Энергетическая щель в сверхпроводнике

Почему появляется энергетическая щель в сверхпроводнике [c.245]

Энергетическая щель в сверхпроводниках при Г = 0 [c.431]

Теоретическое пространственное распределение величины энергетической щели в сверхпроводнике II рода приводится на рис. 12.36. Постоянная решетки флюксоидов определяется длиной когерентности и может быть порядка 10 см. Решетка флюксоидов наблюдалась экспериментально с помощью дифракции нейтронов [44], а также с помощью метода магнитных порошков [45], как это показано на рис. 12.37 (сам метод описан, в [46]). Структура самого флюксоида показана на рис. 12.38. [c.461]

Весьма плодотворным методом являются туннельные эксперименты, при которых измеряется ток, текуш,ий нз металла сквозь тонкую оксидную пленку в другой металл. Для понимания этого явления рассмотрим вначале плотность состояний в сверхпроводнике. Состояния, описываемые в нормальном проводнике функцией г (Е)йЕ, переупорядочиваются из-за наличия энергетической щели в сверхпроводнике. Так как при этом ни одно состояние не исчезает, то функция г ) = 25 (е) е, где е —энергия состояния квазичастицы (84,3). Величины не связаны, согласно [c.332]

Экспоненциальный характер убывания теплоемкости сверхпроводника при Г О хорошо подтверждается экспериментом и свидетельствует о правильности представления о существовании энергетической щели в спектре энергий квазичастиц, которая затрудняет переход квазичастиц в возбужденные состояния, [c.387]

Из рис. 16.6.2 следует, что зависимость Ig от 1/Г —прямая линия с отрицательным угловым коэффициентом. Это наводит на мысль о существовании активационной энергии, связанной со сверхпроводящими электронами. Наличие энергетической щели в плотности состояний для сверхпроводника является одной из отличительных особенностей теории Бардина — Купера — Шриффера (теории БКШ). Если бы ширина энергетической щели не зависела от температуры, можно было бы ожидать, что ее величина задается произведением величины 2k (k — постоянная Больцмана) на отрицательный угловой коэффициент прямой, выражающей зависимость логарифма от 1/Г. Таким образом, получилось бы, что для сверхпроводящего олова энергетическая щель равна 1,1 10 эв. [c.410]

Существование энергетической щели объясняет многие свойства сверхпроводников, в том числе и эффект Мейсснера — Оксен-фельда. [c.271]

Теория возмущений. Как упоминалось в разделе 2, в модели с энергетической щелью предполагается, что отличие сверхпроводящей фазы от нормальной состоит лишь в том, что для возбуждения электрона в сверхпроводящей фазе требуется дополнительная энергия е. Другими словами, возбужденные электроны в сверхпроводящей фазе предполагаются сходными с возбужденными электронами в нормальной фазе. Мы упоминали уже, что эта модель удовлетворительно объясняет температурный ход теплоемкости, теплопроводности и электропроводности, определяемой по измерениям толщины скин-слоя на микроволновых частотах, а также вязкости электронного газа, измеряемой по поглощению ультразвуковых волн. Ниже будет показано, что эта модель объясняет также и диамагнитные свойства сверхпроводников и приводит к феноменологической теории, очень сходной с теорией Пиппарда (см. п. 18). [c.709]

Теория сверхпроводимости базируется на том, что при абсолютном нуле, непосредственно над уровнем Ферми в энергетическом спектре имеется область запрещенных энергий (энергетическая щель). При абсолютном нуле ширина этой щели Eg 3,5 kT, где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура. В сверхпроводнике распределение Ферми смещается электронным полем в положении k О, что приводит к возникновению [c.72]

В настоящее время разработан ряд методов измерения со- Один из них основан на изучении поглощения сверхпроводником электромагнитных волн ИК области. Опыты показали, что при очень низких тем пературах поглощения энергии в сверхпроводнике не происходит до тех пор, пока энергия квантов падающего излучения не превысит ширину щели после чего поглощение быстро возрастает до значения в нормальном металле. По энергии квантов Й(Оц, вызывающих поглощение энергии, определяется ширина энергетической щели сверхпроводника Есв = [c.200]

Согласно теории БКШ при 0°К ширина энергетической щели равна 3,52 кТс. Принимая во внимание, что величины энергетических щелей при 0,5 и 0°К отличаются незначительно, мы получаем, что Тс свинца и алюминия соответственно лежат около 8,9 и 1,1 °К. Один из сверхпроводников (алюминий) при 1,1 °К переходит в нормальное состояние, так что при этой температуре будут исчезать максимумы и минимумы, показанные на рис. 16.8.1, а. [c.412]

Формула (10) показывает, что разрешенные области энергии разделены энергетической щелью 2А = 2Л Ф . Физически эта величина отвечает энергии связи куперовской пары такую энергию нужно затратить, чтобы, разорвав пару, получить электрон в несвязанном состоянии. Наличие щели означает определенную жесткость состояния электронов сверхпроводника, их невосприимчивость к внешним воздействиям не слишком большой силы. Именно на этом пути можно понять замечательные особенности сверхпроводника отсутствие джоулевых потерь, эффект Мейсснера, о котором будет идти речь ниже, и др. [c.183]

Об том же говорит и сравнение спектра электронов в сверхпроводнике (10) с релятивистской формулой Е = + ш , выявляющее физическую близость понятий массы квазичастицы и энергетической щели. [c.185]

Это означает, что возбужденные состояния электронной системы отделены от основного энергетической щелью , как в полупроводнике. С другой стороны, сверхпроводник по своим электрическим свойствам очень сильно отличается от полупроводника. [c.274]

Изучение термодинамики сверхпроводников мы начнем с вычисления температурной зависимости энергетической щели А (Т). Подставляя в формулу (16.21) функцию Ферми и переходя-к интегрированию по импульсам, получаем уравнение для определения А [c.299]

В сверхпроводниках с магнитными примесями дело обстоит так же. Бозе-конденсат куперовских пар содержит не все пары часть из них имеет меньшие энергии связи. Очевидно, чтобы разорвать такие пары, необходимо затратить меньшую энергию, чем для разрыва пар, имеющихся в конденсате. До сих пор одна величина Л описывала как число пар в конденсате, так и энергию связи. Однако применительно к сверхпроводникам с магнитными примесями это утверждение становится неверным. В то время как одна величина описывает параметр порядка (сохраним за ней название Д), т. е. волновую функцию конденсата, совсем другая величина характеризует минимальную энергию связи пар или энергетическую щель, которая проявляется в низкотемпературной теплоемкости, теплопроводности, поглощении электромагнитного излучения, ультразвука и др. [c.434]

Именно параметр порядка определяет основные особенности сверхпроводников эффект Мейснера и отсутствие электрического сопротивления. Пока Д конечно, все эти свойства имеют место. В то же время энергетическая щель может обратиться в нуль это действительно имеет место в сверхпроводниках с магнитными примесями в диапазоне концентраций соответствует по формулам (21.9) и (21.6)) [c.434]

Для фотонов, имеющих энергию, меньшую ширины щели, электросопротивление сверхпроводника обращается в нуль при абсолютном нуле. На рис. 12.13 показаны экспериментальные результаты для далекой инфракрасной области. Для СВЧ-об-ласти результаты представлены на рис. 12.14. Видно, что при Т Тс сопротивление в сверхпроводящем состоянии испытывает резкий скачок в области энергий, равных ширине щели. Для фотонов меньшей энергии поверхностное сопротивление отсутствует. Для фотонов большей энергии сопротивление приближается к сопротивлению в нормальном состоянии, поскольку такие фотоны вызывают переходы на незанятые нормальные энергетические уровни над щелью. Увеличение температуры не только уменьшает ширину щели (как на рис. 12.12), но и затягивает спад сопротивления для фотонов с энергией, меньшей [c.432]

Энергия массивного сверхпроводника в магнитном поле увеличивается при условии, что поле не проникает в образец. Проникновение поля в пленки рассматривается в конце главы в задачах 12.1 и 12.4. Поле, направленное параллельно поверхности очень тонкой пленки, проникает в нее, оставаясь практически однородным (рис. 12.32, а) при этом энергия сверхпроводящей пленки будет слабо возрастать с увеличением магнитного поля, что приводит к увеличению напряженности поля, необходимого для разрушения сверхпроводимости (рис. 12.21 и 12.33). В сверхпроводящей тонкой пленке величина кажущейся магнитной восприимчивости может быть намного меньше, чем 1/4я (или 1 в. СИ), так как выталкивается только часть потока, но при этом пленка имеет обычную величину энергетической щели и не обладает сопротивлением. В пленках устойчивая сверхпроводимость наблюдается в полях, напряженность которых более чем в 100 раз превышает критическое поле Не для массивного сверхпроводника того же материала. Тонкие пленки не относят к сверхпроводникам II рода, но их поведение показывает, что-сверхпроводимость при наличии соответствующих условий может существовать и в высоких магнитных полях. [c.456]

Тем самым мы можем приведенную температуру йдТ/Д (0), входящую в (84.8), заменить через Т Если выражать энергетическую щель и температуру в приведенных единицах, то (84.8) дает связь между ними, не содержащую других параметров (см. рис. 100). В этой форме (84.8) справедлива для всех сверхпроводников со слабой связью (Д (0) Йсо, = Йо)д). [c.331]

В СВОЮ очередь зависит от механизмов поглощения энергии электронами прово димости при данной частоте. Поскольку спектр электронных возбуждений сверхпроводника характеризуется наличием энергетической щели Д, следует ожидать, что при частотах, малых по сравнению с Д/Й, зависимость проводимости от частоты в сверхпроводнике должна существенно отличаться от соответствующей зависимости в нормальном металле, тогда как при частотах, превышающих А/Й, она будет практически одинаковой для обоих состояний. При температурах, не слишком близких к критической (см. стр. 358), частота А/Й. попадает в диапазон от миллиметровых радиоволн до инфракрасной области. [c.350]

Энергетическая щель. Энергетическая щель в сверхпроводниках имеет совершенно другую природу, чем запрещенная зона в диэлектриках ). Аргумент в экспоненциальной функции, описывающей температурную зависимость теплоемкости, позволяет определить величину полущирины энергетической щели ). На рис. 12.10,6 видно, что теплоемкость галлия изменяется по закону ехр(—Д/АвТ ), где Д ХЛквТс. Таким образом, щирина щели [c.431]

Рис. 12,36. Контурная-диаграмма локальных пространственных вариаций ширины энергетической щели в сверхпроводнике II рода при поле, несколько меньшем верхнего критического поля Нс2. (Из работы Клейнера и др. [43].) В центре каждого флюксоида ширина энергетической щели равна нулю. Подобный вид треугольной решетки был обнаружен экспериментально

Электроны проводимости в сверхпроводнике и нормальном металле, находящихся в близком контакте, т. е. разделенных только тонким слоем диэлектрика ), могут находиться в термодинамическом равновесии друг с другом. При этом электроны могут проходить через слой диэлектрика благодаря квантовомеханическому туннелированию. При термодинамическом равновесии из одного металла в другой переходит достаточное число электронов, чтобы химические потенциалы электронов в обоих металлах были одинаковыми ). Когда оба металла находятся в нормальном состоянии, приложенное напряжение повышает химический потенциал одного металла по сравнению с другим и через слой диэлектрика туннелирует еще некоторое число электронов. Такие туннельные токи , наблюдаемые при контакте нормальных металлов, подчиняются закону Ома. Однако, когда один из металлов является сверхпроводником и находится при температуре значительно ниже критической, ток не наблюдается до тех пор, пока потенциал V не достигнет порогового значения eV = А (фиг. 34.7). Значение А хорошо согласуется со значением, которое получается из низкотемпературных измерений теплоемкости. Это подтверждает представление о существовании энергетической щели в плотности одноэлектронных уровней сверхпроводника. При приближении температуры к Гс пороговое напряжение уменьшается ), что указывает на уменьшение энергетической щели при повышении температуры. [c.349]

Энергетическая щель. Все образовавшиеся куперовскне пары при 7=0 К сконденсированы на одном уровне, характеризующем основное состояние сверхпроводника. При образовании куперовских пар энергия системы понижается на энергию связи электронов в паре, которую обычно обозначают 2До. Неспаренный электрон, Представляющий собой элементарное возбуждение в сверхпроводнике, не может оказаться на этом уровне и должен занять первый незанятый уровень спектра элементарных возбуждений. При разрыве пары оба электрона должны подняться на уровни элементарных возбуждений и поэтому должна быть затрачена энергия, большая чем 2До. Другими словами спектр элементарных возбуждений (нормальных электронов) отделен от энергетического уровня, соответствующего основному состоянию сверхпроводника, энергетической щелью 2До. Расчеты по теории БКШ дают для ширины щели ири Г=ОК [c.270]

