергии, взаимодействие отвечает притяжению. Это означает, что флуктуации заряда решетки таковы, что один из электронов оказывается окруженным положительным экранирующим зарядом, превышающим его заряд, так что другой электрон притягивается результирующим положительным зарядом.

Купер показал, что если возникает притяжение между двумя электронами, расположенными близко над поверхностью Ферми, то как бы ни было слабо притяжение, эти электроны способны образовать связанное состояние.

Имеет место бесконечно малое общее понижение энергии по сравнению с не спаренными электронами в нормальном состоянии.

Г ипотеза теории БКШ при О К сверхпроводящее основное состояние представляет собой сильно коррелированное состояние, когда в пространстве импульсов нормальные электроны в тонком слое вблизи поверхности Ферми по возможности плотно заполняют парные состояния с противоположными спином и импульсом. Пары Купера подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна: им запрещено обмениваться импульсом с решеткой, т.е. рассеиваться на ней, они когерентны и обладают одинаковой энергией. Поэтому при достижении некоторой температуры называемой критической (Т_к) сопротивление резко падает до нуля. Переход имеет некоторую ширину Т ( см.рис.2) Т_нач.-Т_кон. = Т и температуру N-S перехода Т_к = . Можно рассчитать Т_к по полувысоте перехода. Рассматривая состояние тела от нуля Кельвина и выше Т_к делит это состояние на сверхпроводящее (S) и нормальное (N).

Для металлических (классических) сверхпроводников характер перехода и его температурное положение говорят о многом: узость перехода Т = 10^-4  10^-5 К свидетельствует о чистоте сверхпроводника. При его легировании Т растет, и у сплавов может достичь 0,1 К. Если сверхпроводящий переход сдвинут влево по оси ординат, то это свидетельствует о том, что на сверхпроводник действует энергетическая подкачка, например, магнитным полем: чем выше поле, тем существеннее сдвиг, но в пределах по полям от 0 до Н_к (О Н_к2).