Короткий огляд теорій надпровідності та проаналізовано проблеми високотемпературної надпровідності. У чому проявляється явище надпровідності?

Чудо надпровідності(Авт. Валерій Старощук)

Трохи теорії

Вже перші досліди з електрикою показали, що срібло, мідь та алюміній добре проводять електричний струм, а фарфор, скло, гума та шовк його практично не проводять. Відповідно, з перших матеріалів люди стали робити провідники, а з других – ізоляцію для проводів та захист від ураження електричним струмом. На фото ви бачите сучасний мережевий двожильний провід. Кожна жила складається з семи мідних зволікань ув'язнених у пластикову ізоляцію. Зважаючи на те, що провід працює при небезпечній напрузі 220В, дві ізольовані жили покриті ще одним загальним шаром пластикової ізоляції.

Коли провіднику проходить електричний струм, він розігрівається. Цю властивість використовують у нагрівальних приладах, таких як праска, чайник, електробатареях, а також в лампах розжарювання. На фото ви бачите вольфрамову нитку, яка так розігрілася під дією струму, що почала випромінювати світло.

Зараз все частіше застосовують енергозберігаючі люмінесцентні лампи, але й у них є маленька нитка напруження для випромінювання електронів.

Якщо по провіднику йде струм, він не лише нагрівається, а й створює навколо себе магнітне поле. Цю властивість першим помітив і описав у 1820 році датський вчений Ганс Християн Ерстед. На фото ви бачите, як під дією магнітного поля залізна тирса шикується навколо мідного провідника зі струмом.

Магнітне поле струму використовують у роботі електродвигуна, генератора та електромагніту.

Отже, якщо по провіднику йде струм, то енергія джерела струму перетворюється на теплову та енергію електромагнітного поля. Іноді це потрібне і корисно, а іноді просто шкідливо. Наприклад, навіщо нам нагрівання та магнітне поле дроту, яким ми підключили праску до розетки? Гріються також дроти, якими електричний струм від електростанції йде до наших будинків. Щоб зменшити ці втрати енергії, опір провідника намагаються зробити якнайменше.

Так як електричний опір зразка сильно залежить від матеріалу, з якого він зроблений, температури та геометричних розмірів, вирішили вимірювати питомий опіртобто опір зразка з даного матеріалу довжиною 1м, площею поперечного перерізу 1мм 2 при 20 0 С. Наприклад, питомий опір міді дорівнює r = 0,0125 Ом·мм 2 /м. Це означає, що якщо ви візьмете провідник з міді (Cu) довжиною 1 м і площею перерізу 1мм 2 то його опір електричному струму буде 0,0125 Ом. Опір дає можливість дізнатися, який струм пройде провідником для даної напруги. Наприклад, якщо напруга на кінцях нашого зразка дорівнюватиме 0,1В, то через нього піде струм I = U/R = 0,1/0,0125 = 8A. Для наочності представимо електрони у вигляді синіх чоловічків, що біжать.

Тоді за струму 8А за одну секунду їх забіжить у провідник 5·10 19 (50 мільярдів мільярдів!). Це майже у 70 мільярдів разів більше, ніж людей на планеті Земля. Зверніть увагу, що вибіжить із провідника їх за секунду стільки ж. Домовилися, що напрямок струму визначають за рухом позитивно заряджених частинок. Але в металах струм проводять негативні електрони, тому напрям струму показано протилежно швидкості електронів. У провіднику знаходяться позитивні іони міді, з якими наші електрони-чоловічки граються, хапаючи руками. Адже між негативними електронами та позитивними іонами існують сили тяжіння. Забрати іон із собою чоловічку-електрону не вдасться, тому що іони набагато важчі за електрони і міцно пов'язані силами між собою в кристалічній решітці. А ось розкачати іони нашим «чоловічкам» буде під силу. При цьому електрони втрачають свою швидкість, а значить і енергію руху, а провідник нагрівається відповідно.

Історія відкриття

Голландський вчений Хейке Камерлінг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) (на фото праворуч) вирішив першим у світі досягти у своїх експериментах абсолютний нуль за шкалою Кельвіна (приблизно мінус 273 градуси за Цельсієм). Як ви знаєте, в природі немає температури нижче. Сорокарічний вчений, використовуючи свої зв'язки з голландськими промисловцями у 1893 році, починає будівництво в Лейденському університеті однією з кращих лабораторій у світі, яку оснастив найсучаснішим обладнанням. Перший успіх прийшов 10 липня 1908, коли вдалося отримати рідкий гелій при 5К (це мінус 268 градусів Цельсія!). Через 2 роки напруженої праці вони одержують температуру 1К! І тут учений розуміє, що це межа, яку можна досягти на даному устаткуванні, тому приймається рішення змінити напрямок наукової роботи. Тепер усі сили були спрямовані на вивчення фізичних властивостей різних матеріалів за низьких температур. Природно, один із пунктів програми включав вимір питомого електричного опору матеріалу. Багато вчених того часу висловлювали припущення, що за дуже низьких температур метали повинні стати діелектриками. Нібито вільні електрони настільки сповільнять свій рух, що приклеяться до іонів і не зможуть переносити електрику. Але фізика – наука, насамперед експериментальна! Досліди Хейке Камерлінг Оннеса показали, що у платини зі зниженням температури опір не зростає, а падає, і після 4К залишається незмінним. Вчений зробив припущення, що опір має прагнути нуля, тому що іони припиняють коливальний рух і «не заважають» рухатися вільним електронам. Розуміючи, що в платині є малі домішки, він вирішив перевірити ртуть, найочищеніший метал, який мав.

8 квітня 1911 року група Хейке Камерлінг Оннес, з помічниками Корнелісом Дорсманом (Cornelis Dorsman) і Гіллесом Хольстом (Gilles Holst) перевіряли роботу нового кріостастату (пристрій підтримки низьких температур у цьому обсязі). Спочатку думали лише заправити рідким гелієм, але потім встановили газовий термометр і два зразки із золота та ртуті, щоб виміряти їхній питомий опір. Вимірявши опір металів при 4,3К, вирішили зменшити тиск у кріостат над гелієм. Гелій почав швидко випаровуватись, і температура впала до 3К. Експеримент тривав уже 9 годин! При повторному вимірі опір ртуті дорівнював нулю! Так було відкрито надпровідність!

На фото ви бачите історичний запис вченого, зроблений того дня. У рамкувзято голландську фразу Kwik nagenoeg nul- «Опір ртуті практично нульовий» (3 К). Наступна пропозиція Herhaald met goudозначає "Повторено із золотом".

Критична температура переходу ртуті у надпровідний стан у той день не була визначена, та такого завдання не ставилося. Її з'ясували у наступному експерименті, проведеному 11 травня. Камерлінг-Оннес тоді дійшов висновку, що ртуть робиться надпровідником при охолодженні до 4,2 К.

Надалі відкриття пішли одне за одним. У 1912 році відкрили ще два надпровідники - свинець та олово. У 1914 р. розуміють, що сильне магнітне поле руйнує надпровідність. У тому ж році проводять ефектний експеримент із надпровідним кільцем зі свинцю. У ньому короткочасно індукували струм, а потім спостерігали його циркуляцію протягом кількох годин без найменшого згасання. Саме кільце стає магнітом.

У 1919 році з Лейдена прийшла звістка, що надпровідниками стають також талій та уран.

Пояснення надпровідності

Пояснити явище надпровідності з погляду класичної електродинаміки неможливо. Тільки з розвитком квантової фізики в 1957 році (через 46 років після відкриття!) три американські фізики - Бардін, Купер і Шриффер, пояснили надпровідність паруванням електронів, тобто утворенням куперівських пар, яке здійснюється за рахунок обміну коливаннями кристалічного осередку - фононами.

Щоб зрозуміти, як утворюються куперівські пари, розглянемо дуже спрощену модель проходження струму в надпровіднику.

Червоними кружками позначені позитивні іони кристалічних ґрат.

Коли електрон А під впливом електричного поля рухається у просторі решітки, він трохи викривляє її. Через війну концентрація позитивних іонів його зростає. Скупчення позитивних іонів притягує негативний електрон з силою F. В результаті енергія, яку витратив електрон А на проходження іонної кристалічної решітки, передається через коливання решітки електрону В. Виходить, що електрони А і В пов'язані між собою через іонну решітку, утворюють пару і разом не витрачають енергії під час руху. Опір струму у разі дорівнює нулю.

