26/ Сверхпроводимость.

При температуре порядка нескольких Кельвин электрическое сопротивление ряда металлов и сплавов скачком обращается в нуль. Вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой. Кроме отсутствия сопротивления для сверхпроводящего состояния характерно то, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника. При помещении в магнитное поле образец в сверхпроводящем состоянии выталкивается из магнитного поля и магнитная индукция в образце обращается в нуль. Это эффект Мейсснера. Вещества с называются диамагнетиками. Поэтому сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

Сверхпроводящее состояние может быть нарушено:

1. Повышением температуры выше критической.

2. Магнитным полем. Значение индукции магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводящее состояние, называется критическим полем .

Если усиливать ток в сверхпроводнике, то при так называемом критическом токе, который создает критическое магнитное поле, сверхпроводящее состояние нарушается.

Теория сверхпроводимости была создана в 1957 году Бардиным, Купером, Шриффером (БКШ). Состоит она в следующем. Электрон, движущийся в металле деформирует, (поляризует) состоящую из положительных ионов кристаллическую решетку. В результате этой деформации облако положительного заряда, как бы окружающее электрон, перемещается по решетке вместе с электроном. Электрон и положительно заряженное облако вокруг него представляют собой положительно заряженную систему, к которой притягивается другой электрон. Т.о. посредством ионной решетки два электрона притягиваются друг к другу, образуя, так называемую куперовскую пару.

На квантово-механическом языке притяжение между электронами объясняется обменом между электронами фононами. Электрон, движущийся в металле, нарушает режим колебаний решетки, т.е. излучает фонон. Энергия возбуждения предается другому электрону, который поглощает фонон. Возникает притяжение электронов посредством фононов. Фермионы и бозоны

Суммарный заряд куперовской пары (). В куперовские пары объединяются не все электроны. При повышении температуры и приближении к, доля нормальных электронов становится все больше и больше, и присверхпроводник переходит в нормальное состояние.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины. Поэтому спин пары равен нулю, и она является бозоном. Бозоны склонны накапливаться в основном энергетическом состоянии, и остаются в этом состоянии неограниченно долго. Расстояние между электронами в паре велико. Примерно пар перекрываются.

Образование куперовских пар приводит к перестройке энергетического спектра металла. Для возбуждения электронной системы, находящейся в сверхпроводящем состоянии, т.е. в основном состоянии, надо хотя бы один электрон перевести в возбужденное состояние, т.е. надо разрушить хотя бы одну пару, на что требуется энергия связи электронов в паре. Эта энергия представляет собой минимальное количество энергии, которое может принять система электронов сверхпроводника. Следовательно, в энергетическом спектре электронов в сверхпроводящем состоянии имеется энергетическая щель шириной, расположенная вблизи уровня Ферми. При малых скоростях (при силе тока, меньшего критического) электронная система не возбуждается, а это означает, что движение происходит без трения, т.е. без сопротивления. Ширина энергетической щели уменьшается с ростом температуры, обращаясь в нуль при критической температуре. При этом все куперовские пары разрушаются, и вещество переходит в нормальное состояние.

Электрический ток в сверхпроводящем массивном кольце может существовать неограниченно долго. Чтобы создать такой ток надо поместить кольцо при температуре во внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца. Затем перевести кольцо в сверхпроводящее состояние и выключить магнитное поле. По закону Фарадея в кольце индуцируется ток, который уже не затухает, и в кольце замораживается магнитный поток. Опыты показали, что величина потока может принимать только дискретные значения. Квант магнитного потока.

Стационарный эффект Джозефсона.Слабая связь – это слабое касание двух сверхпроводников на малой площади, тонкопленочное сужение, туннельный переход из изолятора. Если сверхток достаточно слабый, то он проходит через слабую связь без сопротивления, даже если слабая связь сделана из изолятора. Здесь проявляется согласованное когерентное поведение электронов. Электроны двух проводников объединились в единый квантовый коллектив. Волновая функция электронов с одной стороны слабой связи, проникнув через слабую связь, интерферирует с «местной» волновой функцией, и все электроны с обоих сторон стали описываться единой волновой функцией.

Нестационарный эффект Джозефсона. Увеличим постоянный ток через слабую связь настолько, что на ней появилось некоторое электрическое напряжение. Это напряжение кроме некоторой постоянной составляющейбудет иметь еще и переменную составляющую, осциллирующую с угловой частотой:.