Сверхпроводимость
В сверхпроводниках I рода – чистых металлов – ток протекает в очень тонком поверхностном слое, и с увеличением диаметра проводника средняя плотность тока, отнесенная ко всему практически не работающему сечению, уменьшается. Например, в свинцовой проволоке диаметром 1 мм охлажденной до температуры 4,2 К, критическая плотность тока достигает 108 А/мм2, а при диаметре 20 мм снижается до 8.5 А/мм2, что уже практически соизмеримо с медью. Кроме того, чистые металлы сохраняют сверхпроводимость лишь при сравнительно слабых магнитных полях порядка 0.01 – 0.1 Тл. Таким образом, сверхпроводники I рода в основном можно использовать в устройствах со слабым магнитным полем и низкой плотностью тока. В электроэнергетике и в системах с сильными магнитными полями, где от сверхпроводников следует ожидать наибольшей выгоды, такие материалы непригодны. Здесь вне конкуренции сверхпроводники II рода. Они не только более стойко ведут себя во внешних магнитных полях и при более высоких температурах, но и токи могут пропускать гораздо более высокие. Некоторые сплавы и химические соединения выдерживают поля до 20 Тл при достаточно высоких плотностях тока, который проводится, не только поверхностно, но и всей толщей проводника.
Абрикосовские вихри.
Как уже было сказано, сверхпроводники II рода обладают своеобразными электромагнитными свойствами. В частности любопытна картина проникновения внешнего магнитного поля в толщу образца. Экспериментально было обнаружено, что магнитное поле проникает в проводник, который частично все еще остается сверхпроводящим. Значение поля, при котором начинается проникновение, называется нижним или первым критическим магнитным полем с индукцией Вк1, а значение, при котором сверхпроводимость исчезает полностью – вторым или верхним критическим полем. В промежутке между этими значениями полей эффект Мейснера проявляется не полностью и сверхпроводник находится в особом смешанном состоянии.
Важно отличать смешанное состояние сверхпроводников II рода от промежуточного состояния сверхпроводников I рода. Промежуточное состояние сверхпроводников I рода зависит от формы образца, его расположения во внешнем магнитном поле и возникает далеко не всегда. Смешанное же состояние сверхпроводников II рода является внутренним свойством и возникает в образцах любой формы, как только магнитное поле достигает критического значения.
Существование смешанного состояния было предсказано в 1952 году А. А. Абрикосовым, а в 1957 им была разработана теория смешанного состояния. Эта теория говорила о том, что при частичном проникновении магнитного поля в толщу сверхпроводящего образца электроны под действием силы Лоренца начинают двигаться по окружностям, образуя своеобразные вихри, которые стали называть абрикосовскими вихрями. При увеличении внешнего поля электроны приближаются к оси вихря, а их скорость увеличивается. На некотором расстоянии от этой оси происходит “срыв” сверхпроводимости. Но хотя внутри каждого вихря сверхпроводимость разрушена, в пространстве между ними она сохраняется.
В результате сверхпроводящий образец оказывается пронизанным вихревыми нитями, представляющими собой тонкие несверхпроводящие области цилиндрической формы, ориентированных в направлении силовых линий магнитного поля.[11] По этим нитям магнитное поле проникает в сверхпроводник. Оказалось также, что величина магнитного потока в каждом цилиндрике не произвольна, а равна определенному значению. Это значение минимальной порции магнитного потока Ф0 = 2×10-15 Вб, называемой квантом магнитного потока. Чем больше внешнее магнитное поле, тем больше таких нитей-цилиндриков, а, следовательно, больше квантов магнитного поля проникает в сверхпроводник. Поэтому магнитный поток в сверхпроводнике меняется дискретно. При увеличении внешнего поля вихревые нити сближаются, плотность их увеличивается, и при некотором значении поля, когда расстояние между нитями становится примерно 10-4 см, сверхпроводимость разрушается и образец переходит в нормальное состояние.
3. Тайна сверхпроводимости.
Теперь настало время выяснить, что представляет собой феномен сверхпроводимости и какие физические процессы его обуславливают. Правильный путь был указан достаточно скромным экспериментальным фактом. Речь идет об открытии в 1950 году изотопического эффекта. Изучая сверхпроводимость у различных изотопов ртути и олова, физики обратили внимание на то обстоятельство, что критическая температура Тк перехода в сверхпроводящее состояние и масса изотопа М связаны соотношением Тк×М
= const.
О чем говорит этот результат? Масса изотопа является характеристикой кристаллической решетки и может влиять на ее свойства. От массы, например, зависит частота колебаний атомов в решетке, она, как и критическая температура обратно пропорциональна корню массы изотопа. Значит, если массу устремить к бесконечности, то температура перехода т.к. будет стремиться к нулю.
Таким образом, изотопический эффект указывал на то, что колебания решетки участвуют в создании сверхпроводимости. Сверхпроводимость является свойством электронной системы металла и, как выяснилось, связана с состоянием кристаллической решетки. Следовательно, возникновение эффекта сверхпроводимости обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла.
В 1950 году физики Гинзбург и Ландау предложили феноменологическую теорию сверхпроводимости, позволившую рассчитать ряд свойств сверхпроводников и описать их поведение во внешнем поле. Следующий шаг был сделан почти одновременно тогда еще советским физиком Боголюбовым и американскими физиками Бардиным, Купером и Шриффером. Американским ученым удалось несколько раньше поставить последнюю точку. Теория сверхпроводимости разработанная в 1957 году получила название теория “БКШ”, а в 1972 году авторы получили Нобелевскую премию. Теория не только установила причины возникновения сверхпроводимости, но и впервые привела к установлению связи между критической температурой Тк и параметрами образца.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8