Застосування надпровідників

Сучасна наука вже отримала матеріали, які мають надпровідність при 165К (мінус 107 0 С). Якщо будуть отримані матеріали, що мають надпровідність при кімнатній температурі, це буде величезний стрибок у розвитку людства. Адже одну третину електроенергії ми витрачаємо під час передачі від джерела споживачеві. Поки що надпровідники доводиться охолоджувати рідким азотом.

З іншого боку, без них вже важко уявити роботу Великого адронного колайдера в ЦЕРНі та будівництво термоядерного реактора ITER у Кадараші.

Надпровідність характеризується також ефектом Мейснера, що полягає у повному витісненні магнітного поля з об'єму надпровідника. Внаслідок цього зразок, як видно на фото, зависає над магнітом.

На основі цього явища вже створено поїзди на магнітній подушці, які можуть розганятися до швидкості 500 км/год.

Потужні магніти на надпровідниках використовують у медицині під час створення томографів, що використовує принцип ядерно-магнітного резонансу (ЯМР). Сканування тканин людини дозволяє лікарям побачити на екрані комп'ютера зріз нутрощів, не оперуючи хворого. Такий метод дозволяє швидко встановити правильний діагноз, а значить швидше вилікувати пацієнта.

Сучасна квантова теорія надпровідності не обмежує значення температури, коли він спостерігається цей ефект. Значить справа за створенням нових матеріалів та з'єднань, які, можливо, незабаром відкриєте ви.

У 1911 році голландський фізик Х. Камерлінг-Оннес відкрив явище надпровідності. Він проводив вимірювання електричного опору ртуті за низьких температур. Оннес хотів з'ясувати, наскільки малим може стати опір речовини електричного струму, якщо максимально очистити речовину від домішок і максимально знизити «тепловий шум», тобто. зменшити температуру.

Результат цього дослідження виявився несподіваним: при температурі нижче 4,15 К опір майже миттєво зник. Графік такої поведінки опору залежно від температури наведено на рис. 1.

Електричний струм - це рух заряджених частинок. Вже тоді було відомо, що електричний струм у твердих тілах – це потік електронів. Вони заряджені негативно та набагато легше, ніж атоми, з яких складається будь-яка речовина.

Кожен атом у свою чергу складається з позитивно зарядженого ядра та електронів, що взаємодіють з ним та між собою за законом Кулона. Кожен атомний електрон займає певну орбіту. Що ближче «орбіта» до ядра, то сильніше електрон притягується до нього, тим більша енергія потрібна, щоб відірвати такий електрон від ядра. Навпаки, найзовніші від ядра електрони найлегше відриваються від нього, хоч і для цього потрібно витратити енергію.

Зовнішні електрони називаються валентними. У речовинах, іменованих металами, вони справді відриваються від атомів, коли об'єднуються в тверде тіло, і утворюють газ майже вільних електронів. Це проста, красива і фізична картина, що часто виявляється правильною: шматок речовини являє собою як би посудину, в якій знаходиться «газ» електронів (рис. 2).

Якщо ми створили електричне поле - доклали до досліджуваного шматочка речовини напругу, в електронному газі виникне вітер як би під дією різниці тисків. Цей вітер є електричний струм.

Метали

Не всі речовини добре проводять електричний струм. У діелектриках валентні електрони залишаються «прив'язаними» до своїх атомів і не так просто змусити їх рухатися через весь зразок.

Досить важко пояснити, чому одні речовини виявляються металами, інші — діелектриками. Це залежить від того, з яких атомів вони складені та як ці атоми розташовані. Іноді можливі перетворення, коли розташування атомів змінюється, наприклад, під впливом тиску атоми зближуються і діелектрик стає металом.

Через діелектрики струм не тече, а й у металах електрони рухаються не зовсім вільно. Вони наштовхуються на атомні «кістяки», від яких «відірвалися», і розсіюються на них. При цьому виникає тертя або, як кажуть, електричний струм зазнає опору.

При надпровідності опір зникає, стає рівним нулю, тобто. рух електронів відбувається без тертя. Тим часом досвід нашого повсякденного життя показує, здавалося б, що такий рух неможливий.

На вирішення цієї суперечності було спрямовано роботи фізиків протягом десятків років.

Відкрита властивість настільки незвичайна, що метали, що мають опір, на противагу надпровідникам називаються нормальними.

Опір

Електричний опір шматка металу (наприклад, дроту) вимірюється в омах і визначається розмірами та матеріалом зразка. У формулі

R = ρ × l / S

R- Опір, l- Довжина (розмір зразка в тому напрямку, в якому тече струм), S- Поперечний переріз зразка. Написавши таку формулу, ми ніби продовжуємо порівнювати електрони з газом: чим ширша і коротша труба, тим легше продути через неї газ.

Розмір ρ — питомий опір, що характеризує властивості матеріалу, з якого виконано зразок.

У чистій міді за кімнатної температури ρ = 1,75·10 -6 Ом·см.

Мідь — один з металів, що добре проводять струм, вона дуже широко використовується для виготовлення електричних проводів. Деякі інші метали за кімнатної температури проводять електричний струм гірше:

Для порівняння наведемо питомі опори деяких діелектриків, також за кімнатної температури:

При зниженні температури Tпитомий опір міді поступово знижується і за нормальної температури кілька кельвінів становить 10 -9 Ом·см, але надпровідником мідь стає. А алюміній, свинець, ртуть переходять у надпровідний стан, і проведені з ними досліди показують, що питомий опір надпровідника принаймні не перевищує 10 -23 Ом см - у сто трильйонів разів менше, ніж у міді!

Залишковий опір

Питомий опір металу залежить від температури. Умовний графік ρ( T), скажімо, для міді, ви бачите на рис. 3. Чим вище температура, тим більше опір, тим сильніше коливаються складові метал атомні «кістяки» і тим більшу перешкоду вони становлять для електричного струму. Якщо, навпаки, наближати температуру до абсолютного нуля, опір зразка «прагне» ρ 0 — залишкового опору. Залишковий опір залежить від досконалості та складу зразка. У будь-якій речовині зустрічаються сторонні атоми-домішки, а також інші дефекти. Чим менше у зразку дефектів, тим менший залишковий опір. Саме ця залежність цікавила Оннеса у 1911 році. Він зовсім не шукав «надпровідність», а намагався з'ясувати, як малим можна зробити залишковий опір, очищаючи зразок. Він проводив досліди з ртуттю, тому що в той час ртуть можна було довести до більшої міри чистоти, ніж платину, золото або мідь (ці метали є кращими провідниками, ніж ртуть, і Оннес вивчав їх перед відкриттям надпровідності. Ні золото, ні платина, ні мідь не «надпроводять»).

Критична температура

Надпровідність виникає стрибком при зниженні температури. Температура T c, при досягненні якої відбувається стрибок, називається критичною. Уважне дослідження показує, що такий перехід спостерігається у певному інтервалі температур (рис. 4). Тертя електронів, що рухаються, зникає незалежно від «чистоти» зразка, але чим зразок «чистіше», тим різкіший стрибок опору, його ширина в «чистих» зразках менше сотої частки градуса. У цьому випадку говорять про «хороші» зразки або надпровідники; у «поганих» зразках ширина переходу може сягати десятків градусів. (Це, звичайно, відноситься до так званих високотемпературних надпровідників, у яких T c досягає сотень кельвінів.)

Критична температура своя для кожної речовини. Ця температура та рік виявлення надпровідності (точніше, рік опублікування статті про це) вказані на рис. 5 для кількох чистих елементів. У ніобію найвища (при атмосферному тиску) критична температура з усіх елементів Періодичної таблиці Д. І. Менделєєва, хоч і вона не перевищує 10 До.

Ще Оннес не тільки виявив надпровідність ртуті, олова і свинцю, але й знайшов перші сплави надпровідні — сплави ртуті із золотом і оловом. З того часу ця робота тривала, «на надпровідність» перевірялися нові з'єднання і поступово клас надпровідників розширювався.

