Теория бкш сверхпроводимости кратко

Обновлено: 28.06.2024

Так что же такое сверхпроводимость? Это свойство некоторых веществ обладать строго нулевым сопротивлением ниже определенной температуры — ее называют критической. Второй обязательный критерий, по которому то или иное соединение причисляют к сверхпроводникам, это эффект Мейсснера — способность материалов выталкивать магнитное поле из своего объема при охлаждении, опять же, ниже критической температуры.

Но до сих пор, спустя более чем сто лет с момента открытия сверхпроводимости, всякие попытки ее практического применения упираются в главную проблему — низкую критическую температуру. Из-за этого для работы со сверхпроводящими изделиями приходится строить громоздкие системы охлаждения, использующие жидкий азот или даже дорогостоящий жидкий гелий. Но если бы удалось найти материал с критической температурой порядка комнатной, левитирующие поезда и сверхпроводящая электроника могли бы превратиться из мечтаний футурологов в повседневную реальность.

Физики, которые занимаются исследованием новых сверхпроводников, обычно не ставят целью повысить их критическую температуру. Они говорят о механизмах — причинах, приводящих к тому, что то или иное соединение проявляет сверхпроводящие свойства. Ученые полагают, что именно понимание этих механизмов позволит предсказывать соединения не только с более высокой критической температурой, но также и другими, не менее важными параметрами, такими как критическое магнитное поле, плотность тока и другие.

Основным признанным механизмом возникновения сверхпроводимости считается электрон-фононное взаимодействие, когда между двумя электронами под влиянием колебаний кристаллической решетки возникает притяжение и образуются так называемые куперовские пары. Так проявляется сверхпроводимость согласно нобелевской теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Предлагались и другие механизмы, например, магнонный или экситонный. В первом электронное спаривание происходит за счет магнонов, а не фононов, а во втором за сверхпроводимость отвечают экситоны в состоянии бозе-конденсата.

Но до сих пор между учеными не затихает спор о том, существуют ли другие механизмы, кроме фононного, — дело в том, что в некоторых случаях экспериментальные данные можно интерпретировать разными способами. Поэтому физики, исследующие сверхпроводимость, разбились на два противоборствующих и, кажется, непримиримых лагеря — сторонников классической БКШ, которые пытаются как-то модифицировать теорию под новые данные, и тех, кто считает новые механизмы отражением реальных процессов, происходящих в сверхпроводниках.

Являются ли те или иные механизмы реальными, покажут новые экспериментальные данные. Мы изучили современную научную литературу по этому вопросу и постарались максимально упрощенно рассказать о том, как самые разные и, казалось бы, не связанные между собой процессы, могут привести к сверхпроводимости. Мы также уделили внимание различным эффектам, которые могут влиять на критическую температуру того или иного сверхпроводника.

История первая: фононы

Сверхпроводник: простые элементы, некоторые их сплавы и другие соединения.

Механизм: электрон-фононное взаимодействие (классическая теория БКШ).

Статьи: J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Theory of Superconductivity // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity // Phys. Rev. 106, 162 (1957).

История вторая: магноны

Сверхпроводник: ZrZn2 и другие.

Механизм: образование триплетных куперовских пар за счет явления ферромагнетизма коллективизированных электронов.

История третья: экситоны

Сверхпроводник: искусственные материалы, состоящие из нескольких упорядоченных слоев диэлектриков и полупроводников, каждый слой толщиной практически в один атом.

Механизм: бозе-эйнштейновская конденсация непрямых экситонов.

Статьи: J. P. Eisenstein, A. H. MacDonald Bose—Einstein condensation of excitons in bilayer electron systems / Nature 432, 691-694 (9 December 2004).

История четвертая: флуктуации

Сверхпроводник: селенид железа FeSe и другие.

Механизм: спиновые флуктуации в соединениях, содержащих ионы с ненулевым магнитным моментом, в сочетании в нематическим структурным фазовым переходом.

Fa Wang, Steven A. Kivelson & Dung-Hai Lee Nematicity and quantum paramagnetism in FeSe / Nature Physics 11, 959–963 (2015).

Комнатная температура, парамагнетик. Данный механизм возможен, только если в материале присутствуют ионы с ненулевым магнитным моментом — это значит, что суммарный спин (квантовая характеристика — собственный момент импульса) локализованных электронов в ионе не равен нулю. Такие материалы относятся к парамагнетикам . Магнитные моменты могут взаимодействовать друг с другом, упорядочиваться, из-за чего многие материалы проявляют ферро-, антиферромагнитные свойства и другие, более экзотические варианты. При комнатной температуре тепловые колебания ионов решетки мешают упорядочению магнитных моментов, они колеблются почти хаотично — вещество остается парамагнетиком.

История пятая: Спин-орбитальное взаимодействие

Сверхпроводник: арсениды железа — LiFeAs и другие.

Механизм : спин-орбитальное взаимодействие коррелирует с величиной сверхпроводящей щели (т.е. и с критической температурой).

Статья: Shun-Tsung Lo et.al Spin-orbit-coupled superconductivity / Scientific Reports 4, 5438 (2014).

В качестве заключения можно сказать, что в наших рассказах перечислены лишь немногие из возможных процессов, которые в итоге приводят к сверхпроводимости. Все они, в том числе и классический электрон-фононный механизм, могут сочетаться в одном материале, либо какой-то из них будет основным для конкретного вещества. Может быть, все эти многочисленные и сложные механизмы — лишь часть какого-нибудь глобального физического закона, который ученым еще предстоит открыть. Но может оказаться и так, что природа гораздо сложнее и многограннее, чем мы можем себе представить, и никакого единого закона сверхпроводимости попросту не существует.

Теория БКШ - это теория сверхпроводимости , предложенная в 1957 году Джоном Бардином , Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером . Он объясняет сверхпроводимость образованием пар электронов ( куперовских пар ) под действием притягивающего взаимодействия между электронами в результате обмена фононами . За свою работу эти авторы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1972 году.

Резюме

Происхождение притяжения между электронами

Понять происхождение притяжения между электронами можно с помощью простого качественного аргумента. В металле отрицательно заряженные электроны притягивают положительные ионы, которые находятся поблизости. Поскольку эти ионы намного тяжелее электронов, они обладают большей инерцией. По этой причине, когда электрон проходит рядом с набором положительных ионов, эти ионы не сразу возвращаются в свое исходное положение равновесия. Это приводит к избытку положительных зарядов там, где прошел этот электрон. Следовательно, второй электрон почувствует силу притяжения, возникающую из-за этого избытка положительных зарядов. Очевидно, что электроны и ионы должны описываться квантовой механикой с учетом неразличимости электронов, и этот качественный аргумент подтверждается более строгими расчетами. Полное теоретическое рассмотрение использует методы второго количественного определения , и на основе гамильтониан из Фрёлих .

где это оператор уничтожения для спина , и квази-импульс электрона , является оператор уничтожения квази-импульса фонона , и являются соответствующие операторы рождения , а матричный элемент электрон-фононной связи. Этот термин описывает излучение или поглощение фононов электронами. В этих процессах квазиимпульс сохраняется. против k , σ > σ k б q > q против k , σ † ^ > б q † ^ > грамм ( k , q )

Посредством канонического преобразования можно исключить электрон-фононное взаимодействие гамильтониана Фрелиха, чтобы получить эффективное взаимодействие между электронами. Альтернативный подход - использовать теорию возмущений второго порядка по электрон-фононной связи. В этом подходе электрон испускает виртуальный фонон, который немедленно поглощается другим электроном. Этот процесс является квантовой версией полуклассического качественного аргумента, приведенного в начале абзаца. Находим матричный элемент взаимодействия электронов вида:

Этот матричный элемент обычно положительный, что соответствует отталкивающему взаимодействию, но для этого члена становится отрицательным, что соответствует притягивающему взаимодействию. Эти притягивающие взаимодействия, создаваемые обменом виртуальными бозонами , не ограничиваются физикой конденсированного состояния. Другой пример - притягивающее взаимодействие между нуклонами в атомных ядрах посредством обмена мезонами, предсказанное Хидеки Юкавой. ∣ ϵ ( k ) - ϵ ( k + q ) ∣ ℏ ω q

Следствие наличия привлекательного взаимодействия

Леон Н. Купер предсказал, рассматривая два электрона в присутствии инертного моря Ферми со слабым притягивающим взаимодействием, что независимо от силы этого взаимодействия эти две частицы будут образовывать связанное состояние, называемое куперовской парой. