Сверхпроводимость твердых тел — КиберПедия 

История развития пистолетов-пулеметов: Предпосылкой для возникновения пистолетов-пулеметов послужила давняя тенденция тяготения винтовок...

Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...

Сверхпроводимость твердых тел

2017-09-10 310
Сверхпроводимость твердых тел 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

В 1911 г., изучая зависимость r (Т), Hg при 4,15 К, Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимости. Сопротивление стремится к нулю скачком в интервале некольких сотых градуса, что противоречило теории электропроводности (рис. 14.7).

 

 

Рис. 14.7. Сверхпроводящий переход (Tc) в металлах

В 1957 г. БКШ (Бардин-Купер-Шриффер) предложили теорию, которая основана на обменном взаимодействии электронов и их спаривании ­¯ с участием фононов и поляризации решетки, исключая их из электропроводности.

В теории БКШ взаимодействие электронов через фононы при низких температурах спаривает электроны и, чтобы их разорвать, необходимо сообщить энергию 2D, как при активации в полупроводниках и диэлектриках, т.е. преодолеть щель при Тс шириной 2D: = 3,5. Эта зависимость установлена эмпирически. Все сверхпроводящие электроны характеризуются одной фазой (т.е. волновая функция), которая слабо меняется вдоль образца при протекании тока.

Для каждого вещества существует Тс (критическая температура), когда сверхпроводимость пропадает (r уменьшается от ~10–9 Ом×см до ~10–16 Ом×см). Ферромагнитные материалы не являются сверхпроводниками. Примеси ферромагнитных материалов уширяют сверхпроводящий переход.

В таблице 14.1 приведены значения Тс для некоторых элементов и бинарных соединений.

 

В сверхпроводящем кольце можно возбудить электрический ток в магнитном поле (включая при помещении в него кольца). Затухание тока составит 105 лет.

 

Свойства сверхпроводников

1. В 1933 г. В. Мейснер и Р. Оксенфельд обнаружили идеальный диамагнетизм сверпроводников при Т < Tc (выталкивание из магнитного поля) в слабых магнитных полях (рис. 14.8).

 

 

Рис. 14.8. Эффект Мейснера в сверхпроводнике

 

Эффектом Мейснера можно объяснить “чудо” свободно висящего в воздухе гроба пророка Магомета, если гроб – сверхпроводник, помещенный в магнитное поле.

Это явление обусловлено появлением незатухающих поверхностных токов, компенсирующих внешнее поле. Это поверхностное поле распространяется на глубину ~ 10–5 ¸ 10–6 см.

2. Сильные магнитные поля H > Hc разрушают сверхпроводимость (рис. 14.9), т.е. поле действует, как температура:

(14.23)

Этот эффект обратим.

 

 

Рис. 14.9. Зависимость критического магнитного поля от температуры

 

По характеру проникновения Н в сверхпроводник различают два типа материалов:

1) Сверхпроводник 1 рода

При H > Hc весь образец переходит в нормальное состояние.

2) Сверхпроводник 2 рода

Существуют 2 Нс: Нс1 (Т) и Нс2 (Т) (рис.14.10).

При H2 > Hc2 весь образец переходит в нормальное состояние.

При Hc1 < H < Hc2 – смешанное состояние, частичное проникновение магнитного поля. Это фаза Шубникова.

 

 

Рис. 14.10. Сверхпроводники 1(а) и 2(б) рода

 

Наличие Нс ограничивает плотность предельного тока Ic через сверхпроводник.

3. Теплоемкость меняется по закону: при , где – теплоемкость решетки.

У сверхпроводника скачок теплоемкости происходит без скрытой теплоты, т.е. это фазовый переход 2 рода. При Т < Tc , т.е. энергетическая щель равна 2 .

4. Поглощение электромагнитного излучения имеет характер, как при поглощении света собственным полупроводником с очень узкой зоной: 2 ~ 10–4 эВ. Точнее (рис. 14.11).

 

Рис. 14.11. Спектр поглощения электромагнитной энергии в сверхпроводнике

 

Таким образом, подтверждается существование энергетической щели на границе заполненных и занятых электронных состояний. Свободные электроны ведут себя как нормальные. При Т = 0 К все электроны сверхпроводящие, нормальных нет.

 

 

Рис. 14.12. Сверхпроводящее кольцо в магнитном поле

5. Флюксоны – кванты магнитного потока, возникающие в кольцевом сверхпроводнике:

(14.24)

Этот результат подтвержден экспериментально, означает, что ток переносится зарядом 2 е, т.е. куперовскими парами (рис. 14.12).

 

Эффекты Джозефсона (1962 г.)

а) Стационарный эффект

Стационарный эффект заключается в том, что сверхпроводящий ток может течь в отсутствии электрического поля через зазор между сверхпроводниками (Sn), разделенными тонкой (1 – 2 мкм) пленкой изолятора SnO2. Это означает, что куперовские пары, с помощью которых переносится сверхпроводящий ток, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой через слой диэлектрика.

Туннельный ток через диэлектрический зазор ~ 1 нм при Т < Tc, вплоть до Iкритич:

I = Ic Sin j, (14.25)

где j – фазовый сдвиг сверхпроводниковой электронной волны.

б) Нестационарный эффект

При I > Iкр Þ осцилляции ().

Приборы на основе эффектов Джозефсона:

1) Сквиды (сверхпроводящий квантовый интерферометр-магнетометр). Это преобразователи магнитного потока в квантовом кольце в электрический ток. Магнетометры на 2 – 3 порядка чувствительнее обычных.

2) Генераторы и детекторы СВЧ.

3) Логические элементы в ЭВМ.

 


Поделиться с друзьями:

Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...

Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...

Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.014 с.