- •В.Н. Игумнов Основы высокотемпературной криоэлектроники
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Предисловие
- •Введение
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Глава 1 сверхпроводимость
- •1.1. Нулевое сопротивление
- •Критические температуры некоторых сверхпроводников
- •1.2. Сверхпроводник в магнитном поле
- •Значения напряженности критического поля
- •1.3. Сверхпроводники второго рода. Вихри Абрикосова
- •Сверхпроводники второго рода
- •1.4. Энергетическая щель. Одночастичное туннелирование
- •Величина щели для различных сверхпроводников
- •1.5. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •1.6. Теория Бардина-Купера-Шриффера. Основные результаты
- •1.7. Особенности высокотемпературной сверхпроводимости
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2 высокотемпературные сверхпроводники
- •2.1. Структура высокотемпературных сверхпроводников
- •Основные свойства некоторых втсп
- •Контрольные вопросы
- •2.2. Синтез втсп материалов
- •Размеры частиц порошков, полученных разными методами
- •Контрольные вопросы
- •2.3. Технология объемных сверхпроводников
- •2.3.1. Методы жидкофазного полученияBi-2212 сверхпроводников
- •Основные параметры расплавных методов и характеристики Bi-2212 [10]
- •2.3.2. Методы жидкофазного получения y-123 сверхпроводников
- •Основные параметры раслоенных методов и характеристики y-123
- •Контрольные вопросы
- •2.4. Технология пленочных сверхпроводников
- •2.4.1. Физические методы получения тонких пленок
- •2.4.2. Химические методы получения пленок и покрытий
- •2.4.3. Подложки. Буферные слои
- •Удельное сопротивление и тСпленокY-123
- •Контрольные вопросы
- •2.5. Основные свойства сверхпроводников
- •2.5.1. Переход металл-изолятор
- •2.5.2. Терморезистивные характеристики
- •2.5.3. Критический ток
- •2.5.4. Высокотемпературные сверхпроводники в магнитном поле
- •Результаты резистивных измерений в различных сверхпроводниках [5]
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 устройства криоэлектроники
- •3.1. Пассивные сверхвысокочастотные устройства
- •3.1.1. Микрополосковые линии. Линии задержки
- •Зависимость ширины микрополоска от длины линии
- •Линии задержки
- •3.1.2. Фильтры
- •Полосовые фильтры
- •3.1.3. Резонаторы
- •3.1.4. Приборы наS–Nпереходах
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Болометры
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Устройства на основе переходов Джозефсона
- •3.3.1. Джозефсоновские криотроны
- •3.3.2. Цифровые устройства на д-криотронах
- •3.3.3. Квантроны
- •3.3.4. Приемные устройства
- •3.3.5. Генераторы
- •Контрольные вопросы
- •3.4. Устройства на основе квантовых интерферометров
- •3.4.1. Сверхпроводящий квантовый интерферометр
- •3.4.2. Цифровые устройства на основе сквиДов
- •3.4.3. Магнитометры и градиентометры
- •3.4.4. Магнитометрические системы
- •Основные параметры ссм
- •Контрольные вопросы
- •3.5. Магнитные экраны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4 лабораторный практикум
- •4.1. Синтез втсп материалов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.2. Получение и исследование тонкопленочных втсп элементов
- •Общие сведения
- •Характеристики распылительных систем
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.3. Получение и исследование колец-фрагментов магнитного экрана
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.4. Исследование свойств колец-фрагментов магнитного экрана
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.5. Изготовление и исследование свойств магнитных экранов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 1 16
- •Глава 2 50
- •Глава 3 107
- •Глава 4 165
Сверхпроводники второго рода
Соединение |
ТС, К |
j, А/см (Тл) при 4,2 К |
BC2, Тл (Т, К) |
Nb3Sn |
18,1 – 18,5 |
(1 – 8)*105(0) |
24,5 – 28 (0) |
Nb Ti |
9,5 – 10,5 |
(3 – 8)*104(5) |
12 (4,2) |
Nb N |
14,5 – 17,8 |
(2 – 5)*107(18) |
8 – 13 (4,2) |
Фазовая диаграмма сверхпроводника второго рода показана на рис. 1.7, а (сравните с рис. 1.5). Она включает в себя кроме N– нормального,S– сверхпроводящего состояний, ещеNS– смешанное состояние, представляющее собой сверхпроводящий образец, через который проникают тонкие нитевидные области нормального состояния с магнитным полем. Такие области получили название вихри Абрикосова. При рассмотрении сверхпроводящих состояний важную роль играет поверхностная энергия границ раздела между нормальными и сверхпроводящими областями. Такие границы могут возникать в магнитном поле.
