Явление сверхпроводимости

В предыдущих главах мы изучали квантово-механические явления на микроскопическом уровне. Оказывается, что в таких эффектах, как сверхпроводимость металлов и текучесть жидкого гелия, квантово-механи­чес­кие эффекты проявляются в макроскопических масштабах.

Явление сверхпроводимости состоит в том, что при температурах, меньших некоторой критической, сопротивление ряда металлов и сплавов скачком уменьшается до нуля. Это явление было открыто в 1911 г. Камеринг-Оннесом. Отметим некоторые свойства сверхпроводников.

Рис. 34.1

1. Сверхпроводящее состояние наблюдается в интервале температур от 0 до T_кр. При T=T_кр сопротивление скачком увеличивается до некоторого значения R¹0 и при дальнейшем росте температуры линейно возрастает. У нормального металла, т.е. металла, не переходящего в сверхпроводящее состояние, при T®0 сопротивление стремится к некоторому остаточному сопротивлению R₀¹0, которое обусловлено рассеянием электронов на дефектах кристаллической решетки (рис. 34.1).

2. При пропускании через сверхпроводник тока создается магнитное поле и, когда индукция магнитного поля становится равной B_кр, сверхпроводящее состояние разрушается. Таким образом, значение сверхпроводящего тока ограничено сверху некоторым значением B_кр.

3. Различают сверхпроводники первого и второго рода. Сверхпроводники первого рода (чистые металлы) однородны по структуре и сверхпроводящее состояние у них возникает во всем объеме. Сверхпроводники второго рода (некоторые сплавы) в относительно слабых магнитных полях становятся неоднородными и разбиваются на сверхпроводящие зоны (области) и зоны нормального металла. Следует отметить также, что у сверхпроводников второго рода сверхпроводящие зоны могут сохраняться даже в очень сильных магнитных полях, что важно для практических целей.

4. Для сверхпроводников первого рода характерен эффект Мейснера, который состоит в том, что в процессе охлаждения металла в магнитном поле в момент перехода его в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Это означает, что в сверхпроводнике может протекать только поверхностный ток (толщина слоя проводимости ~10^{-8 м). Магнитное поле этого тока компенсирует внешнее магнитное поле, так что внутри сверхпроводника полное поле равно нулю.}

Теория сверхпроводимости была создана в 1957 г. Д. Бардиным, Л. Ку­пером и Д. Шриффером (теория БКШ) и усовершенствована Н.Н. Бого­лю­бо­вым. Основная идея теории БКШ следующая. Двигающиеся в металле электроны окружены «облаком» положительного заряда, возникающего из-за притяжения к ним положительных ионов кристаллической решетки. К такой системе (электрон — «облако» положительного заряда) может быть притянут какой-либо другой электрон, который также окружен «облаком» положительного заряда. В том случае, если спины электронов противоположны, такая связь является устойчивой и образуется так называемая куперовская электронная пара. Поскольку спин куперовской пары равен нулю, то куперовские пары являются бозонами и при снижении температуры до 0 К они располагаются на самом низшем энергетическом уровне.

Энергию связи куперовской пары обозначают 2D. В отличие от нормального металла у сверхпроводников между заполненными и незаполненными состояниями есть энергетическая щель шириной 2D (рис. 34.2).

Рис. 34.2

Рассеяние одного из электронов пары на неоднородности кристалла означало бы разрыв связи, на что необходима энергия 2D. При низких температурах и малых скоростях движения электрону неоткуда взять энергию для разрыва этой связи. В этих условиях куперовские пары могут свободно, без столкновений двигаться по всему кристаллу. Это означает полное отсутствие сопротивления: R=0.

При повышении температуры ширина энергетической щели уменьшается и при T=T_кр значение 2D становится равным нулю — сверхпроводимость исчезает.

Значения критической температуры T_кр для большинства металлов и сплавов очень малы. Например, для ниобия T_кр=9, свинца — 7,2 K, вольфрама — 0,01 K. Долгое время рекордное значение T_кр имела пленка из соединения Nb₃Ge: T_кр=23 K.

В 1986 г. сначала Г. Беднорз и А. Мюллер, а затем Р. Чу открыли высокотемпературную сверхпроводимость для соединений типа керамик, состоящих из смеси оксидов. Так, для керамики La₂O₃×BaO×CuO T_кр=33 K, а для керамики YO₃×BaO×CuO T_кр=90 K. В 1988 г. было достигнуто рекордное значение T_кр=128 K.

Механизм образование куперовских пар в высокотемпературных сверхпроводниках пока неясен — исследования в этом направлении продолжаются.

Рис. 34.3

Как было отмечено, сверхпроводимость представляет собой явление, в котором квантово-механические эффекты обнаруживаются не в микроскопических, а в крупных, макроскопических масштабах. Особенно наглядно макроскопические квантовые свойства выражены в эффекте квантования магнитного потока в сверхпроводящем кольце с током. Установлено, что если через тороидальное сверхпроводящее кольцо пропустить электрический ток (рис. 34.3), то поток магнитного поля F через поверхность, охватываемую кольцом, может принимать лишь дискретные значения

F=nF₀,

где — квант магнитного потока, или флюксон.

Механизм квантования магнитного потока рассмотрен в прил. 9.

В заключение рассмотрим некоторые практические применения явления сверхпроводимости.

Для сглаживания пиков потребления электроэнергии уже сейчас используются сверхпроводящие индукционные носители (спины), которые могут аккумулировать до 4×10³ кВт×ч, успешно конкурируя с гидроаккумулирующими агрегатами; созданы опытные образцы сверхпроводящих линий электропередачи, которые по стоимости превышают обычные всего в 2 раза. Сверхпроводники используют также при конструировании некоторых типов электрогенераторов, при создании транспортных систем. Особо следует выделить использование сверхпроводников в информатике и конструировании высокочув­ствительных приборов для измерения малых температур, слабых магнитных полей и др.