Низькі температури

Дослідження надпровідності йшло дуже повільно. Для спостереження явища потрібно було охолоджувати метали до низьких температур, але це непросто. Зразок повинен охолоджуватися постійно, навіщо його поміщають в охолоджувальну рідину. Усі рідини, відомі нам із повсякденного досвіду, за низьких температур замерзають, тверднуть. Тому необхідно зріджувати речовини, які за кімнатних умов є газами. На рис. 6 вказані температури кипіння T b та плавлення T m п'яти речовин (при атмосферному тиску).

Якщо знижувати температуру нижче T b , речовина зріджується, а нижче T m воно твердне. (Гелій при атмосферному тиску залишається рідким аж до абсолютного нуля температур.) Так що для наших цілей якусь із зазначених речовин можна використовувати в проміжку між T b і T m. До 1986 максимальна відома критична температура надпровідності ледве перевищувала 20 К, тому при дослідженні надпровідності не можна було обійтися без рідкого гелію. Як охолоджувач також широко застосовується азот. Азот та гелій використовуються на послідовних щаблях охолодження. Обидві ці речовини нейтральні та безпечні.

Ожижение гелію — сама собою цікава і цікава проблема, вирішенням якої займалися багато фізики межі XIX-XX ст. Цілі досяг Оннес у 1908 році. Спеціально для цього він створив лабораторію у Лейдені (Нідерланди). Протягом 15 років лабораторія мала монополію на унікальні дослідження в новій області температур. У 1923-1925 pp. рідкий гелій навчилися отримувати ще двох лабораторіях світу — Торонто і Берліні. У Радянському Союзі таке обладнання з'явилося на початку 1930-х років. у Харківському фізико-технічному інституті.

Після Другої світової війни поступово у багатьох країнах розвивалася ціла галузь промисловості із забезпечення лабораторій рідким гелієм. До цього все було на «самообслуговуванні». Технічні труднощі та фізична складність явища призводили до того, що знання про надпровідність накопичувалися дуже повільно. Тільки через 22 роки після першого відкриття було виявлено другу фундаментальну властивість надпровідників.

Ефект Мейснера

Про його спостереження повідомили німецькі фізики В. Мейснер та Р. Оксенфельд у 1933 році.

Досі ми називали надпровідністю зникнення електричного опору. Проте надпровідність — щось складніше, ніж відсутність опору. Це ще й певна реакція на зовнішнє магнітне поле. Ефект Мейснера полягає в тому, що постійне не надто сильне магнітне поле виштовхується із надпровідного зразка. У товщі надпровідника магнітне поле послаблюється до нуля, надпровідність і магнетизм можна назвати протилежними властивостями.

При пошуку нових надпровідників перевіряються обидві основні властивості надпровідності:

у надпровіднику перетворюється на нуль електричний опір;
із надпровідника виштовхується магнітне поле.

У деяких випадках у «брудних» надпровідниках падіння опору з температурою може бути набагато розтягнутішим, ніж це зображено на рис. 1 для ртуті. В історії досліджень неодноразово бувало так, що фізики приймали за надпровідність падіння опору з якихось інших причин, наприклад, внаслідок звичайного короткого замикання.

Для докази існування надпровідності необхідно спостерігати прояви щонайменше обох її головних властивостей. Дуже ефектний досвід, що демонструє наявність ефекту Мейснера, представлений на рис. 7: постійний магніт ширяє над надпровідною чашкою. Вперше такий досвід здійснив радянський фізик В. К. Аркадьєв у 1945 році.

У надпровіднику виникають струми, що виштовхують магнітне поле, їх магнітне поле відштовхує постійний магніт і компенсує його вагу. Істотними є і стінки чашечки, які відштовхують магніт до центру. Над плоским дном положення магніту нестійке, від випадкових поштовхів він піде убік. Такий магніт, що ширяє, нагадує легенди про левітацію. Найбільш відома легенда про труну релігійного пророка. Труна, поміщена в печеру, ширяла там у повітрі без жодної видимої підтримки. Зараз не можна з упевненістю сказати, чи ґрунтуються подібні розповіді на будь-яких реальних явищах. В даний час за допомогою ефекту Мейснер технічно можливо «здійснити легенду».

Магнітне поле

Сучасна фізика використовує поняття поля для опису впливу одного тіла на інше на відстані, без безпосереднього зіткнення. Так, за допомогою електромагнітного поля взаємодіють заряди та струми. Всім, хто вивчав закони електромагнітного поля, відомий образ поля — картина його силових ліній. Вперше цей образ використав англійський фізик М. Фарадей. Для наочності корисно згадати ще один образ поля, використаний іншим англійським фізиком - Дж. К. Максвелл.

Уявіть собі, що поле - рідина, що рухається, наприклад вода, що тече вздовж напрямків силових ліній. Спробуємо описати з її допомогою взаємодію зарядів згідно із законом Кулона. Нехай є басейн для простоти плоский і дрібний, його вид зверху зображений на рис. 8. У дні виконані два отвори: через одне вода надходить у басейн (це ніби позитивний заряд), а через інше витікає (це стік, або негативний заряд). Поточна в такому басейні вода є електричним полем двох нерухомих зарядів. Вода прозора, і її течія для нас непомітна. Але внесемо в струмені "пробний позитивний заряд" - кулька на ниточці. Ми відразу відчуємо силу - рідина захоплює кульку за собою.

Вода відносить кульку від джерела - однойменні заряди відштовхуються. До стоку, або заряду іншого знака, кулька притягується, причому сила між зарядами залежить від відстані між ними, як і належить за законом Кулона.

Струми та поля в надпровідниках

Щоб розібратися у поведінці струмів і полів у надпровідниках, треба згадати закон магнітної індукції. Зараз для наших цілей корисніше дати йому загальне формулювання, ніж у шкільному курсі фізики. Закон магнітної індукції говорить взагалі про взаємини електричного та магнітного полів. Якщо уявити електромагнітне поле як рідина, то взаємини електричної і магнітної компонент поля можна представляти як взаємини спокійного (ламінарного) і вихрового перебігу рідини. Кожна з них може існувати сама собою. Нехай перед нами, наприклад, спокійний широкий потік — електричне однорідне поле. Якщо спробувати змінити поле, тобто. як би загальмувати чи прискорити рідину, то обов'язково з'являться вихори – магнітне поле. Зміна магнітного поля завжди веде до появи електричного поля, а електричне поле викликає у провідному контурі струм, і є звичайне явище магнітної індукції: зміна магнітного поля наводить струм. Саме цей фізичний закон працює на всіх електростанціях світу, тим чи іншим способом спричиняючи зміни магнітного поля у провіднику. Виникаюче електричне поле породжує струм, який надходить у наші будинки та промислові підприємства.

Але повернемося до надпровідників. Постійний струм у надпровіднику не потребує присутності електричного поля, і рівноважної ситуації електричне поле в надпровіднику дорівнює нулю. Таке поле прискорювало б електрони, а жодного опору, тертя, яке врівноважувало б прискорення, у надпровідниках немає. Як завгодно мале постійне електричне поле призвело б до нескінченного зростання струму, що неможливо. Електричне поле виникає лише в ненадпровідних ділянках ланцюга. Струм у надпровідниках тече без падіння напруги.

При уявних міркуваннях не виявляється нічого, що могло б перешкоджати існуванню магнітного поля у надпровіднику. Однак ясно, що надпровідник заважатиме магнітному полю змінюватись. Справді, зміна магнітного поля породжувало б струм, який створював магнітне поле, що компенсує початкову зміну.

Отже, будь-який контур надпровідника повинен зберігати поточний крізь нього потік магнітного поля. (Магнітний потік через контур є просто добуток напруженості магнітного поля на площу контуру.)

Те саме має відбуватися і в товщі надпровідника. Піднесемо, наприклад, до надпровідного зразка магніт його магнітне поле не може проникнути в надпровідник. Будь-яка така «спроба» призводить до виникнення струму надпровідника, магнітне поле якого компенсує зовнішнє поле. У результаті магнітне поле в товщі надпровідника відсутнє, а поверхнею тече саме такий струм, який для цього потрібно. У товщі звичайного провідника, який вносять у магнітне поле, все відбувається так само, проте там є опір і наведений струм досить швидко згасає, а його енергія переходить у теплоту через тертя. (Цю теплоту дуже просто виявити на досвіді: наблизьте руку до працюючого трансформатора, і ви відчуєте вихідне від нього тепло.) У надпровіднику опору немає, струм не згасає і «не пускає» магнітне поле всередину скільки завгодно довго. Описана картина точна та багаторазово підтверджена на досвіді.

