ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Проблема высокотемпературной сверхпроводимости из "Основы теории металлов " Как уже говорилось в 15.1, наивысшая критическая температура, достигнутая к настоящему времени, равна 23 К для ЫЬзОе. Однако этот сплав не является удовлетворительным по своим механическим свойствам. Технологическими сверхпроводящими сплавами являются N53811 (7 ,= 17—18К), N5—2г—Т1 (7, = 9—ПК). Для поддержания таких низких температур необходимо пользоваться специальными криостатами с жидким гелием (точка кипения при атмосферном давлении 4,2 К). Тем не менее, как мы увидим в дальнейшем, явление сверхпроводимости уже имеет практические применения несмотря на сложности, связанные с охлаждением, ибо некоторые важные для практики свойства имеются только у сверхпроводников и их нельзя заменить другими материалами. [c.322] Нетрудно понять, какую техническую революцию произвели бы вещества, сверхпроводящие при комнатной температуре. В первую очередь сюда относится возможность создания линий, передающих электроэнергию на любое расстояние без потерь. Был бы полностью решен вопрос об аккумуляции энергии в малых объемах, а тем самым о переводе всего транспорта, использующего не епродукты, на электродвигатели. Можно представить себе и множество других перспектив. Однако пока такие вещества не найдены. [c.322] что вопрос о повышении критической температуры сверхпроводящего перехода имеет первостепенное значение. Даже достижение температур 7 е 30—40К дало бы возможность перейти к криостатам с жидким водородом, что существенно удешевило бы и сделало экономически более выгодным применение сверхпроводников и, следовательно, очень расширило бы область таких применений. Мы не собираемся подробно излагать здесь все существующие на этот счет идеи (многое можно найти в [175]), но обсудим некоторые основные моменты. [c.322] Поскольку X, и р, входят в показатель экспоненты, то ясно, что эти константы представляют интерес в первую очередь. Константа кулоновского взаимодействия р. формально порядка еди-нищл. Однако р,, входящее в Т,, согласно (16.104) ослаблено большим логарифмом. Оценки дают ц / 0,1—0,2. Что касается константы то она тоже формально порядка единицы. Однако надо учесть, что электрон- юнонное взаимодействие в конечном итоге происходит от взаимодействия электронов с ионами, которое описывается малым псевдопотенциалом. Поэтому обычно У. не достигает единицы. В целом разность Я,—р, (1 Ц-0,62Х,), входящая в (16.103), может быть любого знака, однако, по-видимому, вещества, у которых эта разность близка к нулю, редки. При относительно малых У. вещество не является сверхпроводником, а при относительно больших % можно пренебречь членом с ц. [c.323] Поэтому разумно сосредоточить внимание на константе %. Эта константа определяет не только критическую температуру, но и значение электрического сопротивления, происходящего от рассеяния электронов на фононах. Поскольку при комнатной температуре этот механизм доминирует над другими, то возникает парадоксальное следствие плохие проводники (при комнатной температуре) являются хорошими сверхпроводниками (т. е. имеют высокие Тс). Примерами могут служить РЬ (р (18 °С) = = 20,8-10- Ом см. Г, = 7,2 К) и А1 (р (18 °С) = 3,2-Ю Ом-см, Т,= 1,2К). Если в формуле (16.103) считать ц = 0. то 7, монотонно растет с увеличением X, но даже при %— оо 7, не может стать больше, чем ЙЮд/4. Это было бы неплохо, если учесть, что у металлов Йюд- - Ю —10 К. Тем не менее в действительности, как уже говорилось, % всегда невелико ). Высказывалась идея о том, что % может сильно возрасти, если решетка близка к структурному переходу. Однако, по-видимому, эта идея не подтверждается. [c.324] Наряду с увеличением % можно думать и об увеличении Йюд. Учитывая, что Йюд (m/ i)l/ где М—масса иона, надо стремиться к уменьшению этой массы. [c.324] Уникальную возможность в этом отношении мог бы представить твердый водород, если бы он был металлом. К сожалению, в обычных условиях твердый водород представляет собой диэлектрический кристалл, состоящий из молекул Н . Теоретические расчеты показывают, что при увеличении давления должен произойти фазовый переход молекулярного юдорода в атомарную фазу, аналогичную щелочным металлам. Давление перехода очень велико, порядка 2,5 Мбар. [c.324] Трудность расчетов для твердого водорода связана с тем, что в отличие от всех остальных элементов его ионы не имеют электронных оболочек и являются просто протонами. Ввиду этого для водорода псевдопотенциал совпадает с реальным кулоновским потенциалом и не является малым ( 14.2). Обычно расчеты металлического водорода основываются на приближении сильно сжатого вещества ( 14.4). Однако получаемые при этом ряды сходятся недостаточно быстро, так что не удается выбрать наиболее энергетически выгодную структуру и решить вопрос о возможности метастабильного состояния. В то же время сильное электрон-ионное взаимодействие означает и сильное электрон-фо-нонное взаимодействие, что может привести к некоторому увеличению X в формуле (16.103). Весьма предварительные расчеты приводят к 100—200 К [177]. [c.325] Высказывалась идея об обходе трудностей, связанных с получением металлического водорода, посредством создания гидридов, т. е. соединений металлов с водородом. В фононном энергетическом спектре таких веществ возможны ветви, соответствующие в основном колебаниям протонов и обладающие высокими частотами. Однако гидриды являются диэлектриками. Поэтому были предприняты попытки использовать хорошую растворимость водорода в некоторых металлах, особенно в платине. Поскольку естественная растворимость все же недостаточна, то путем специальных методов создавались метастабильные твердые растворы с повышенной концентрацией водорода. Хотя эти вещества были сверхпроводниками, но