Сверхпроводимость 1 2 3 4 5 Экспериментальные факты

Сверхпроводимость 1. 2. 3. 4. 5. Экспериментальные факты Типы сверхпроводимости Особенности сверхпроводимости I и II рода Критические параметры сверхпроводимости Квантовая теория сверхпроводимости Бардина, Купера и Шриффера (теория БКШ) 6. Высокотемпературные сверхпроводники 7. Применение сверхпроводимости

Сверхпроводимость Открытие -Х. Каммерлинг-Оннес, 1911 год.

Сверхпроводимость (факты) I. § Удельное сопротивление сверхпроводящих материалов (свп) при понижении температуры до некоторой критической падает до нуля. Каждый сверхпроводник обладает четко фиксируемой , присущей только ему температурой перехода в свс. § Ширина температурного интервала, в течение которого происходит переход, у свп 1 -го рода составляет (10 -3 -10 -4)К и возрастает при наличии примесей и дефектов структуры. ρ ρ

Сверхпроводимость (факты) В настоящее время известно около тысячи веществ, в основном сплавов, обладающих сверхпроводимостью. Причем, у таких хороших проводников, как Cu, Au , Ag, сверхпроводимость не обнаружена. Легче обнаружить сверхпроводимость (свп) у сплавов с большим ρ. Не обнаружена свп и у сплавов, содержащих ферромагнетики (Fe , Ni , Co ). §

Сверхпроводимость (факты) II. Зависимость Тк от величины внешнего магнитного поля Н. Чем больше Н, тем меньше Тк Где: Нo – критическая напряженность при Т=0; Тк критическая температура Следствием этой зависимости является наличие критической напряженности магнитного поля (HK ), которая снимает свп-состояние (в табл. 1 приведены значения (HK ) для T ~ 1 К).

Сверхпроводимость (факты) Наличие HK затрудняет использование свп для создания мощных электромагнитов. Протекающий по свп ток тоже создает магнитное поле, которое, как и внешнее, разрушает свп-состояние. JK критический ток, создающий магнитное поле, равное HK. Ясно, чем больше TK, тем больше JK.

Сверхпроводимость (факты) III. Диамагнитизм свп. Сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками, магнитное поле выталкивается из свп – эффект Мейсснера – Оксенфельда (1933 г). В дальнейшем выяснилось, что при Н < Нк в поверхностном слое свп толщиной (100 -1000) Å индуцируется круговой незатухающий ток, величина которого такова, что магнитное этого тока компенсирует внешнее магнитное поле в толще свп. Глубина проникновения магнитного поля – толщина, в котором магнитное поле уменьшается в «е» раз.

Сверхпроводимость (факты) IV. Скачек теплоемкости Переход в свп состояние (и обратно) – фазовый переход второго рода. Прямые измерения теплоемкости свп при Н =0 показывают, что при Т=Тк теплоемкость Ссвп испытывает скачек до величины, которая в 2 -2. 5 раза превышает ее значение в нормальном состоянии при Т≥Тк. При этом теплота перехода ∆Q=0. Это классическая характеристика фазовых переходов 2 -го рода. Этот скачек обусловлен изменением электронной теплоемкости, связанной с перестройкой электронной подсистемы. Какой?

Сверхпроводимость (факты) V. Изотопический эффект. Открытие этого эффекта (Массвелл, Рейнольдс, 1950 г. ) сыграло, пожалуй, решающую роль в создании теории свп. Исследование изотопов различных свп привело к установлению связи между Т к и массой изотопов : Тк = const/ M 1/2 где M –атомная масса изотопа. Масса изотопа –характеристика решетки кристалла и может влиять на ее свойства. Например частота нормальных колебаний ω ~1/M 1/2. Но свп – свойство электронов металла, следовательно, кристаллическая решетка (масса атомов) влияет на поведение электронов проводимости.

Сверхпроводящие металлы Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. При обычных температурах проводимость сверхпроводников ниже, чем у несверхпроводящих металлов Технеций - 11. 2 К.

Два типа сверхпроводимости § Сверхпроводимость I рода Материалы в сверхпроводящем состоянии выталкиваются магнитным полем, т. е являются идеальными диамагнетиками (эффект В. Мейсснера и Р. Оксенфельда 1933 г). Удельное сопротивление равно нулю. § Сверхпроводимость II рода Материалы в сверхпроводящем состоянии по большей части являются диамагнетиками (частичный эффект Мейсснера) и их удельное сопротивление близко к нулю.

Диссипация энергии в металлах при прохождении тока Нормальный металл ток Рассеяние электронов ведет к возникновению ΔU – падения напряжения. Сверхпроводник I рода ток В сверхпроводящем состоянии ΔU =0. Сверхпроводник II рода ток

Сравнение проводимости обычных металлов с проводимостью сверхпроводника Электрон имеет заряд Электроны образуют Куперовские пары, поэтому их заряд • Рассеяние электронов обусловливает наличие сопротивления • Куперовские пары электронов переносят ток сверхпроводимости не встречая сопротивления • Ток генерирует падение напряжения, поэтому происходит диссипация энергии • Ток сверхпроводника не генерирует падения напряжения, поэтому отсутствует диссипация энергии

Поведение сверхпроводников в магнитном поле нормальный металл μ>0, В>0, Сверхпроводник I рода μ=0, В=0, диамагнетик Сверхпроводник II рода μ~0, В ≠ 0, идеальный

Особенности сверхпроводимости I рода Обнаруживают эффект В. Мейсснера (В = 0) вне глубины проникновения магнитного поля δ. При температуре ниже критической магнитная индукция в металле В=0, а намагниченность характеризуется отрицательным значением, т. е. сверхпроводник является диамагнетиком.

