5 Физическая природа сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости объясняется квантовой теорией, возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение возможно в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут только те электроны, которые участвуют в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Электроны с противоположным спином связываются в пары, называемые куперовскими.

В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействия электронов с тепловыми колебаниями решетки – фононами, которые он может как поглощать, так и порождать. Один из электронов взаимодействует с решеткой – возбуждает ее и изменяет свой импульс; другой электрон, взаимодействуя, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии – фононами. Обменное фононное взаимодействие вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят кулоновское отталкивание. Обмен фононами происходит непрерывно.

Электрон, движущийся через решетку поляризует ее, т.е. притягивает к себе ближайшие ионы, вблизи траектории электрона возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон притягивается областью с избыточным положительным зарядом, в результате за счет взаимодействия с решеткой между электронами возникают силы притяжения (куперовская пара). Эти парные образования перекрывают друг друга в пространстве, распадаются и вновь создаются, образуя электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных электронов. В энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель – область запрещенных энергетических состояний.

Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимума при абсолютном нуле и полностью исчезает при Т_св. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10^-4 – 10^-3 эВ.

Рассеяние электронов происходит на тепловых колебаниях и на примесях, но при

наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которой нет при низких температурах, поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар – они не могут изменять свои состояния независимо друг от друга, электронные волны имеют одинаковые длину и фазу, т.е. их можно рассматривать как одну волну, которая обтекает дефекты структуры.При абсолютном нуле все электроны связаны в пары, с повышением происходит разрыв некоторых пар и уменьшение ширины щели, при Т_св все пары разрушаются, ширина щели обращается в нуль и сверхпроводимость нарушается.

Переход в сверхпроводящее состояние происходит в очень узком температурном интервале, неоднородности структуры вызывают расширение интервала.

Важнейшее свойство сверхпроводников – магнитное поле совершенно не проникает в толщину материала, силовые линии огибают сверхпроводник (эффект Мейснера) – связано с тем, что в поверхностном слое сверхпроводника в магнитном поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина проникновения магнитного поля 10^-7 – 10^-8м – сверхпроводник – идеальный диамагнетик; выталкивается из магнитного поля (можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи).

Состояние сверхпроводимости нарушается при напряженности магнитного поля, превышающей Н_св. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники 1^-го и 2^-го рода. У сверхпроводников 1^-го рода этот переход происходит скачкообразно, у сверхпроводников процесс перехода постепенный в диапазоне Н_св1 –

Н_св2. В интервале материал находится в гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фаза, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник, нулевое сопротивление сохраняется до верхней критической напряженности.

Критическая напряженность зависит от температуры для сверхпроводников 1 рода:

где Н_св(0) – напряженность критического поля при температуре абсолютного нуля.

У сверхпроводников 2^-го рода область промежуточного состояния расширяется при понижении температуры.

Сверхпроводимость может быть нарушена током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает критическое значение I_св = 2πrН_св(Т) – для сверхпроводников 1^-го рода (для 2^-го рода более сложный характер).

Сверхпроводимостью обладают 26 металлов (в основном 1^-го рода с критическими температурами ниже 4,2К), 13 элементов проявляют сверхпроводимость при высоких давлениях (кремний, германий, теллур, сурьма). Не обладают медь, золото, серебро: малое сопротивление указывает на слабое взаимодействие электронов с кристаллической решеткой, и в ферро и антиферромагнетиках; полупроводники переводятся добавкой большой концентрации легирующих примесей; в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью (сегнетоэлектрики) силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной степени ослаблены и они могут проявлять свойство сверхпроводимости. Интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам 2^-го рода, однако, такое деление не является абсолютным (сверхпроводник 1^-го рода можно превратить в сверхпроводник 2^-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Изготовление сверхпроводящих проводников связано с технологическими трудностями (они обладают хрупкостью, низкой теплопроводностью), создают композиции сверхпроводник с медью (бронзовый метод или метод твердофазной диффузии – прессование и волочение; создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы; при нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя сверхпроводящую пленку станида ниобия).

Контрольные вопросы

1 От каких параметров зависит электропроводность металлов.

2 Какой статистикой описывается распределение электронов по энергиям в квантовой теории проводимости металлов.

3 Что определяет энергия Ферми (уровень Ферми) в металлах и от чего зависит.

4 Что такое электрохимический потенциал металла.

5 От чего зависит длина свободного пробега электронов в металле.

6 Образование сплавов. Как влияет наличие дефектов на удельное сопротивление металлов.

7 Объясните температурную зависимость удельного сопротивления проводников.

8 Закономерности Н.С.Курнакова для ρ и ТКС у сплавов типа твердых растворов и механических смесей.

9 Применение в технике проводниковых материалов с различным значением удельного электрического сопротивления. Требования к материалам в зависимости от области применения.

10 Явление сверхпроводимости. Области применения сверх- и криопроводников