Ширина энергетической щели уменьшается с повышением температуры. Действительно, для разрыва куперозской пары и создания двух элементарных возбуждений необходимо затратить энергию 2Д (обозначение До относится к случаю 7=0 К). Если температура сверхпроводника отлична от нуля и такова, что k T— 2Д, то многие куперовские пары разорвутся под влиянием теплового воздействия. При этом в к-пространстве много состояний заполнено одиночными электронами (или, как мы их назвали, элементарными возбуждениями). Эти заполненные состояния уже не участвуют в создании пары, следовательно, не дают понижения энергии системы. Энергия сверхпроводника повышается. Эти же состояния не участвуют теперь в формировании энергетической щели. Следовательно, чем больше разорванных пар, тем больше элементар- [c.270]

Купер [1491 рассмотрел тепловые свойства одномерной модели. Он нашел, что энергетическая щель уменьшается с увеличением температуры и стремится к нулю прп критической температуре 7 , .. Однако приближения, сделанные в теории, несправедливы, если только 7 кр. не превышает толше-ратуру Дебая Нд для модели. В реальных сверхпроводниках Гкр., конечно, много меньше 0д. Купер коснулся вопроса устойчивости токов, отвечающих смещению, описанному выше, но не смог прпйти к определенному заключению. [c.776]

Наконец, остановимся вкратце еще на одном вопросе. В литературе иногда возникает вопрос о возможности существования в сверхпроводниках возбуждений бозевского типа [3]. Рассмотренные выше возбуждения фермиевского типа имели характерный спектр с энергетической щелью. Наличие, например, звуковых колебаний типа фононов (со спектром без щели) не помешало бы существованию сверхпроводимости, подобно тому как фононы но мешают сверхтекучести. Но если бы в спектре имелась такая ветвь, это существенным образом отразилось бы на температурной зависимости всех термодинамических величии. Нетрудно, однако, видеть, что вопрос о бозевских колебаниях рассматриваемой системы ферми-частиц не является сколько-нибудь важным для теории сверхпроводимости. Дело в том, что такие колебания будут связаны с колебаниями плотности электрического заряда, которые благодаря большому кулоновскому взаимодействию будут находиться в онтическо11 области частот. Для их возбуждения понадобятся энергии порядка 1 эв. Таким образом, весь вопрос о бозевской ветви в спектре ферми-частиц имеет лишь академический характер. [c.917]

Дело в том, что при возбуждении электронов вблизи уровня Ферми, как в случае четных частиц, так и в сверхпроводящем металле, необходимо преодолевать энергетическую щель. Однако величина щели сверхпроводника является функцией температуры (она исчезает при Гд), а величина б нормальной частицы есть функция ее размера (она изменяется обратно пропорционально объему). Согласно экспериментальным данным при Г—>0К сдвиг НайтаЛГ->О в случае сверхпроводящих частиц А1 и ЛГ а, где а — определенная величина, для частиц Sn, РЬ, Hg, Си, причем первые три металла — сверхпроводники, тогда как Си — типичный несверхпроводник (см. [81). [c.276]

При возникновении куперовских пар энергия системы понижается на величину энергии связи электронов в паре 2Ы = Ъ,5квТ (при Г=DK). При разрыве пары должна быть затрачена эта энергия. Поэтому спектр нормальных электронов отделен от энергетического уровня основного состояния сверхпроводника энергетической щелью размером в 2До. Ширина такой энергетической щели уменьшается с повышением температуры, при Т = она исчезает. [c.239]

Прежде всего, отметим, что Fi(q) = 0 при д=0. Действительно, при этом = , а + Д = е. Физическое объяснение этому обстоятельству заключается в следующем. Косвенное обменное взаимодействие между спинами возникает оттого, что спин 5, в одной точке поляризует электроны, а те в свою очередь поляризуют другой спин S . Но если мы имеем дело со сверхпроводником, то в основном состоянии электроны неполяризованы, а возбужденное состояние отделено от основного энергетической щелью. Статический спин не может изменить энергию электронной системы и, следовательно, не может ее поляризовать. Отсюда вытекает, что не только ферромагнетизм мешает сверхпроводимости, но в свою очередь сверхпроводимость препятствует возникновению ферромагнетизма, [c.444]