а) б)
Рис. 1.7. Фазовые диаграммы сверхпроводника второго рода
Возможны два варианта. Если энергия поверхности положительная и увеличивает энергию системы, образование границы не выгодно. Переход из сверхпроводящего в нормальное состояние происходит непосредственно. Так ведут себя сверхпроводники первого рода.
Во втором случае поверхностная энергия отрицательна и уменьшает энергию системы. Переход SNосуществляется через смешанное состояние, где вихри Абрикосова содержат границы раздела. Это сверхпроводник второго рода.
Критерием знака поверхностной энергии может служить соотношение между глубиной проникновения χи длиной когерентностиξ. Из теории Гинзбурга-Ландау следует:
, (1.11)
где VФ– скорость электрона на уровне Ферми;
Δ– полуширина энергетической щели.
Для сверхпроводников второго рода λ>>ξ.
К этой группе относятся металлы с примесями, интерметаллические соединения и высокотемпературные сверхпроводники (см. ниже). На рис. 1.7, б приведена фазовая диаграмма с учетом критерия χ=λ/ξ.
Особый интерес представляет смешанное состояние– состояние Шубникова. Рассмотрим проникновение магнитного поля в сверхпроводник второго рода. Поверхностная энергия в этом случае отрицательна – выгодно образование большого числа нормальных областей как можно меньших размеров – нитей. Диаметр нити по порядку величины равен длине когерентности ξ, так как концентрация сверхпроводящих электронов изменяется на длинеr≈ ξ. Необходимо отметить, что условие убывания поля (1.6) для сверхпроводников действует и в случае вихря Абрикосова (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Вихрь Абрикосова: а – сверхпроводящий ток j; б – распределение индукции поля и концентрации СП электронов
В этой области вокруг нити циркулирует сверхпроводящий ток, связанный с магнитным полем по закону Максвелла. Такое распределение магнитного поля называется вихрем. Нормальная сердцевина вихря представляет собой аналог полости в сверхпроводящем кольце, и поэтому поток вихря должен быть квантован согласно (1.9). Если бы вихрь имел несколько квантов потока, он бы разбился на несколько вихрей согласно принципу минимума свободной энергии. Поэтому вихрь характеризуется одним квантом потокаФ0. Анализ энергетического состояния вихря позволяет оценить его энергию. Опуская соответствующие выкладки, приведем оценку энергии единицы длины вихря:
. (1.12)
В отсутствие поля (Н=0) энергия положительна, т.е. образование вихрей невыгодно. Они смогут образоваться, когда с ростом поля энергияобратится в нуль и станет отрицательной. Приравняв (1.13) к нулю, найдем оценкуНС1:
НС1~. (1.13)
С ростом магнитного поля число вихрей растет. Однако вихри обладают одинаковой ориентацией поля и будут отталкиваться, если расстояние между ними будет меньше . Поэтому максимальная концентрация вихрей сопровождается их упорядочением в правильную треугольную решетку. Предельная концентрация вихрей соответствует расстоянию между ними порядка, после чего они сливаются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние (рис. 1.7) приН=НС2. Оценка верхнего критического поля дает зависимость:
НС2~. (1.14)
Магнитное поле транспортного тока, превышающее НС1, тоже вызывает образование вихрей в сверхпроводнике второго рода. Круговые токи вихрей и транспортные токи взаимодействуют между собой. В однородном сверхпроводнике возникает движение вихрей. Это движение является вязким, сопровождается диссипацией энергии, следовательно, в сверхпроводнике возникает сопротивление. Рассмотренное состояние называют резистивным. Если в сверхпроводнике второго рода существуют включения нормальной фазы или поры размером не менее, эти дефекты играют роль потенциальных ям для вихрей. В этом случае возникает пиннинг – закрепление вихрей на дефектах и торможение всей вихревой решетки.
В практическом использовании сверхпроводников второго рода возможны два направления. В первом – криоэлектронные устройства используют интегральные свойства, например, переход S↔Nи возникающие в процессе перехода вихри являются побочным паразитным явлением. Во втором направлении – вихри Абрикосова являются носителями информации. Для того, чтобы магнитные вихри могли возникать, перемещаться и аннигилировать, выполняя определенные информационные задачи, сверхпроводник должен иметь необычные свойства – быть беспиннинговым. В этом случае решетка вихрей будет иметь треугольную структуру.
Вихри могут зарождаться и исчезать только на краю сверхпроводника. Если сравнить такой магнитный вихрь с пакетом неосновных носителей заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС), то для перемещения вихря вдоль поверхности сверхпроводника (или СП пленки) требуется внешнее поле, выполняющее такие же функции, что и поле электродов при переносе зарядов в ПЗС.