Тепер виконаємо інший уявний досвід. «Візьмемо» той же шматок надпровідної речовини, але за досить високої температури, коли вона ще перебуває в нормальному стані. Внесемо його в магнітне поле і почекаємо, поки все заспокоїться, струми згаснуть - речовина пронизує магнітний потік. Знижуватимемо температуру, очікуючи, коли речовина перейде в надпровідний стан. Здається, зниження температури не повинно вплинути на картину магнітного поля. Магнітний потік у надпровіднику не повинен змінюватись. Якщо прибрати магніт - джерело зовнішнього магнітного поля, то надпровідник повинен цьому чинити опір і на поверхні повинні виникнути надпровідні струми, що підтримують магнітне поле всередині речовини.

Однак така поведінка зовсім не відповідає тому, що спостерігається на досвіді: ефект Мейснера матиме місце і в цьому випадку. Якщо охолоджувати нормальний метал у магнітному полі, то при переході до надпровідного стану магнітне поле виштовхується з надпровідника. На його поверхні при цьому з'являється струм, який забезпечує нульове магнітне поле в товщі надпровідника. Описана картина надпровідного стану спостерігається завжди незалежно від того, яким способом здійснено перехід у цей стан.

Звичайно, цей опис гранично ідеалізований і в ході викладу ми його ускладнюватимемо. Але вже зараз варто згадати про те, що існують два роди надпровідників, які по-різному реагують на магнітне поле. Ми почали розповідати про властивості надпровідників I роду, з відкриття яких і почалася надпровідність. Пізніше відкрили надпровідники II роду з дещо іншими властивостями. В основному з ними пов'язані практичні застосування надпровідності.

Ідеальний діамагнетизм

Виштовхування магнітного поля так само дивно для фізика, як і відсутність опору. Справа в тому, що постійне магнітне поле зазвичай проникає усюди. Йому не перешкоджає заземлений метал, що екранує електричне поле. У більшості випадків межа тіла для магнітного поля - це не стінка, що стримує його "протяг", а як би невелика сходинка на дні басейну, що змінює глибину і незначно впливає на це "протяг". Напруженість магнітного поля речовині змінюється на соті чи тисячні частки відсотка проти його силою зовні (крім таких магнітних речовин, як залізо та інші феромагнетики, де до зовнішнього приєднується велике внутрішнє магнітне полі). У всіх інших речовин магнітне поле або трохи посилюється - і такі речовини називаються парамагнетиками, або трохи послаблюється - такі речовини отримали назву діамагнетиків.

У надпровідниках магнітне поле послаблюється до нуля, вони є ідеальними діамагнетиками.

Тільки екран з безперервно підтримуваних струмів може не пропустити магнітне поле. Надпровідник сам створює на своїй поверхні такий екран і підтримує його скільки завгодно довго. Тому ефект Мейснера, або ідеальний діамагнетизм надпровідника, не менш дивовижний, ніж його ідеальна провідність.

На рис. 9 умовно зображено, що відбувається з металевою кулькою при зміні температури Tта накладення магнітного поля H(силові лінії магнітного поля позначені стрілками, що пронизують або обтікають зразок). Метал у нормальному стані маркується блакитним кольором, якщо метал переходить у надпровідний стан, колір змінюється на зелений. Для порівняння на рис. 9, впоказано, як поводився б ідеальний провідник (позначений літерами IC) — метал без ефекту Мейснера з нульовим опором (якби він існував). Цей стан позначений червоним кольором.

Мал. 9. Ефект Мейснера:

а- нормальний провідник, що має відмінний від нуля опір при будь-якій температурі (1), внесений в магнітне поле. Відповідно до закону електромагнітної індукції виникають струми, які чинять опір проникненню магнітного поля в метал (2). Однак якщо опір відмінний від нуля, вони швидко згасають. Магнітне поле пронизує зразок нормального металу та практично однорідно (3);

б- із нормального стану при температурі вище Tє два шляхи: Перший: при зниженні температури зразок переходить у надпровідний стан, потім можна накласти магнітне поле, яке виштовхується зі зразка. Другий: спочатку накласти магнітне поле, яке проникне у зразок, а потім знизити температуру, тоді при переході поле виштовхнеться. Вимкнення магнітного поля дає ту саму картинку;

в- Якби не було ефекту Мейснера, провідник без опору поводився б по-іншому. При переході в стан без опору в магнітному полі він зберігав би магнітне поле і утримував би його навіть при знятті зовнішнього магнітного поля. Розмагнітити такий магніт можна було б тільки підвищуючи температуру. Така поведінка, однак, на досвіді не спостерігається.

Трохи історії

У наступному розділі ми докладніше розповімо про дивовижні властивості надпровідників, а цей розділ нам хочеться завершити перерахуванням найважливіших робіт, виконаних фізиками під час вивчення надпровідності.

Насамперед це вже згадані відкриття Х. Камерлінг-Оннеса (1911) та В. Мейснера та Р. Оксенфельда (1933). Перше теоретичне пояснення поведінки надпровідника в магнітному полі запропоновано в Англії (1935) німецькими фізиками Ф. Лондоном і Г. Лондоном, що емігрували з Німеччини. У 1950 році Л. Д. Ландау та один з авторів цієї книги написали роботу, в якій побудували більш загальну теорію надпровідності. Цей опис виявився зручним і використовується досі, він називається теорією Гінзбурга-Ландау або теорією надпровідності.

Механізм явища було розкрито 1957 року американськими фізиками Дж. Бардіном, Л. Купером і Дж. Шриффером. За великими літерами їхніх прізвищ ця теорія називається теорією БКШ, а сам механізм (для нього суттєво парна поведінка електронів) часто називають «куперовське спарювання», оскільки його ідею вигадав Л. Купер. Для розвитку фізики надпровідності велику роль відіграло встановлення існування надпровідників двох типів – І та ІІ пологів. Ртуть та ряд інших надпровідників - це надпровідники І роду. Надпровідники ІІ роду - це здебільшого сплави двох і більшої кількості елементів. Велику роль при відкритті надпровідності ІІ роду відіграли роботи Л. В. Шубнікова зі співробітниками у Харкові у 1930-ті рр. і А. А. Абрикосова в 1950-ті рр.

Крім того, великий вплив зробили відкриття та дослідження у 1950-х pp. з'єднань з відносно високими критичними температурами, здатних витримувати високі магнітні поля і пропускати в надпровідному стані струми великої щільності. Мабуть, кульмінацією цих досліджень стали досліди Дж. Кюнцлера із співробітниками (1960). Вони продемонстрували, що дріт з Nb 3 Sn при T= 4,2 К у полі 88 000 Е (сильнішого поля просто був у їхньому розпорядженні) пропускає струм щільністю 100 тис. А/см 2 . Відкриті на той час надпровідники досі працюють у технічних пристроях. Подібні матеріали виділяють зараз у особливий клас надпровідників, який отримав назву «жорсткі надпровідники».

У 1962 році англійський фізик Б. Джозефсон теоретично передбачив зовсім незвичайні явища, які мають відбуватися на контактах надпровідників. Ці передбачення потім були повністю підтверджені, а самі явища отримали назву слабкої надпровідності або ефектів Джозефсона та швидко знайшли практичне застосування.

Нарешті, стаття (1986) фізиків, швейцарця А. Мюллера і німця Г. Беднорца, що працюють у Цюріху, ознаменувала відкриття нового класу надпровідних речовин — високотемпературних надпровідників — і породила лавину нових досліджень у цій галузі.

Градуси шкали Кельвіна прийнято позначати великою літерою До, вони дорівнюють звичним градусам Цельсія, але відраховуються від абсолютного нуля температури. За шкалою Цельсія абсолютний нуль температури є -273,16°C, тому згадана температура 4,15 До дорівнює -269,01°C. Далі ми намагатимемося наводити заокруглені значення.

Картина виникнення електричного опору, звичайно, складніша, і далі ми зупинимося на ній докладніше.