При меньших концентрациях примеси электроны или дырки в зонах создаются лишь путем температурного возбуждения. Однако ввиду того, что критические температуры сверхпроводников низки по сравнению с энергией возбуждения, наличием 1 ермически активированных носителей можно пренебречь. В таком случае полупроводник фактически является диэлектриком и высота потенциального барьера равна наименьшей энергии, требующейся для создания электронов в валентной зоне или дырок в зоне проводимости, иначе говоря, равна энергетической щели. Сравнивая показатели экспонент температурного возбуждения У/Т) и вероятности туннелирования й тУу/ /%, см. (22.1)), гдеУ соответствует /(дс)—ц, мы видим, что для У> 10" эВ и с1< 10 см температурным возбуждением действительно можно пренебречь. [c.480]

Свойства сверхпроводников в инфракрасном и СВЧ-диапа-зонах частот. Наличие в сверхпроводниках энергетической щели позволяет предположить, что, как и в полупроводниках с запрещенной зоной, фотоны, имеющие энергию, меньшую ширины энергетической щели, могут проходить через сверхпроводящий металл. Экспериментально это было установлено Гловером и Тинкхэмом, а также рядом других авторов. От любого металла фотоны отражаются из-за несогласования имиедансов на границе вакуум — металл, но очень тонкая ( 20 А) пленка пропускает больше фотонов в сверхпроводящем состоянии, чем в нормальном. [c.432]

Длина когерентности. Лондоновская глубина проникновения является фундаментальным параметром, характеризующим сверхпроводник. Другим и не менее важным независимым параметром является длина когерентности Длина когерентности представляет собой расстояние, на протяжении которого в магнитном поле, меняющемся в пространстве, ширина энергетической щели существенно не изменяется. Уравнение Лондонов является локальным уравнением, так как оно связывает плотность тока в точке г с векторным потенциалом в той же точке. Поскольку /(г) есть произведение А г) на постоянное число, то ток с необходимостью повторяет вариации векторного потенциала. Длина когерентности определяет расстояние, на протяжении которого мы должны усреднять А для получения /. В действительности в теории вводятся две длины когерентности, ио мы не будем в это вдаваться. [c.443]

Живер [40] обнаружил, что если один из металлов становится сверхпроводящим, то вольт-амперная характеристика превращается из прямой линии (рис. 12.29, а) в кривую, представленную на рис. 12.29,6. Рис. 12.30, а подчеркивает разницу между плотностями электронных состояний в сверхпроводнике и нормальном металле. В сверхпроводнике имеется энергетическая щель, середина которой совпадает с уровнем Ферми. При абсолютном нуле тока нет до тех пор, пока напряжение не станет равным V = Egl2e = Ale. Энергия, равная ширине щели Eg, соответствует распаду электронной пары в сверхпроводящем состоянии и образованию двух электронов или электрона и дырки в нормальном состоянии. Ток появляется тогда, когда eV = Д. При отличных от нуля температурах появляется слабый ток даже при низких напряжениях благодаря электронам в сверхпроводнике, которые перебрасываются через щель за счет теплового возбуждения. [c.453]

Иногда путем добавки небольшого количества легирующего-элемента можно превратить металл из сверхпроводника I рода в сверхпроводник II рода. Например (см. рис. 12.6в), добавление двух весовых процентов индия в свинец превращает свинец, из сверхпроводника I рода в сверхпроводник II рода, хотя температура перехода меняется при этом совсем незначительно. При этом превращении нет оснований ожидать ни изменения ширины энергетической щели, ни скачка теплоемкости при температуре перехода. Такое количество легирующего элемента не изменяет коренным образом электронную структуру свинца как сверхпроводника, но его поведение в магнитном поле радикально меняется. Теория сверхпроводников II рода была разработана Гинзбургом, Ландау, Абрикосовым и Горьковым. Позднее Кунцлер с сотрудниками обнаружил, что проволока из НЬзЗп может пропускать значительный сверхпроводящий ток в полях,, достигающих 100 кГс. [c.454]

Вид кривой сильно зависит от температуры. При Т = О имеется резкий порог, который размывается при более высоких температурах иа-эа теплового переброса электронов через щель в энергетическом спектре сверхпроводника. — п0р010В0е значение напряжения. [c.350]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...