Особенности сверхпроводимости второго рода Магнитный поток начинает проникать в образец при поле Нс1 которое ниже критического поля Нс. Между Нс1 и Нс2 образец находится в вихревом состоянии. Выше Нс2 образец является нормальным проводником.

Квантование потока Каждый вихрь характеризуется магнитным потоком, кратным кванту магнитного потока Ф 0. Коллектив вихрей известен как решетка вихрей Абрикосова. Ф 0 = h/2 е=2× 10 -15 Т м 2. где: квант магнитного потока (флюксон)

Схематическое представление смешанного состояния В сверхпроводниках II рода области нормального материала (вихри), размеры которых характеризуются длиной когерентности (ξ), окружены сверхпроводящей фазой где ρ=0. Распределение сверхпроводящей электронной плотности: ns Длина когерентности: ξ – длина, на которой дрейфовая скорость электронов слабо меняется. Глубина проникновения: λ

Смешанное состояние в сверхпроводниках II рода В смешанном состоянии линии магнитного потока окружены вихревыми мейснеровскими потоками. Структура отдельной цилиндрической нити n-фазы радиуса ξ (заштрихованная область) находящейся внутри s – фазы сверхпроводника второго рода в смешанном состоянии. Магнитное поле Н и экранирующий мейснеровский ток I (создаваемый куперовскими парами) проникает в глубь s –фазы на расстояние λ.

Критические параметры сверхпроводимости Три критических параметра: § критическая температура Тс § критическое магнитное поле Hc § критическая плотность тока Jc Критическая поверхность сверхпроводников

Теория сверхпроводимости БКШ Сверхпроводимость является квантовым эффектом и не может быть объяснена в рамках классической физики. Многие свойства сверхпроводников были систематизированы и объяснены в рамках феноменологической электродинамической теории, которая была предложена Ф. и Г. Лондонами в 1935 году и была развита Пиппардом, Гинзбургом и Ландау в 1950 -1953 г. г. Квантовая теория создана Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ), 1957 г.

Происхождение запаздывающего притягивающего потенциала Электрон вблизи поверхности Ферми двигается с высокой скоростью VF. В процессе его движения происходит смещение ионов, которое создает эффективный положительный заряд.

Происхождение энергетической щели Вследствие запаздывания второго электрона кулоновское отталкивание между ними пренебрежимо мало. Взаимодействие двух электронов можно рассматривать как обмен виртуальными фононами. Это приводит к притягивающему !!!! взаимодействию между ними и возникновению Куперовских пар.

Происхождение энергетической щели Притяжение между электронами приводит к понижению их энергии относительно энергии уровня Ферми на величину равную W- энергетическая щель сверхпроводника. Чтобы разрушить связь между парой нужно приложить энергию больше 2 W. Это объясняет наличие критической температуры сверхпроводимости. W=W 1+W 2 -Wb W 1, W 2 – энергия не взаимодействующих электронов; Согласно теории БШК 2 Wb(0) = 3. 5 КТс Wb – энергия связи каждого взаимодействующего электрона.

Влияние электрического поля на заполнение допустимых состояний сверхпроводника а) нет внешнего электрического поля, полный импульс пары (p) + (-p) равен нулю, тока нет. б) приложено электрическое поле Е полный импульс пары (p+q) + ( -p+q) = 2 q не равен нулю, поток электронов направлен направо (ток налево).

Коллективный характер поведения электронов сверхпроводимости Размер Куперовской пары может составлять величину порядка 10 -6 м. В таком объеме размещается громадное число электронов, объединенных в пары, так что понятие изолированной пары электронов теряет смысл. Эти пары перекрывают друга, образуя единый коллектив "конденсат". При очень низких Тo К это в высшей степени координированное состояние электронов, осуществляющихся самопроизвольно, потому что выигрыш в энергии для каждой пары превышает потери, связанные с тем, что свобода для отдельных е- утрачивается. Вот почему сверхпроводящее состояние устойчиво и для его разрушения нужно приложить к сверхпроводнику энергию (тепловую, магнитную, электрическую).

Коллективный характер поведения электронов сверхпроводимости Т. к. куперовские пары электронов обладают спином равным 1 т. е. являются бозонами, то на них не распространяется запрет Паули. Поэтому в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц, т. к. бозоны проявляют "стремление" к объединению, т. е. тем интенсивнее заселяют данное состояние, чем больше находится в нем частиц. Оценка показывает, что количество такие электронов составляет примерно 10 -4 от общего их числа.

Прогресс в получении ВТСП

Сверхпроводящая керамика

Области применения сверхпроводимости § Скоростной транспорт на магнитной подушке (нет трения , шума, высокая скорость, надежность и т. д). § Электроника (сверхпроводящие устройства основанные на расщеплении энергетических уровней в магнитном поле, NDT, переключающие устройства и т. д). § Ускорители элементарных частиц § Ядерная энергетика § Для производства электрогенераторов высокой эффективности § Связь (снижение шумов, повышение надежности, скорости, снижение потерь).

Левитация магнитного диска над диамагнитным керамическим постаментом изготовленным из высокотемпературного СВП

Спасибо за внимание. Лекция окончена