Способом перегонки, аналогічним процесу дистиляції води.

У 1911 р. голландський вчений Камерлінг-Оннес, вивчаючи електропровідність ртуті за дуже низьких температур, відкрив найцікавіше явище - надпровідність. Явище надпровідності полягає в тому, що ртуть, свинець, цинк, алюміній і деякі інші метали при глибокому охолодженні до дуже низької температури раптово при 2-8° повністю втрачають свій опір електричному струму.

Електричний опір при зниженні температури зменшується плавно і в області дуже низьких температур зазвичай

з певним уповільненням (рис. 97). Але в деяких металів при характерній для кожного з них температурі - при "точці перетворення на надпровідник" - опір раптом стрибком зменшується щонайменше в десятки мільярдів разів, ймовірно до повного зникнення (рис. 98). У всякому разі, незважаючи на виняткову чутливість застосовуваних методів вимірювання, електричний опір у стані надпровідності виявляється невиразно малим і, можливо, нульовим.

Мал. 97. Звичайний характер залежності опору від температури області низьких температур.

Мал. 98. Стрибок зникнення опору для надпровідника.

Коли через тонкий свинцевий дріт, що знаходиться в стані надпровідності, проходить струм щільністю тисячі ампер на квадратний сантиметр, ніякого падіння потенціалу між кінцями дроту не помічається. Не помічається також виділення тепла струмом.

Струм, одного разу збуджений у замкнутому надпровідному кільці, не зменшується у величині десятки годин - весь час, поки зберігається стан глибокого охолодження, що забезпечує надпровідність.

Перехід у стан надпровідності не супроводжується будь-якими різкими змінами інших властивостей металу (крім магнітних). Дослідженнями Кеезома та де Гааза встановлено, що перехід у стан надпровідності не пов'язаний з будь-якими змінами у будові кристалічних ґрат. Встановлено, що у момент виникнення надпровідності (у ненамагніченому металі) немає ні виділення, ні поглинання тепла; коефіцієнт теплового розширення не змінюється; тільки теплоємність (дуже мала при низьких температурах) відчуває невеликий стрибок у бік зростання.

Досліди, проведені Шенбергом (1937), показали, що інтенсивне намагнічування надпровідника здатне зруйнувати його надпровідність. Ця обставина накладає обмеження на допустиму щільність струму у надпровіднику: магнітне поле надміру великого струму викликає зникнення надпровідності. Однак при зменшенні величини струму або при більш

глибокому охолодженні стан надпровідності знову відновлюється.

Ряд досліджень показав, що в абсолютно чистому металі в стані надпровідності весь струм проходить поверхнею металу, сам же метал стає непроникним для магнітного та електричного полів. Таким чином, термін «надпровідність» виявилося можливим розглядати як такий, що має навіть геометричний зміст, а саме сенс такого стану металу, коли струм проходить «понад» (або «поверх») металу, не проникаючи всередину. Природно, що фізичні та хімічні особливості металу не позначаються як опору струму, який протікає «поверх» металу. Але це, звісно, ще пояснює сутності явища.

Тонкі експерименти, здійснені членом-кор. Академії наук СРСР А. І. Шальниковим довели, що глибина проникнення магнітного поля в надпровідник становить десятитисячні частки міліметра. Наступні досліди А. І. Шальникова (1947) виявили, що перехід до надпровідності шматка металу при глибокому охолодженні відбувається через проміжний стан, коли (згідно з теорією, розвиненою акад. Л. Д. Ландау) спостерігається розшарування металу на тонкі шари надпровідності, що чергуються із шарами нормальної провідності.

Явище надпровідності виявлено у 23 металів та у багатьох сплавів. Температури, при яких метал, коли його охолоджують, раптово виявляє надпровідність, - точки перетворення на надпровідник - для деяких металів наведені в таблиці, що вміщена тут.

Точки перетворення на надпровідник за шкалою абсолютної температури

(Див. скан)

Мал. 99 показує, як відбувається падіння опору, коли метал охолоджений до точки перетворення надпровідника.

Метали, які при глибокому охолодженні стають надпровідниками, при кімнатній температурі не є кращими провідниками. Навпаки, у найкращих провідників - міді,

срібла та золота - стан надпровідності не виявлено, незважаючи на те, що їх охолодження доводилося до температур, гранично близьких до абсолютного нуля,

Усі метали, що перетворюються при глибокому охолодженні на надпровідники, складають у періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва компактну групу, окреслену на рис. 100 кадрів.

Мал. 99. Температурний процес питомого опору металів поблизу абсолютного нуля (надпровідність).

Мал. 100. Положення надпровідних елементів у періодичній системі Менделєєва. Цифри під символами елементів - температури переходу до надпровідного стану.

Явище надпровідності спостерігається також у багатьох сплавів. Чудово, що надпровідними сплавами при низьких температурах виявляються не тільки метали-надпровідники, але також деякі сплави з переважанням металу, який в чистому вигляді не виявляє надпровідності. Є навіть такі надпровідні сплави та з'єднання, які повністю складаються з елементів, що не належать до надпровідників. Такі сплави вісмуту та золота карбіди молібдену та вольфраму Напівпровідник при 1,6 К стає надпровідником.

Найвищими точками перетворення на стан надпровідності володіють: ніобій карбід ніобію сплав олова та ніобію та найвищою точкою - нітрид ніобію

Майже півстоліття явище надпровідності залишалося малозрозумілим. Тільки 1957 р. американським фізикам Бардину, Куперу, Шріферу й у повнішій формі академіку Миколі Миколайовичу Боголюбову вдалося, нарешті, створити задовільний теорію надпровідності.

Виявилося, що надпровідність пояснюється багато в чому аналогічно явищу надплинності рідин. Як було згадано в т. I на стор. 367, надплинність спостерігається у рідкого гелію II при температурах нижче 2,18° рідкий гелій внаслідок надплинності має аномально велику теплопровідність (майже в півтора мільйона разів більше, ніж вода, у дві тисячі разів більшої, мідь, взяті при кімнатній температурі).

У одній зі своїх статей (1958 р.) М. М. Боголюбов пише:

«...З'ясувалась наступна картина руху надплинної рідини: на противагу руху звичайної рідини або газу, в яких окремі частинки рухаються безладно, рух надплинної рідини виявляє високий ступінь упорядкованості. Це пов'язано з тим, що частки надплинної рідини сильно взаємодіють друг з одним. Особливо сильним це взаємодія виявляється для частинок із протилежно спрямованими швидкостями. Правильний облік цієї взаємодії становив особливу складність при створенні теорії надплинності, Аналогічну складність таїла в собі і теорія надпровідності.

Досі у фізиці існувала загальна думка, що навряд чи можливо глибоке схожість у поведінці системи, що з атомів гелію, і системи, утвореної з електронів. Справа в тому, що статистичні властивості цих частинок, які і визначають поведінку складених із них систем, дуже різні: ядра гелію підпорядковуються статистиці Бозе, а електрони підпорядковуються статистиці Фермі.

Загальну картину поведінки електронів у надпровідному стані можна уявити так. Вільні електрони металу утворюють у цьому стані пов'язаний «колектив», за своїми властивостями подібний до того, що в теорії надплинності називається конденсатом... Рух такого колективу в цілому є стійким. За додаткової стабілізації дією магнітного поля цей рух (електричний струм у металі) не зустрічає опору».

Н. Н. Боголюбов, який у минулі роки вдосконалив теорію надплинності рідин, застосував створений ним математичний метод до аналізу умов виникнення та характеру руху згаданого «колективу-конденсату» електронів. М. М. Боголюбов показав, що хоча електричне відштовхування електронів перешкоджає їх зчленовування у пов'язаний «колектив), але у меншою мірою, ніж вважали Бардін, Купер і Шріфер. Американські фізики, дотримуючись припущення, що електрони групуються парами, отримали ряд формул для величин, що характеризують стан надпровідності; самі формули, поруч із деякими новими висновками, дає суворіша теорія H. М. Боголюбова.

(77 К), набагато дешевшої кріогенної рідини.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Урок 296. Температурна залежність опору металів. Надпровідність

✪ Надпровідність. Електричний струм у різних середовищах. Навчальний фільм

✪ СВЕРХПРОВІДНИК І КВАНТОВА ЛЕВІТАЦІЯ!

