1.7. Особенности высокотемпературной сверхпроводимости

В предыдущих разделах мы рассмотрели свойства сверхпроводящего состояния, эффекты и их теоретическое обоснование применительно к низкотемпературным сверхпроводникам. Для высокотемпературных сверхпроводников пока еще отсутствует теория, которая бы объясняла все явления и эффекты, поэтому пользуются теорией БКШ с учетом особенностей ВТСП. Некоторые явления для ВТСП также имеют свои особенности, в отличие от низкотемпературной сверхпроводимости. В данном разделе мы рассмотрим эти особенности и отличия. Структура и свойства ВТСП будут детально обсуждаться ниже в главе 2.

1. Высокое значение температуры перехода. В теории БКШ была сделана оценка максимальной температуры переходаТ_С. Из выражения (1.40) с учетом ширины энергетической щелиТ_Сможет принимать значение не больше 25 К. Температура перехода для ВТС материалов лежит в области азотных температур (Т_С>77 К). Это противоречие, вероятно, вызвано тем, что за притягивание электронов, формирование пар отвечает не электрон-фононный механизм, как в теории БКШ, но какой-то иной. Существует много предположений о характере этого механизма, но в настоящее время не отдается предпочтения ни одному из них.

2. Химические связи высокотемпературных сверхпроводников. В отличие от обычных сверхпроводников, которые обладают металлической (металлы, сплавы) или ковалентной (полупроводники) химической связью, ВТСП представляют собой оксиды, в определенной степени похожие на соединения с ионной связью. Характер связи, в частности, влияет на концентрацию носителей, как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии. Поэтому в ВТСП материалах концентрация носителей меньше.

3. Нормальное сопротивление. В нормальном состоянии (Т>Т_С) ВТСП соединения имеют удельное сопротивление, значительно большее, чем у обычных металлов. В то же время приТ>Т_Судельное сопротивление ВТСП увеличивается с ростом температуры, что указывает на металлический характер проводимости. Нормальное сопротивление сильно зависит от содержания кислорода в составе материала. При определенном содержании (см. гл. 2) кислорода, материал превращается в диэлектрик и при низких температурах (Т<Т_С) не обращается в сверхпроводник.

4. Слоистая структура и анизотропия. Все известные на сегодняшний день ВТСП материалы обладают слоистой структурой тетрагональной или ромбической симметрии с чередованием слоев вдоль оси с. Общим элементом различных ВТСП соединений является слойCuO₂, называемый купратным слоем. В ряде соединений кроме купратных слоев имеются цепочкиCu-O(рис. 1.18). Есть достаточно оснований считать, что купратные слои играют определяющую роль в возникновении ВТСП. Слоистостью структуры объясняется анизотропия ряда свойств сверхпроводников, например, плотности критического тока.

а) б)

Рис. 1.18. Схематическое изображение структур YBa₂Cu₃O_7-δ(а) и Bi₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10-δ(б) в виде чередующихся слоев.

5. Постоянство структуры. Как и в низкотемпературных, в ВТСП при сверхпроводящем переходе (Т<Т_С) кристаллическая структура не изменяется. Этот факт подтверждается рентгеноструктурными исследованиями.

6. Изотопический эффект. Так же, как в обычных, в высокотемпературных сверхпроводниках обнаружена зависимостьТ_Сот массы атомов, входящих в структуру материала. Так, например, замена изотопов О¹⁶на О¹⁸в иттриевой керамике приводила к изменениюТ_Сна 0,5 К. Аналогичные результаты получены и на других материалах. Наличие изотопического эффекта в ВТСП материалах является существенным, поскольку дает основание предположить, что здесь как и в радиационных сверхпроводниках определенную роль в возникновении сверхпроводимости играют колебания решетки.

7. Температурный интервал сверхпроводящего перехода. В отличие от обычных сверхпроводников, где переход осуществляется при постоянной температуре или занимает интервал 1-2 К (Nb₃Sn), в ВТСП переход более широкий – 4-5 К для иттриевой, висмутовой и других керамик. Температуры начала и конца перехода являются различными для различных образцов и зависят от способа приготовления и его параметров. Большая размытость перехода в высокотемпературных сверхпроводниках по сравнению с обычными объясняется наличием в керамике различных фаз, имеющих различные критические температуры.

8. Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Поведение ВТСП в магнитном поле похоже на поведение обычных сверхпроводников. В них также наблюдается идеальный диамагнетизм – выталкивание магнитного поля. Сверхпроводимость также разрушается, если поле больше критического (В>В_С). ВТСП относятся к сверхпроводникам второго рода, и величинаВ_С2(0) принимает большие значения. В то же время глубина проникновения в ВТСП значительно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках. Так, в висмутовых керамиках она составляет 200-300 нм. Этот результат говорит о том, что концентрация носителей в ВТСП меньше, чем в металлах, и согласуется с п.п. 1,2.

9. Существование куперовских пар. Так же, как и в обычных сверхпроводниках, наблюдается квантование магнитного потока. Магнитный поток в отверстии сверхпроводника оказывается точно равным целому числу флюксоновФ₀. При этомФ₀=h/2e, что является прямым доказательством существования в высокотемпературных сверхпроводниках куперовских пар с зарядом 2е.

10. Малая длина когерентности. В ВТСП длина когерентности Гинзбурга-Ландау составляет 0,5-30 Аº в зависимости от конкретных условий и вещества. Эта величина для обычных сверхпроводников имеет порядок 10³-10⁴Аº в зависимости от материала. Напомним, что длина когерентности характеризует расстояния, на которых изменяется плотность сверхпроводящих пар. Такое малое значение длины когерентности приводит к необычным явлениям. В частности, двумерные (плоскостные) дефекты, которые в обычных сверхпроводниках были бы просто центрами рассеяния в силу своей малой толщины, в ВТСП могут образовывать джозефсоновские барьеры. Существование таких джозефсоновских контактов на границах зерен было экспериментально обнаружено в поликристаллической пленке иттриевой керамики.

11. Эффект Джозефсона. Также, как и для обычных сверхпроводников, для ВТСП удалось осуществить джозефсоновское туннелирование сверхпроводящих носителей через тонкую пленку диэлектрика. В джозефсоновских переходах на основе иттриевого сверхпроводника приТ=77 К была получена картина изменения критического тока перехода в зависимости от магнитного поля. Определенный из экспериментов квант магнитного потока оказался равнымh/2e, что указывает на перенос тока куперовскими парами с зарядом 2е.

С учетом вышеуказанного можно сделать вывод о том, что процессы в высокотемпературных сверхпроводниках подобны традиционным процессам, однако существуют отличия, связанные в основном с малой длиной когерентности, большой глубиной проникновения поля, анизотропией структуры и свойств и т.д., которые необходимо учитывать при использовании ВТСП для приборов криоэлектроники.