3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников

Явление сверхпроводимости заключается в следующем. У некоторых металлов и сплавов происходит резкое падение электрического сопротивления до нуля при некоторой температуре (рис.3.8). Температураназываетсякритической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.Электрический ток в таком проводнике сохранется неизменным сколь угодно долго.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским ученым Каменлинг-Оннесом для чистой ртути (К). резко падало до нуля.

В настоящее время сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов (сверхпроводники первого рода) и у нескольких сотен металлических сплавов и соединений. (сверхпроводники второго рода). В таблице 3.2 приведены критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников первого и второго рода.

Таблица 3.2.

Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников

Сверхпроводники 1 рода		Сверхпроводники 2 рода
Ti	0,37	CuS	1,6
Zn	0,79	PbTl	3,8
Al	1,14	Mo2N	5
Tl	2,38	NbB	6
Sn (белое)	3,73	MoNe	8 – 12
Hg	4,15	NbTi	9,3
La	4,71	NbZr	10,5
V	5,1	V2Ga	14,5 -16,5
Pb	7,22	V3Si	16,9 -17,1
Tc	11,2	NbSn	18

Долгое время сверхпроводящее состояние различных металлов и соединений удавалось получить лишь при очень низких температурах, достижимых с помощью жидкого гелия, и их применение в технике было весьма ограниченным.

В 1986. было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости^в оксидных соединениях с критической температурой порядка 100 К, а затем и выше. Это было очень важным открытием, так как такая температура достигается с помощью жидкого азота. В отличие от гелия жидкий азот получают в промышленном масштабе.

В настоящее время созданы сверхпроводящие металлооксидные керамики сложного состава (Lа-Ва-Сu-О, Lа-Sr-Сu-О, It-Ва-Сu-Ои так далее), у которых температура перехода в сверхпроводящее состояниеТ_k может превышать125 К.

Рассмотрим основные свойства сверхпроводников.

1. Существование температуры перехода Т_k в сверхпроводящее состояние.

2. Изотопический эффект (имеет место у металлов). Для одного и того же сверхпроводящего металла температуры перехода обратно пропорциональна корню квадратному из атомной массы изотопа: .

3. При действии на сверхпроводник магнитного поля температура перехода снижается, и достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние (рис.3.8). Критическое магнитное полеВ_k зависит от температуры. Если увеличивать ток, текущий через сверхпроводник, то при некотором значении токаI_k сверхпроводящее состояние разрушается. Зависимостьаналогична.

4. Внешнее магнитное поле, меньшее, чем критическое, не проникает в толщу сверхпроводника. Сверхпроводник «выталкивает» магнитное поле из занимаемой им области и является идеальным диамагнетиком (,). Это явление называютэффектом Мейснера. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником показано на рис.3.9.

Результирующая магнитная индукция в сверхпроводнике будет равна нулю.

Эффект Мейснера можно объяснить тем, что у сверхпроводника, помещенного в слабое магнитное поле, в поверхностном слое толщинойL  10 100нм наводятся круговые незатухающие токи, которые компенсируют внешнее приложенное поле. ПараметрLназывают глубиной проникновения магнитного поля в сверхпроводник.

Микроскопическая теория сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Боголюбовым Н.Н., Дж. Бардиным, А. Купером и Дж. Шриффером и называется «теория БКШ».Рассмотрим кратко сущность этой теории.

Свободные электроны металла образуют электронный газ, подчиняющийся статистике Ферми-Дирака. Между электронами действуют кулоновские силы отталкивания, которые в значительной степени ослаблены наличием электрического поля положительных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки.

Основная идея теории БКШ: электроны в сверхпроводнике кроме кулоновских сил отталкивания испытывают взаимное притяжение, которое преобладает над отталкиванием. Взаимное притяжение электронов осуществляется с помощью кристаллической решётки

Электрон вызывает смещение иона кристаллической решётки от положения равновесия - возникает её элементарное возбуждение. При переходе решетки в основное невозбужденное состояние излучается квант тепловой энергии (звуковой частоты) - фонон, который поглощается другим электроном. В результате обмена фононами между двумя электронами возникает притяжение, то естьобразуются связанные пары электронов. Они называютсякуперовскими парами.

Электроны, образующие куперовскую пару, пространственно разделены (δ ≈10^-6м) имеют противоположно направленные импульсы и антипараллельные спины. Суммарный (общий) спин такой пары равен нулю, и потому она является бозоном. К бозонам принцип Паули неприменим, поэтому число бозе-частиц, находящихся в одном и том же квантовом состоянии, не ограничено.

Важнейшая особенность связанного в куперовские пары коллектива электронов: у такой системы не происходит рассеивания электронных волн на примесях и колебаниях решётки. А это означает отсутствие электрического сопротивления.

При температуре куперовские пары разрушаются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние.

Свойства сверхпроводников делают их перспективными материалами для практического применения. Отметим два основных направления практического использования сверхпроводников: криоэнергетика и криоэлектроника.

Криоэнергетикаиспользует равенство нулю электрического сопротивления сверхпроводника. Ток через сверхпроводник не сопровождается тепловыми потерями.

Возможные использования:

• передача электрической энергии по сверхпроводящим проводам;

• создание очень сильных магнитных полей (мощных магнитных установок);

• создание различных типов моторов и генераторов.

Криоэлектроникаи её возможные использования:

• создание приборов, регистрирующих электромагнитное излучение, измерение слабых магнитных и электрических полей (уровень шумов таких приборов очень мал);

• разработка быстродействующих элементов вычислительной техники.