✪ Надпровідність (розповідає фізик Борис Файн)

✪ Електрична провідність різних речовин | Фізика 10 клас # 57 | Інфоурок

Субтитри

Історія відкриття

Основою для відкриття явища надпровідності став розвиток технологій охолодження матеріалів до наднизьких температур. У 1877 році французький інженер Луї Кайете і швейцарський фізик Рауль Пікте незалежно один від одного охолодили кисень до рідкого стану. У 1883 році Зигмунт Врублевскі і Кароль Ольшевскі виконали зрідження азоту. У 1898-му році Джеймсу-Дьюару вдалося отримати і рідкий водень.

У 1893 році проблемою наднизьких температур став займатися голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес. Йому вдалося створити найкращу у світі кріогенну лабораторію, в якій 10-го липня 1908-го року їм було отримано рідкий-гелій. Пізніше йому вдалося довести його температуру до 1 Кельвіна. Камерлінг-Оннес використовував рідкий гелій для вивчення властивостей металів, зокрема, для вимірювання залежності їх електричного опору від температури. Згідно з існуючими тоді класичними теоріями, опір повинен був плавно падати зі зменшенням температури, проте існувала також думка, що при дуже низьких температурах електрони практично зупиняться і метал зовсім перестане проводити струм. Експерименти, які проводили Камерлінг-Оннес зі своїми асистентами Корнелісом Дорсманом і Гіллесом Хольстом, спочатку підтверджували висновок про плавне спадання опору. Однак 8-квітня 1911 року він несподівано виявив, що при 3 Кельвінах (близько -270 ° C) електричний опір практично дорівнює нулю. Наступний експеримент, проведений 11 травня, показав, що різкий спад опору до нуля відбувається при температурі близько 4,2 К (пізніше, більш точні виміри показали, що ця температура дорівнює 4,15 К). Цей ефект був зовсім несподіваним і не міг бути пояснений існуючими тоді теоріями.

Нульовий опір - не єдина риса надпровідників. Однією з головних відмінностей надпровідників від ідеальних провідників є ефект Мейснера, відкритий Вальтером Мейснером і Робертом Оксенфельдом в 1933 році.

Пізніше було встановлено, що надпровідники діляться на два великі сімейства: надпровідники I типу (до них, зокрема, відноситься ртуть) і II типу (якими зазвичай є сплави різних металів). У відкритті надпровідності II типу значну роль зіграли роботи Л. В. Шубнікова в 1930-і роки та А. А. Абрикосова у 1950-і.

Для практичного застосування в потужних електромагнітах велике значення мало відкриття в 1950-х роках надпровідників, здатних витримувати сильні магнітні поля та пропускати великі щільності струму. Так, в 1960-году під керівництвом Дж. Кюнцлера був відкритий матеріал Nb 3 Sn, дріт з якого здатна при температурі 4,2 К, перебуваючи в магнітному полі величиною 8,8 Тл, пропускати струм щільністю до 100 кА/см².

У 2015 році було встановлено новий рекорд температури, за якої досягається надпровідність. Для H 2 S (сірководень) при тиску 100 ГПа був зафіксований надпровідний перехід при температурі 203 К (-70°C).

Класифікація

Існує кілька критеріїв для класифікації надпровідників. Ось основні з них:

Властивості надпровідників

Нульовий електричний опір

Для постійного електричного струму електричний опір надпровідника дорівнює нулю. Це було продемонстровано в ході експерименту, де в замкнутому надпровіднику було індуковано електричний струм, який протікав у ньому без загасання протягом 2,5 років (експеримент був перерваний страйком робітників, які підвозили кріогенні рідини).

Надпровідники у високочастотному полі

Строго кажучи, твердження про те, що опір надпровідників дорівнює нулю справедливе тільки для постійного електричного струму. У змінному електричному полі опір надпровідника на відміну від нуля і зростає зі збільшенням частоти поля. Цей ефект на мові дворідинної моделі надпровідника пояснюється наявністю нарівні із надпровідною фракцією електронів також і звичайних електронів, кількість яких, однак, невелика. При поміщенні надпровідника в постійне поле, це поле всередині надпровідника перетворюється на нуль, оскільки інакше надпровідні електрони прискорювалися б до нескінченності, що неможливо. Однак у разі змінного поля поле всередині надпровідника відмінно від нуля і прискорює навіть нормальні електрони, з якими пов'язані і кінцевий електричний опір, і джоулеви теплові втрати. Цей ефект особливо яскраво виражений для таких частот світла, для яких енергії кванта h ν (\displaystyle h\nu )достатньо для переведення надпровідного електрона до групи нормальних електронів. Ця частота зазвичай лежить в інфрачервоній області (близько 1011 Гц), тому у видимому діапазоні надпровідники практично нічим не відрізняються від звичайних металів.

Фазовий перехід у надпровідний стан

В даний час фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) має найбільше відоме значення критичної температури - 135 К, причому при зовнішньому тиску 350 тисяч атмосфер температура переходу зростає до 164 К, що лише на 19 К поступається мінімальною температуру, зареєстровану в природних умовах на поверхні Землі. Таким чином, надпровідники у своєму розвитку пройшли шлях від металевої ртуті (4.15 К) до високотемпературних ртутьмістких надпровідників (164 К). 2000 р. було показано, що невелике фторування згаданої вище ртутної кераміки дозволяє підняти критичну температуру при звичайному тиску до 138 К .

Перехід речовини у надпровідний стан супроводжується зміною його теплових властивостей. Однак, ця зміна залежить від роду надпровідників, що розглядаються. Так, для надпровідників Ι роду відсутність магнітного поля при температурі переходу Т cтеплота переходу (поглинання чи виділення) перетворюється на нуль, отже терпить стрибок теплоємність , що притаманно фазового переходу ΙΙ роду . Така температурна залежність теплоємності електронної підсистеми надпровідника свідчить про наявність енергетичної щілини у розподілі електронів між основним станом надпровідника та рівнем елементарних збуджень. Коли ж перехід із надпровідного стану в нормальний здійснюється зміною прикладеного магнітного поля, то тепло має поглинатися (наприклад, якщо зразок теплоізольований, його температура знижується). І це відповідає фазовому переходу Ι роду. Для надпровідників ΙΙ роду перехід із надпровідного в нормальний стан за будь-яких умов буде фазовим переходом ΙΙ роду.

Ефект Мейснера

Навіть більш важливою властивістю надпровідника, ніж нульовий електричний опір, є так званий ефект Мейснера, що полягає у витісненні постійного магнітного поля надпровідника. З цього експериментального спостереження робиться висновок про існування незатухаючих струмів усередині надпровідника, які створюють внутрішнє магнітне поле, протилежно спрямоване зовнішньому, прикладеному магнітному полю і його компенсує.

Ізотопічний ефект

Ізотопічний ефекту надпровідників полягає в тому, що температури Т собернено пропорційні квадратним корінням з атомних мас ізотопів одного і того ж надпровідного елемента. Як наслідок моноізотопні препарати дещо відрізняються за критичними температурами від природної суміші та від один одного.

Момент Лондона

Надпровідник, що обертається, генерує магнітне поле, точно вирівняне з віссю обертання, що виникає магнітний момент отримав назву «момент Лондона ». Він застосовувався, зокрема, у науковому супутнику «Gravity Probe B», де вимірювалися магнітні поля чотирьох надпровідних гіроскопів, щоб визначити їх осі обертання. Оскільки роторами гіроскопів служили практично ідеально гладкі сфери, використання моменту Лондона було одним з небагатьох способів визначити їх вісь обертання.

Гравітомагнітний момент Лондона

Кільце з надпровідника, що обертається і при цьому прискорюється, тобто нарощує частоту оборотів, генерує гравітаційне поле. Експерименти, пов'язані з гравітомагнітним мометном Лондона проводилися Мартіном Таджмаром з австрійської компанії ARC Seibersdorf Research і Кловісом де Матосом з Європейського космічного агентства (ESA) в 2006 році. Експериментатори вперше виміряли штучно створене таким чином гравітомагнітне поле. Таджмар і де Матос вважають, що даний ефект пояснює загадку у відмінності виміряної раніше з високою точністю маси куперовских пар (це електрони, що забезпечують провідність в надпровіднику) і цією ж масою, отриманої на папері - за розрахунками квантової теорії.

