Квантово-механическая теория сверхпроводимости

Теория, объясняющая явление сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Бардиным, Купером, Шриффером (БКШ - теория). Основная идея БКШ-теории сверхпроводимости заключается в том, что между свободными электронами проводимости материала кроме обычных сил отталкивания (кулоновских) существуют силы притяжения, обусловленные поляризацией кристалла, вызванной движущимся электроном. Свободный электрон, двигаясь в кристалле, притягивает положительно заряженные ионы и создает в итоге избыточный положительный заряд, который притягивает другие электроны, что приводит к появлению куперовских пар. Расстояние между электронами в куперовских парах может в сотни раз превышать постоянную кристаллической решетки. Все куперовские пары в кристалле находятся в одинаковом квантовомеханическом состоянии. Явление накапливания таких бозе – частиц с наименьшей энергией при низкой температуре называется конденсацией Бозе – Энштейна или Бозе – конденсат. При повышении температуры положительно заряженная область размывается и уменьшается сила притяжения. Поэтому сверхпроводимость проявляется у материалов, имеющих сильное притяжение электронов и ядер атомов (т.е. проводники – плохие сверхпроводники). Два электрона куперовской пары с противоположно направленными спинами и равными и противоположно направленными импульсами благодаря электрон-фононному взаимодействию (то есть взаимодействию электронов с колебаниями кристаллической решетки) испытывают взаимное притяжение и образуют связанное состояние с зарядом 2е.

Куперовские пары образуются между далеко расположенными электронами, где кулоновские силы отталкивания незначительны. При этом критическая температура растет вместе с дебаевской.

Так как при связывании в пары энергия электронов изменяется, то значит, участвовать в этом могут только те электроны, энергия которых может изменяться. Общая концентрация электронов, образующих пары, составляет от их общего числа.

В куперовской паре энергия электрона изменяется, что приводит к изменению спектра материала. Для разрыва куперовской пары требуется квант энергии:

= - (эВ) > kT. (3.53)

Физическая природа сверхпроводимости аналогична сверхтекучести (идея высказана Ландау в 1941 г.). Квантово-механическая теория рассматривает сверхпроводимость как сверхтекучесть электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» о неоднородности кристаллической решетки.

В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки (электрон-фононное взаимодействие), переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) сохраняет обычные свойства. При критической температуре силы притяжения преобладают над силами отталкивания, поэтому вещество переходит в сверхпроводящее состояние.

Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими чем энергия связи пары электронов. Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. Это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре больше критической происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и явление сверхпроводимости перестаёт существовать.

В 1986г в швейцарском филиале американской фирмы IBM (Беднорцем и Мюллером) было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости в керамическом металлооксидном материале (La, Ba, Cu, O), характеризующимся значением критической температуры равным 30К. После замены бария на стронций температура возросла до = 40K. В настоящее время достигли значения критической температуры Т = 181К, но есть сообщения, что одной из японских фирм достигнута критическая температура, превышающая 273К.

Объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости основано на образовании куперовских пар, но не за счет электрон-фононного взаимодействия, а возможно за счет электрон - экситонного взаимодействия. Существуют также и другие идеи, объясняющие механизм ВТСП, например, с использованием понятия резонирующих валентных связей (Андерсен), идея о том, что перенос энергии осуществляется за счет солитонов (Давыдов, Ермаков) и др.

Когда сверхпроводник попадает в магнитное поле, это поле проникает в него в виде тонких потоков, называемых вихрями. Вокруг каждого такого вихря возникают электрические токи. Эти вихри тиражируют себя и рассеиваются, когда температура материала возрастает. Поскольку вихри имеют тенденцию прикрепляться к длинным тонким отверстиям в материале, называемым призматическими дефектами, исследователи предположили, что вихри будут вести себя иначе при наличии таких дефектов. И они выяснили: когда вихрей больше чем отверстий, вихри начинают рассеиваться в два этапа вместо одного, так как температура повышается. Если ученым удастся задержать процесс рассеивания вихревых потоков, то будет возможно добиться эффекта сверхпроводимости при более высоких температурах.

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Пространственные характеристики

Сравнительный анализ аналитических возможностей различных типов иммуносенсоров

Субъективная оценка интенсивности раздражителя

Вернуться в оглавление: Физические явления