Критические температуры некоторых сверхпроводников

Материал	ТС, К	Материал	ТС, К
ниобий	9,22	рений	1,7
свинец	7,22	рутений	0,5
бериллий	0,026	таллий	4,39
висмут	6,00	вольфрам	0,012
ртуть	4,15	цинк	0,9
олово	3,73	Nb3Ge	23,4

Сегодня известен ряд чистых металлов (более 20) и несколько сотен сплавов и химических соединений, обладающих сверхпроводимостью. Температура перехода в сверхпроводящее состояние (или критическая температура) этих материалов изменяется в пределах от 0,01 до 20 К (табл. 1.1). Некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние в особых условиях: под давлением (например цезий: 1,5 К; 0,11 Мбар); в виде тонких пленок (например кремний). Диэлектрики не переходят в сверхпроводящее состояние так же, как и ферромагнитные материалы. Более того, малейшее загрязнение сверхпроводниковых материалов атомами Fe,Co,Niи др. может полностью подавить сверхпроводимость. Не обнаружена сверхпроводимость у элементов 1 группы (кроме цезия), золота, серебра, меди и др. Необходимо отметить, что эти материалы обладают высокой электропроводностью. Все эти факты нашли свое объяснение в теории БКШ.

Забегая вперед, приведем главные понятия из теории сверхпроводимости, которые позволят при знакомстве с проявлениями сверхпроводимости лучше понять их природу.

В сверхпроводнике электроны образуют куперовские пары– пары электронов, связанные друг с другом посредством кристаллической решетки. Спины электронов пары антипараллельны, импульсы противоположны, энергия близка к энергии Ферми, и расстояние между ними порядка 10^-6м в низкотемпературных сверхпроводниках. Электроны, объединяясь в пары, приобретают нулевой суммарный спин и из фермионов превращаются в бозоны. Бозоны имеют другие свойства, в частности, собираются на одном низшем энергетическом уровне образуютсверхпроводящий конденсат. Сверхпроводящий конденсат ведет себя как единое целое и движется по кристаллу без рассеяния. Это движение аналогично сверхтекучести гелия. Все пары обладают корреляцией движения. Длины волн и фазы волновых функций пар равны. С ростом температуры число пар убывает и при критической температуре становится равным нулю. Образование куперовских пар приТ<Т_Сявляется энергетически выгодным. ПриТ<Т_Спары не могут рассеиваться в кристалле, поскольку там нет фононов достаточной энергии для разрыва пары.

Для практического использования желательно иметь сверхпроводники с возможно большей критической температурой. В этом случае создание и обслуживание криоэлектронных устройств существенно упрощается и удешевляется. Естественно, что поиск таких материалов является очень актуальной задачей. Однако, до 1986 г. самой высокой температурой перехода обладал сверхпроводник Nb₃Ge(см. табл. 1.1).

Поскольку речь идет об отсутствии сопротивления в сверхпроводниках при Т<Т_С, очевидно существование сверхпроводящего тока плотностиj_Sв отсутствие внешнего электрического поля.

j_S=e n_S V_S, (1.1)

где e– заряд электрона;

n_S– концентрация сверхпроводящих электронов;

V_S– скорость сверхпроводящих электронов.

Существование такого тока было экспериментально обнаружено в сверхпроводниковом кольце, где переменным магнитным полем индуцировали ток, затем поле выключили. Проведенные оценки параметров показывают, что удельное сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии не более чем 1*10^-23Ом*см, т.е. оно в 10¹⁷раз меньше, чем удельное сопротивление меди при комнатной температуре. Время, требуемое для затухания такого тока может быть определено из выражения:

, (1.2)

где L– индуктивность кольца;

R– его сопротивление;

t– время;

I₀– начальный ток.

Расчеты показывают, что такое время – не менее 100000 лет.

Однако, если ток в сверхпроводнике увеличивать, то при условии I≥I_Ссверхпроводимость нарушится и образец перейдет в нормальное состояние, хотя сохраняется условиеТ<Т_С. ТокI_Сназывают критическим, и он определяется с учетом плотности критического токаj_Sи площади поперечного сечения образцаS:

, (1.3)

где с– скорость света;

λ– глубина проникновения магнитного поля;

H_С– критическое магнитное поле.

Этот эффект (эффект Силсби) приводит к ограничению транспортного тока через сверхпроводник и существованию второго критического параметра сверхпроводника j_S. Эффект Силсби связан с появлением магнитного поля вокруг тока и существованием величины критической индукции магнитного поля для данного сверхпроводника (см. п. 1.2).