они имели 7, 10 К. Возможно, что взаимодействие электронов с высокочастотными колебаниями протонов по каким-то причинам является слабым. [c.325] Существует еще одна теоретическая возможность, использующая, по сути дела, те же преимущества, которыми обладает металлический водород (Абрикосов, 1978) [178]. Речь идет о создании вещества, которое можно назвать металлический экситоний . Представим себе четный металл, содержащий равное число электронов и дырок. Если в силу особенностей энергетического спектра масса дырок будет значительно больше массы электронов ), то их потенциальная энергия превзойдет их кинетическую энергию. При этом дырки станут классическими объектами и образуют периодическую сверхструктуру, т. е. решетку в решетке Херринг, 1968 см. в [179]). Периоды такой сверхструктуры определяются плотностью электронов и дырок и не обязаны совпадать с периодами основной решетки. Для устойчивости дырочной решетки нужно, чтобы амплитуда нулевых колебаний дырок была значительно меньше (не более 1/5) периода решетки. [c.325] В результате получается вещество , очень напоминающее металлический водород, но с заменой протонов на тяжелые дырки (в работе [178] предложено называть его металлическим эксито-нием). В таком веществе могут распространяться фононы . Их скорость будет определяться массой дырок, которая в благоприятном случае может быть порядка 10—20 т, т. е. в 100 раз меньше массы протона. При не слишком малой плотности электронов и дырок это может привести к значению в формуле (16.103), в 10 раз большему по сравнению с значением для водорода. Правда, вследствие того что металлический экситоний образуется не в вакууме, а в реальном веществе, кулоновское взаимодействие, лежащее в основе вообще всех взаимодействий, может быть заметно ослаблено наличием большой диэлектрической проницаемости (речь идет, конечно, о той ее части, которая не включает свободные носители). Последняя определяется далекими зонами и может быть оценена, если известен полный энергетический спектр. Большая диэлектрическая проницаемость обычно является следствием наличия малых энергетических щелей (как у известных полупроводников Се, 51 и др., а также полуметаллов В1, 5Ь и др.). [c.326] В настоящее время такие вещества неизвестны и, конечно, неясно, удастся ли их создать. Как уже отмечалось, их скорее всего следует искать среди соединений, включающих переходные металлы (а также близкие к ним, типа Си, Ag, Аи) или редкоземельные элементы, для того чтобы валентная зона могла образоваться из слабо перекрывающихся 1- или /-оболочек атомов. В этом случае возможно возникновение тяжелых дырок. Поиск таких соединений непростая задача. К тому же, как уже отмечалось, помимо большой массы дырок, для получения больших Т, нужно, чтобы плотность носителей была не слишком мала, а диэлектрическая проницаемость не слишком велика. Однако, с другой стороны, здесь нет нужды в высоких давлениях и нет вопроса об устойчивости метастабильной металлической фазы, как в металлическом водороде. [c.326] До сих пор речь шла о механизме электронного притяжения, осуществляемом фононами (или подобными им колебаниями решетки дырок в гипотетическом металлическом экситонии ). Возникает естественный вопрос о возможности иного механизма притяжения. Поскольку непосредственное взаимодействие электронов является отталкиванием, то надо искать в металлах передающую систему , отличную от фононной системы. [c.326] Рассмотрим разные варианты. Передающей системой А могла бы быть система спинов в магнитном металле. Возбуждение этой системы описывается газом квазичастиц, называемых магнонами или спиновыми волнами. Поскольку ферромагнетизм является антагонистом сверхпроводимости (об этом см. подробнее 21.2), то речь может идти об антиферромагнитных металлах. Однако оценка величин Л и X, определяющих Т , в этом случае не дает никаких преимуществ по сравнению с ( нонами. [c.327] Другой передающей системой могли бы служить электроны, каким-то образом отделенные от электронов проводимости (т. е. их состояния мало смешаны). Возбуждения таких электронных систем называют экситонами , и поэтому такой принципиально возможный механизм сверхпроводимости называют экситонным Литтл, 1964 [180], Гинзбург, 1964 [181]). [c.327] В частности, такой изолированной системой могли бы служить электроны внутренних оболочек атомов, которые сохраняются в ионах решетки металлов. Энергии возбуждения Л здесь порядка 10 эВ, т. е. 10 К. Если бы этот механизм был эффективным, то все металлы были бы высокотемпературными сверхпроводниками. Это не имеет места из-за слабости взаимодействия электронов проводимости с электронами внутренних оболочек и, соответственно, малости Я в (16.106). [c.327] Так как функции 1 )д и 1 )д. ортогональны, то нулевой член разложения К(Гг) не дает вклада, и мы можем ожидать, что матричный элемент Л1 будет по порядку величины не более чем Г /а, Такая же малость возникает и от второго процесса в (16.105). [c.328] Следовательно, эффективная константа взаимодействия электронов g будет содержать Г /а.у, и эта малость войдет в X (ибо X = gv(ц)/2). Можно сказать, что ионные оболочки обладают малой поляризуемостью. [c.328] В связи с этим следует отметить, что основой идеи Литла была не одномерность, которая, как уже отмечено, только мешает сверхпроводимости, а наличие сильно поляризующихся боковых групп, окружавших основную нить толстой шубой . В существующих ныне молекулярных квазиодномерных кристаллах анизотропия проводимости происходит не из-за больших расстояний между нитями, а из-за большой анизотропии электронных волновых функций, которые сильно перекрываются вдоль нитей и слабо—в поперечном направлении. Следовательно, в соединениях такого типа просто нет места для сильно поляризующейся шубы . [c.329] Вернуться к основной статье