21.9. Надпровідність металів та сплавів

В 1911 році голландський інженер Камерлінг-Оннес відкрив явище надпровідності, яке полягає у тому, що при температурах менших 4 К ртутьвтрачає електричний опір. Таке охолодження ртуті було досягнуте за допомогою рідкого гелію. За відкриття явища надпровідності у 1913 році Камерлінг - Оннес був відзначений Нобелевською премією. Явище надпровідності було зафіксовано при гелійових температурах у цілого ряду металів та сплавів - Pb, Zn, Al, вісмут із золотом та інші. На Мал.228 зображена залежність питомого опору металу (сплаву) від температури. На графіку₀ - залишковий опір звичайного стану, - температура надпровідності, нижче якої опір матеріалу дорівнює 0. Існує скінчена ширина температури перехідної області від границі лінійної залежності опору до 0. Для чистих надпровідників 10^-3 К. Про характер опору електричному струмові надпровідника говорить той факт, що струм, створений за рахунок електромагнітної індукції у кільцевому надпровіднику, може існувати роками. Розглянемо деякі властивості надпровідних станів матеріалів.

а). Надпровідник у магнітному полі.У 1933 році Майснер В. та Р. Оксендфельд дослідили явище виштовхування магнітного поля з надпровідника. Це означає, що при переході провідника у надпровідний стан, індукція В магнітного поля, створена в ньому зовнішнім магнітним полем, встановиться рівною нулю у всьому об’ємі за винятком тонкого поверхневого шару. Фактично надпровідник є ідеальним діамагнетиком. Товщина x-шару, на який магнітне поле проникає у надпровідник, добре описується експоненціальною залежністю

, (9)

де - індукція на поверхні при x=0, -стала. При досягненні зовнішнім магнітним полем індукції В значення рівного , надпровідний стан матеріалу зникає. Теж саме відбувається, коли власне магнітне поле надпровідника, створене струмом І_с у ньому, досягає значень . Струм називають критичним. Залежність тавід температури надпровідника длязадовільно описується формулою

, (10)

де індукція B_с при Т=0 К. Залежність (10) показана на на Мал.229 .

б). Ефект Джозефсона. У 1962 році Б.Джозефсон передбачив можливість двох незвичайних ефектів, зв’язаних із надпровідниками у пакеті Джозефсона (див.на Мал.230). Ці ефекти дістали назву стаціонарного й нестаціонарного ефектів Джозефсона.

Стаціонарний ефект полягає в тому, що через діелектричний прошарок товщиною м між двома різнойменними надпровідниками у відсутності зовнішнього джерела струму через пакет тече постійний струм (див.Мал.230.а)). Електрони з надпровідника з більшою критичною температурою тунелюють у надпровідник із меншою критичною температурою.

Нестаціонарний ефект виникає при створенні на цих надпровідниках сталої різниці потенціалів U (див.Мал.230.б)). У цьому випадку через діелектричний контакт протікає змінний струм

.

З точки зору квантової механіки, ці явища можна описати, якщо діелектричний прошарок розглядати як тунельний. Такий контакт описується квантовими властивостями обох надпровідників. Практично ефект Джозефсона застосовується для створення приладів, що вимірюють струм з точністю до А, напругу від 3 В доВ, а індукцію магнітного поля до Тл.

в). Квантування магнітного потоку. У 1961 році Дівером та Фейрбенком і незалежно від них Доллом та Набауером уперше експериментально зафіксовано квантування такої макроскопічної величини, якою є магнітний потік Ф, що створюється струмом у надпровідниковому кільці. Вони установили, що цей потік квантується і може бути представлений у виді

,,

де квант магнітного потоку. Носієм струму у надпровіднику, що створює магнітний потік є зарядq куперівської пари (див. нижче) величиною 2е і тоді

.

Величина Ф_о була виміряна при дослідженні ефекту Джозефсона, де при певних умовах було виявлено, що величина критичного струму І_кр через діелектричний контакт визначається квантом магнітного потоку Ф_о.