Експериментально виявлений гравітаційний ефект дослідники назвали "Гравітомагнітний" момент " Лондона ", за аналогією з аналогічним магнітним ефектом: виникненням магнітного поля при обертанні надпровідника, званим "момент " Лондона ".

Викликане в такий спосіб поле було в 100 мільйонів разів слабше гравітаційного, поля, Землі. І хоча цей ефект і був передбачений Загальною теорією відносності, дана напруженість поля виявилася на 20 порядків сильнішою за розрахункове значення.

Теоретичне пояснення ефекту надпровідності

Повністю задовільна мікроскопічна теорія надпровідності нині відсутня.

Вже відносно ранній стадії вивчення надпровідності, у разі після створення теорії Гінзбурга - Ландау , стало очевидно, що надпровідність є наслідком об'єднання макроскопічного числа електронів провідності в єдине квантово-механическое стан. Особливістю пов'язаних у такий ансамбль електронів і те, що вони можуть обмінюватися енергією з гратами малими порціями, меншими, ніж їх енергія зв'язку в ансамблі. Це означає, що при русі електронів у кристалічній решітці не змінюється енергія електронів, і речовина поводиться як надпровідник з нульовим опором. Квантово-механічний розгляд показує, що при цьому не відбувається розсіювання електронних хвиль на теплових коливаннях грат або домішок. А це означає відсутність електричного опору. Таке об'єднання часток неможливе в ансамблі ферміонів. Воно притаманно ансамблю тотожних бозонів. Те, що електрони в надпровідниках об'єднані в бозонні пари, випливає з експериментів щодо вимірювання величини кванта магнітного потоку, який «заморожується» в порожнистих надпровідних циліндрах. Тому вже в середині XX століття основним завданням створення теорії надпровідності стала розробка механізму спарювання електронів. Першою теорією, що претендує на мікроскопічне пояснення причин виникнення надпровідності, була теорія Бардіна-Купера-Шриффера, створена ними в 50-ті роки XX століття. Ця теорія отримала під ім'ям БКШ загальне визнання і була удостоєна в 1972 Нобелівської премії. При створенні своєї теорії автори спиралися на ізотопічний ефект, тобто вплив маси ізотопу на критичну температуру надпровідника. Вважалося, що його існування прямо вказує на формування надпровідного стану за рахунок фононного механізму роботи.

Теорія БКШ залишила без відповіді деякі питання. На її основі виявилося неможливо вирішити головне завдання – пояснити, чому конкретні надпровідники мають ту чи іншу критичну температуру. До того ж подальші експерименти з ізотопічними заміщеннями показали, що через ангармонічність нульових коливань іонів у металах існує пряма дія маси іона на міжіонні відстані в ґратах, а значить і прямо на значення енергії Фермі металу. Тому стало зрозуміло, що існування ізотопічного ефекту не є доказом фононного механізму як єдино можливого відповідального за спарювання електронів і виникнення надпровідності. Незадоволеність теорією БКШ у пізніші роки призвела до спроб створити інші моделі, наприклад, модель спінових флуктуацій та біполяронну модель. Однак, хоча в них розглядалися різні механізми об'єднання електронів у пари, прогресу в розумінні явища надпровідності ці розробки теж не призвели.

Основну проблему для теорії БКШ є існування , яку цією теорією описати не виходить.

Застосування надпровідності

Досягнуто значних успіхів в отриманні високотемпературної надпровідності. На базі металокераміки, наприклад, складу YBa 2 Cu 3 O x отримані речовини, для яких температура Т cпереходу у надпровідний стан перевищує 77 К (температуру зрідження азоту). На жаль, практично всі високотемпературні надпровідники не технологічні (тендітні, не мають стабільності властивостей і т. д.), внаслідок чого в техніці досі застосовуються в основному надпровідники на основі сплавів ніобію.

Явище надпровідності використовується для отримання сильних магнітних полів (наприклад, в циклотронах), оскільки при проходженні надпровідника сильних струмів, що створюють сильні магнітні поля, відсутні теплові втрати. Однак через те, що магнітне поле руйнує стан надпровідності, для отримання сильних магнітних полів застосовуються т.з. надпровідники ІІ роду, в яких можливе співіснування надпровідності та магнітного поля. У таких надпровідниках магнітне поле викликає появу тонких ниток нормального металу, що пронизують зразок, кожна з яких несе квант магнітного потоку (вихори Абрикосова). Речовина між нитками залишається надпровідним. Оскільки в надпровіднику II роду немає повного ефекту Мейснера, надпровідність існує до значно більших значень магнітного поля H c 2 . У техніці застосовуються, переважно, такі надпровідники:

Важливе застосування знаходять мініатюрні надпровідні прилади-кільця - сквіди, дія яких заснована на зв'язку зміни магнітного потоку та напруги. Вони входять до складу надчутливих магнітометрів, що вимірюють магнітне поле, Землі, а також використовуються в медицині для отримання магнітограм різних органів.

Надпровідники також застосовуються у маглевах.

Явище залежності температури переходу у надпровідний стан від величини магнітного поля використовується в кріотронах - керованих опорах.

Див. також

Примітки

Відкриття надпровідності - глава з книги Дж. Трігг «Фізика ХХ століття: Ключові експерименти»
Dirk van Delft та Peter Kes.

Надпровідність

Надпровідність- властивість деяких матеріалів мати строго нульовимелектричним опором при досягненні ними температури нижче за певне значення (критична температура). Відомі кілька десятків чистих елементів, сплавів і керамік, що переходять у надпровідний стан. Надпровідність - квантове явище. Воно характеризується також ефектом Мейснера, що полягає у повному витісненні магнітного поля з об'єму надпровідника. Існування цього ефекту показує, що надпровідність не може бути описана просто як ідеальна провідністьу класичному розумінні.

В 1893 проблемою наднизьких температур став займатися голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес. Йому вдалося створити найкращу у світі кріогенну лабораторію, в якій 10 липня 1908 року їм було отримано рідкий гелій. Пізніше йому вдалося довести його температуру до 1 Кельвіна. Камерлінг-Оннес використовував рідкий гелій для вивчення властивостей металів, зокрема для вимірювання залежності їх електричного опору від температури. Згідно з існуючими тоді класичними теоріями, опір повинен був плавно падати зі зменшенням температури, проте існувала також думка, що за дуже низьких температур електрони практично зупиняться і зовсім перестануть проводити струм. Експерименти, які проводили Камерлінг-Оннес зі своїми асистентами Корнелісом Дорсманом і Гіллесом Хольстом, спочатку підтверджували висновок про плавне спадання опору. Однак 8 квітня 1911 року він несподівано виявив, що при 3 Кельвінах (близько -270 ° C) електричний опір практично дорівнює нулю. Наступний експеримент, проведений 11 травня, показав, що різкий стрибок опору до нуля відбувається при температурі близько 4,2 К (пізніше, більш точні вимірювання показали, що ця температура дорівнює 4,15 К). Цей ефект був зовсім несподіваним і не міг бути пояснений існуючими тоді теоріями.

Нульовий опір - не єдина риса надпровідників. Однією з головних відмінностей надпровідників від ідеальних провідників є ефект Мейснера, відкритий Вальтер Мейснер і Роберт Оксенфельд в 1933 році.

Для практичного застосування у потужних електромагнітах велике значення мало відкриття у 1950-х роках надпровідників, здатних витримувати сильні магнітні поля та пропускати великі щільності струму. Так, в 1960 році під керівництвом Дж. Кюнцлера був відкритий матеріал Nb 3 Sn, дріт з якого здатна при температурі 4,2 К, перебуваючи в магнітному полі величиною 8,8 Тл, пропускати струм щільністю до 100 кА/см2.

