ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сверхпроводимость из "Физика твердого тела " Микроскопическая теория сверхпроводимости была создана только в 1957 г., т. е. почти 50 лет обнаруженное Камерлинг-Онне-сом явление оставалось загадкой. За это время были изучены многие свойства сверхпроводников. Перечислим кратко наиболее важные из них. [c.263] Нулевое сопротивление. При 7 7 сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это означает, что если через сверхпроводящее кольцо пропустить ток и отключить это кольцо от источника, то ток сохраняется в кольце сколь угодно долго. Так, например, в сверхпроводящем кольце не наблюдалось ослабления тока в течение более чем двух лет вплоть до прекращения эксперимента. [c.263] Кристаллическая структура. Можно было предполагать, что переход в сверхпроводящее состояние связан с какими-то изменениями кристаллической структуры. Однако изучение кристаллической структуры сверхпроводников рентгеновскими методами показало, что при понижении температуры металла ниже Тс не происходит никаких изменений ни в симметрии решетки, ни в ее параметрах. Более того, было установлено, что свойства твердого тела, зависящие от колебаний кристаллической решетки, также остаются неизменными. Например, температура Дебая и решеточный вклад в теплоемкость — одни и те же в нормальной и сверхпроводящей фазах. Все это позволило сделать вывод, что сверхпроводимость не связана с какими-либо изменениями кристаллической структуры. [c.263] Решеточный вклад в теплоемкость остается таким же, как и для нормального металла, а вклад электронного газа существенно изменяется. Отсюда следует, что сверхпроводность связана с какими-то коренными изменениями поведения электронов проводимости. [c.264] Рейнольдсом с сотрудниками было установлено, что образцы сверхпроводника, изготовленные из различных изотопов одного и того же элемента, обладают различными критическими температурами. В большинстве случаев Тс обратно пропорциональна корню квадратному из массы изотопа. Изотопический эффект свидетельствует о том, что хотя кристаллическая решетка при переходе в сверхпроводящее состояние и не изменяется, она играет существенную роль в изменении свойств электронного газа. Зависимость Тс от массы изотопа показывает, что для явления сверхпроводимости важное значение имеет взаимодействие электронов с колебаниями решетки. Других причин зависимости Тс от числа нейтронов в ядре атома нет. [c.264] Таким образом, идеальный диамагнетизм, так же как и нулевое сопротивление, является фундаментальным свойством сверхпроводника. [c.264] Эффекты Джозефсона. В 1962 г. Б. Джозефсоном были предсказаны эффекты так называемой слабой сверхпроводимости, получившее название эффектов Джозефсона. Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. [c.265] Стационарный эффект заключается в том, что сверхпроводящий ток может течь в отсутствие электрического поля чер,ез щель между двумя сверхпроводниками, заполненную изолятором, если Толщина слоя изолятора достаточно мала (1—2 нм). Это означает, что сверхпроводящие электроны способны туннелировать через тонкие изолирующие слои. [c.265] Это нестационарный эффект Джозефсона. Эффекты Джозефсона не только подтверждены экспериментально, но и положены в основу чрезвычайно точного метода измерения напряжения. Б настоящее время созданы основанные на этих эффектах параметрические преобразователи частоты, болометры и другие приборы. [c.265] В эффектах Джозефсона мы непосредственно сталкиваемся с важнейшим свойством сверхпроводника — согласованным, когерентным поведением его электронов. Электроны двух сверхпроводников с помощью слабой связи (слоя изолятора) объединились в единый квантовый коллектив. [c.265] Первой теорией, достаточно успешно описавшей свойства сверхпроводников, была теория Ф. Лондона и Г. Лондона, предложенная в 1935 г. Лондоны в своей теории основывались на двух-жидкостной модели сверхпроводника. Считалось, что при Т .Т в сверхпроводнике имеются сверхпроводящие электроны с концентрацией Пз(Т ) и нормальные электроны с концентрацией n—tis (здесь и — полная концентрация электронов проводимости). Плотность сверхпроводящих электронов rts уменьшается с ростом Т и обращается в нуль при Т—Тс. При 7- 0 К она стремится к плотности всех электронов. Ток сверхпроводящих электронов течет через образец без сопротивления. [c.266] Лондонами в дополнение к уравнениям Максвелла были получены уравнения для электромагнитного поля в таком сверхпроводнике, из которых вытекали его основные свойства отсутствие сопротивления постоянному току и идеальный диамагнетизм. Однако в силу того, что теория Лондонов была феноменологической, она не отвечала на главный вопрос, что представляют собой сверхпроводящие электроны. Кроме того, она имела еще ряд недостатков, которые были устранены В. Л. Гинзбургом и Л. Д. Ландау. [c.266] В теории Гинзбурга — Ландау для описания свойств сверхпроводников была привлечена квантовая механика. В этой теории вся совокупность сверхпроводящих электронов Списывалась волновой функцией Ч (г) от одной пространственной координаты. Выше отмечалось, что, вообще говоря, волновая функция п электронов в твердом теле есть функция п координат ТСгь Гг,. . ., г ). Введением функции Ч (г) устанавливалось когерентное, согласованное поведение всех сверхпроводящих электронов. Действительно, если все ris электронов ведут себя совершенно одинаково, согласованно, то для описания их поведения достаточно той же самой волновой функции, что и для описания поведения одного электрона, т. е. функции от одной переменной. [c.266] Несмотря на то что теория Гинзбурга — Ландау, получившая дальнейшее развитие в работах А. А. Абрикосова, описывала многие свойства сверхпроводников, она не могла дать понимания явления сверхпроводимости на микроскопическом уровне. [c.266] Притяжение между электронами. Из приведенных выше свойств сверхпроводников следует, что сверхпроводимость связана с какихм-то изменением в поведении электронов проводимости. При этом кристаллическая решетка активно участвует в создании сверхпроводящего состояния (изотопический эффект ). [c.267] Теоретический анализ показал, что таким взаимодействием является притяжение между электронами, которое осуществляется через колебания решетки. Как представить себе такое взаимодействие В узлах кристаллической решетки металла находятся положительно заряженные атомные остовы. Электрон в такой решётке стремится притянуть к себе положительные ионы. Таким образом, в окружающей электрон области происходит скопление положительных зарядов. Принято говорить, что под действием отрицательного заряда электрона решетка поляризуется. Второй электрон, находящийся неподалеку, притягивается к поляризованной области, а следовательно, к первому электрону. Конечно, между электронами существует и кулоновское отталкивание, однако если притяжение окажется сильнее отталкивания, то результирующим взаимодействием станет притяжение. [c.267] Поскольку электроны в металле обладают значительными скоростями, поляризация решетки не является статической. Возникающая при движении электрона поляризация зависит от того, насколько быстро решетка хможет откликаться на поляризующее воздействие электрона. Существенным является время, в течение которого в решетке атомных остовов может произойти сдвиг. Другими словами, поляризуемость решетки зависит от частоты собственных колебаний атомов. [c.267] Для вычисления силы притяжения взаимодействие электронов через решетку проще всего представить как результат испускания фонона одним электроном и поглощения его другим. [c.267] Вернуться к основной статье