Электрон – фононное взаимодействие

Явление сверхпроводимости и сверхтекучести представляют собой макроскопический квантовый эффект. Братья Фриц и Гейнц Лондон создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. В 1950 году английский физик Герберт Фрелих разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с электрон-фононным взаимодействием, поскольку электроны взаимодействовали через упругие колебания кристаллической решетки (которым и сопоставлялись квазичастицы - фононы). Рассмотрим подробнее механизм возникновения электронных пар, связанных силами притяжения, которые чаще называют куперовскими парам.

При движении электрона в сверхпроводнике при Т < Т_кр. положительные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки (пересечения пунктирных линий на рис.1), притягиваются к электрону, смещается от положения равновесия в его сторону. Последующее кулоновское отталкивание положительных ионов приводит к распространению по решетке упругой волны.

Второй электрон, находящийся достаточно далеко от первого, притягивается в его сторону смещающимся навстречу положительным ионом решетки. Подобное притяжение между парой электронов может возникать, даже если они находятся друг от друга на расстоянии, в тысячи раз превышающее период решетки (расстояние между соседними узлами). Движение электронов в паре перестает быть независимым. Благодаря притяжению между электронами в паре оно становится согласованным. Притяжение между электронами препятствует столкновению каждого из них в отдельности с ионами решетки. Электроны в сверхпроводнике (в отличие от обычного проводника) являются «единым коллективом» куперовских пар. Электрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением куперовских пар электронов. Чем сильнее взаимодействие электронов с решеткой, тем сильнее их притяжение друг к другу, тем легче образуются куперовские пары. Для хороших проводников (Ag, Cu, Au) это взаимодействие мало, поэтому такие проводники не переходят в сверхпроводящее состояние. При Т>Т_кр. Хаотическое движение ионов доминирует над упорядоченным: куперовские пары разрушаются, и электроны движутся по кристаллу независимо, как в обычном проводнике. Сверхпроводящие свойства проводников исчезают при пропускании через них сильного электрического тока, создающего магнитное поле, разрушающее сверхпроводящее состояние сверхпроводников.

Учетные из Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) продемонстрировали возможность сохранения эффекта сверхпроводимости в присутствии сильного магнитного поля. Таким образом, сделан очередной шаг, который может расширить практическое применение сверхпроводимости. Суть метода состоит в формировании в толще сверхпроводника своеобразных самосовмещенных линий из «наноточек», не обладающих свойством сверхпроводимости. Напомним, эффект сверхпроводимости возникает при низких температурах. За годы исследований ученым удалось повысить температуру, при котором явление имеет место, заменив охлаждение с использованием жидкого гелия, применявшегося в старых системах, на более практичное охлаждение с использованием жидкого азота. Тем не менее, для многих областей применения сверхпроводимости препятствием оставались магнитные поля. Проблема заключалась в том, что силы, возникающие между атомами сверхпроводника, заставляли их двигаться под действием магнитного поля, создавая электрическое сопротивление и вызывая рассеивание энергии. «Встраивая» в сверхпроводник «наноточки» - микроскопические порции вещества с низкой проводимостью - ученым удалось зафиксировать подвижные участки и обеспечить беспрепятственное прохождение тока сверхпроводимости. Результаты работы, выполненной в ORNL, повышают шансы на использование сверхпроводников в моторах, генераторах, системах противовоздушной обороны и других приложениях, где оно было ограничено негативным влиянием магнитных полей.