Властивості надпровідників

Нульовий електричний опір

Надпровідники у високочастотному полі

Строго кажучи, твердження у тому, що опір надпровідників дорівнює нулю справедливе лише постійного електричного струму . У змінному електричному полі опір надпровідника на відміну від нуля і зростає зі збільшенням частоти поля. Цей ефект на мові дворідинної моделі надпровідника пояснюється наявністю нарівні із надпровідною фракцією електронів також і звичайних електронів, кількість яких, однак, невелика. При поміщенні надпровідника в постійне поле, це поле всередині надпровідника перетворюється на нуль, оскільки інакше надпровідні електрони прискорювалися б до нескінченності, що неможливо. Однак у разі змінного поля поле всередині надпровідника відмінно від нуля і прискорює навіть нормальні електрони, з якими пов'язані і кінцевий електричний опір, і джоулеви теплові втрати. Цей ефект особливо яскраво виражений таких частот світла, котрим енергії кванта достатньо перекладу надпровідного електрона до групи нормальних електронів. Ця частота зазвичай лежить в інфрачервоній області (близько 1011 Гц), тому у видимому діапазоні надпровідники практично нічим не відрізняються від звичайних металів.

Фазовий перехід у надпровідний стан

Характер зміни теплоємності (c v , синій графік) та питомого опору (ρ, зелений), при фазовому переході у надпровідний стан

Температурний інтервал переходу в надпровідний стан для чистих зразків не перевищує тисячних часток Кельвіна і тому має сенс певне значення Т с- температури переходу у надпровідний стан. Ця величина називається критичною температурою переходу. Ширина інтервалу переходу залежить від неоднорідності металу, в першу чергу - від наявності домішок та внутрішніх напруг. Відомі нині температури Т сзмінюються в межах від 0,0005 К у магнію (Mg) до 23,2 К у інтерметаліду ніобію і германію (Nb 3 Ge, в плівці) і 39 К у дибориду магнію ( 2) у низькотемпературних надпровідників ( Т снижче 77 К, температури кипіння рідкого азоту), до приблизно 135 К у ртутьвмісних високотемпературних надпровідників. В даний час фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) має найбільше відоме значення критичної температури - 135 К, причому при зовнішньому тиску 350 тисяч атмосфер температура переходу зростає до 164 К, що лише на 19 К поступається мінімальною температуру, зареєстровану в природних умовах на поверхні Землі. Таким чином, надпровідники у своєму розвитку пройшли шлях від металевої ртуті (4.15 К) до високотемпературних ртутьмістких надпровідників (164 К).

Ефект Мейснера

Навіть найважливішою властивістю надпровідника, ніж нульовий електричний опір, є так званий ефект Мейснера, що полягає у виштовхуванні надпровідником магнітного потоку. З цього експериментального спостереження робиться висновок про існування незатухаючих струмів усередині надпровідника, які створюють внутрішнє магнітне поле, протилежно спрямоване зовнішньому, прикладеному магнітному полю і його компенсує.

Ізотопічний ефект

Момент Лондона

Надпровідник, що обертається, генерує магнітне поле, точно вирівняне з віссю обертання, що виникає магнітний момент отримав назву «момент Лондона». Він застосовувався, зокрема, в науковому супутнику Gravity Probe B, де вимірювалися магнітні поля чотирьох надпровідних гіроскопів, щоб визначити їх осі обертання. Оскільки роторами гіроскопів служили практично ідеально гладкі сфери, використання моменту Лондона було одним із небагатьох способів визначити їхню вісь обертання.

Теоретичне пояснення ефекту надпровідності

Вже щодо ранньої стадії вивчення надпровідності, у разі після створення теорії Гінзбурга - Ландау , стало очевидно, що надпровідність є наслідком об'єднання макроскопічного числа електронів провідності в єдине квантово-механическое стан. Особливістю пов'язаних у такий ансамбль електронів і те, що вони можуть обмінюватися енергією з гратами малими порціями, меншими, ніж їх енергія зв'язку в ансамблі. Це означає, що при русі електронів у кристалічній решітці не змінюється енергія електронів, і речовина поводиться як надпровідник з нульовим опором. Квантово-механічний розгляд показує, що при цьому не відбувається розсіювання електронних хвиль на теплових коливаннях грат або домішок. А це означає відсутність електричного опору. Таке об'єднання часток неможливе в ансамблі ферміонів. Воно притаманно ансамблю тотожних бозонів. Те, що електрони в надпровідниках об'єднані в бозонні пари, випливає з експериментів щодо вимірювання величини кванта магнітного потоку, який «заморожується» в порожнистих надпровідних циліндрах. Тому вже в середині минулого століття основним завданням створення теорії надпровідності стала розробка механізму спарювання електронів. Першою теорією, яка претендує на мікроскопічне пояснення причин виникнення надпровідності, була теорія Бардіна - Купера - Шриффера, створена ними в 50-ті роки минулого століття. Ця теорія отримала під ім'ям БКШ загальне визнання і була удостоєна 1972 Нобелівської премії. При створенні своєї теорії автори спиралися на ізотопічний ефект, тобто вплив ізотопової маси на критичну температуру надпровідника. Вважалося, що його існування прямо вказує на формування надпровідного стану за рахунок фононного механізму роботи.

Теорія БКШ залишила без відповіді деякі питання. На її основі виявилося неможливо вирішити головне завдання – пояснити, чому конкретні надпровідники мають ту чи іншу критичну температуру. До того ж подальші експерименти з ізотопічними заміщеннями показали, що через ангармонічність нульових коливань іонів у металах існує пряма дія маси іона на міжіонні відстані у ґратах, а отже, і прямо на значення енергії Фермі металу. Тому стало зрозуміло, що існування ізотопічного ефекту не є доказом фононного механізму як єдино можливого відповідального за спарювання електронів і виникнення надпровідності. Незадоволеність теорією БКШ у пізніші роки призвела до спроб створити інші моделі, наприклад, модель спінових флуктуацій та біполяронну модель. Однак, хоча в них розглядалися різні механізми об'єднання електронів у пари, прогресу в розумінні явища надпровідності ці розробки теж не призвели.

Порівняння обчислених значень критичних температур надпровідників з даними вимірів.

Відповідно до однієї з останніх теорій, запропонованої Б. В. Васильєвим, спарювання електронів є необхідною, але недостатньою умовою для існування надпровідного стану. Більше того, який конкретно механізм призводить до такого спарювання - не так вже й важливо. Важливо, щоб такий механізм існував і був працездатним у всьому діапазоні температури, де є надпровідний стан.

Причина цього пояснюється так: об'єднавшись у пари, електрони створюють бозони, не об'єднані в єдиний тотожний ансамбль. Їх розрізняють некорельовані нульові коливання. Для переходу бозонів у тотожний стан необхідно впорядкувати їх нульові коливання. Тому параметри, що характеризують механізм упорядкування нульових коливань в електронному газі, виявляються визначальними для властивостей надпровідників.

Застосування надпровідності

Досягнуто значних успіхів у отриманні високотемпературної надпровідності. На базі металокераміки, наприклад, складу YBa 2 Cu 3 O x отримані речовини, для яких температура Т cпереходу у надпровідний стан перевищує 77 К (температуру зрідження азоту).

Явище надпровідності використовується для отримання сильних магнітних полів, оскільки при проходженні надпровідника сильних струмів, що створюють сильні магнітні поля, відсутні теплові втрати. Однак через те, що магнітне поле руйнує стан надпровідності, для отримання сильних магнітних полів застосовуються т.з. надпровідники ІІ роду, в яких можливе співіснування надпровідності та магнітного поля. У таких надпровідниках магнітне поле викликає появу тонких ниток нормального металу, що пронизують зразок, кожна з яких несе квант магнітного потоку. Речовина між нитками залишається надпровідним. Оскільки в надпровіднику II роду немає повного ефекту Мейснера, надпровідність існує до значно більших значень магнітного поля H c 2 . У техніці застосовуються, переважно, такі надпровідники:

Див. також

Надпровідність та нульові коливання

Примітки

Dirk van Delft and Peter Kes The discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today. – 2010. – Vol. 63. – С. 38-43.
Олексій ЛевінНадпровідність відзначає столітній ювілей. Елементи.ру (8 квітня 2011 року). Архівовано з першоджерела 23 серпня 2011 року. Перевірено 8 квітня 2011 року.
В. Л. Гінзбург, Є. А. АндрюшинГлава 1. Відкриття надпровідності // Надпровідність. - 2-ге видання, перероблене та доповнене. – Альфа-М, 2006. – 112 с. - 3000 екз. - ISBN 5-98281-088-6

Можливо, буде корисно почитати: