Вся РоссияКомпании
здесь будут опции для поиска

Сверхпроводимость металлов


Сверхпроводимость металлов была открыта в 1911 г., а ее природа была выяснена в 1957 г. В теории сверхпроводимости так называемая критическая температура связывается с характеристиками самого металла. Сверхпроводимость появляется в тех случаях, когда электроны и ионы взаимно притягиваются. Это притяжение относится только к части электронов, имеющих самую большую энергию, близкую к энергии Ферми ε F (название дано по имени выдающегося итальянского физика Энрико Ферми, построившего в 1942 г. первый ядерный реактор и сделавшего ряд открытий в области физики). При абсолютном нуле (T=0° К) в не сверхпроводящем металле все электроны проводимости имеют энергию ε, меньшую или равную ε F .

В создании электрического тока фактически участвуют только электроны с энергией, близкой к энергии Ферми, и для возникновения сверхпроводимости необходимо притяжение между этими электронами. Если такое притяжение имеется, то электроны с противоположными направлениями импульса как бы слипаются, образуя пары электронов. Для разрыва этой пары электронов необходима некоторая энергия. В обычном, неспаренном состоянии электроны рассеиваются в примесях, вкрапленных в металл, или неоднородностях, возникающих в металле в результате теплового движения (тепловое колебание решетки). Рассеянием электронов при их упорядоченном движении и обусловлено электрическое Сопротивление металлов. Когда же электроны находятся в спаренном состоянии, они не рассеиваются на колебания решетки и электрические сопротивление исчезает появляется сверхпроводимость. При этом критическая температура Т к соответствует энергии спаривания. По теории Бардина, Купера и Шиффера критическая температура

где е ≈ 2,72; θ D - некоторая характерная температура, называемая дебаевской, приблизительно равная 500° К; g - постоянная, пропорциональная силе притяжения между электронами, равная ½ .

Электроны при своем движении в кристалле возбуждают колебания решетки. И, наоборот, колебания решетки могут воздействовать на электроны, рассеивая их или сообщая им энергию. Квантовая физика объясняет это явление совокупностью фононов - квантов механических колебаний. Электрон в твердом теле при определенных условиях способен порождать фононы, а также способен их поглощать и рассеивать. Возможен процесс, когда один из электронов испускает фонон, а другой его поглощает. Подобное взаимодействие соответствует взаимному притяжению электронов. Кроме того, на электроны действуют электростатические силы отталкивания, ослабленные из-за наличия электронов и ионов, образующих металл- Если электростатическое отталкивание сильнее притяжения, то спаривания электронов не происходит и в металле не может возникнуть сверхпроводимость. И, наоборот, если притяжение превалирует, то металл становится сверхпроводником. Тепловое движение в металле, усиливающееся с ростом температуры, разрывает электронные пары, и при температурах выше Т к сверхпроводимость исчезает.

Явление сверхпроводимости родственно явлению сверхтекучести. Для поддержания в сверхпроводнике электрического тока не требуется внешней разности потенциалов. Носителем электрического тока в металле являются электроны. Свойство сверхпроводимости есть, поэтому не что иное, как свойство сверхтекучести электронной жидкости. Но для электронной жидкости в металле изменение ее плотности связано со значительной затратой энергии, поскольку этому препятствуют кулоновские силы, действующие между электронами и решеткой и между самими электронами. Изменение плотности электронной жидкости нарушает условие электронейтральности, поэтому соответствующий спектр длинноволновых колебаний, подобно тому как это имеет место в плазме, начинается с некоторой конечной частоты. При постоянном токе "нормальные" электроны не ускоряются, так как в сверхпроводнике отсутствует электрическое поле. При постоянном токе электрическое поле вызывает появление "нормального" тока 1 н , подчиняющегося закону Ома, с выделением джоулева тепла. Этот эффект становится заметным только при частотах ω/2π, δостаточно высоких для того, чтобы глубина проникновения стала сравнимой с длиной волны λ, и наблюдается в диапазоне сантиметровых волн. На еще более высоких частотах ток I н начинает полностью превалировать над током сверхпроводимости I s . Переход из сверхпроводящего в нормальное состояние будет осуществляться на частотах, для которых hν ≈ kT K .

При постоянном и переменном токе частотой меньше 10 Мгц наблюдается резкое падение сопротивления до нуля. При более высоких частотах сопротивление сверхпроводника при температуре ниже Т к сохраняет конечное значение, тем большее, чем выше частота.

В чистых металлах переход в сверхпроводящее состояние сопровождается уменьшением теплопроводности. Это указывает на то, что в условиях сверхпроводимости электроны перестают взаимодействовать с решеткой и не участвуют в переносе тепла. Переход из обычного состояния в сверхпроводящее является фазовым переходом П-рода и сопровождается малыми изменениями других свойств сверхпроводника. Сверхпроводящее (основное) состояние отдалено от нормального (возбужденного) до состояния при температуре ниже Т к энергетической щелью шириной ΔE ≈ 10- 4 эв. Утрата связи электронов с решеткой в сверхпроводящей области приводит к быстрому уменьшению затухания. Согласно микроскопической теории отношение коэффициентов затухания сверхпроводящей и обычной фаз определяется формулой

Сверхпроводимость наблюдается в ряде металлов, которые занимают определенные области в периодической системе элементов Менделеева. В табл. 1-1 приведены сверхпроводящие металлы и численные значения их критической температуры.

Сверхпроводимость обнаружена также в огромном числе сплавов и более чем в 50 соединениях. Сплавы, т. е. сверхпроводники с примесью атомов других элементов и другими нарушениями решетки, представляют большой практический интерес.

Сверхпроводимость наблюдается в сверхпроводящих металлах и сплавах ниже некоторой критической температуры Т к . При этом проходящий через сверхпроводник ток и соответствующая ему напряженность магнитного поля должны быть ниже критических значений I к и T к . Значения I к и T к зависят от температуры Т и стремятся к нулю при возрастании Т до Т к . Существование критических температур, токов и напряженностей магнитного поля Т к , I к и H к ограничивает техническое использование сверхпроводимости. Так, критическая температура свинца равна 7,3° К, а сплава ниобия с оловом (Nb 3 Sn) 18,1° К (самая высокая известная критическая температура). Для получения температуры ниже 18° К используются жидкие водород и гелий (температуры кипения которых при атмосферном давлении равны соответственно 20,4 и 4,2°К).


к содержанию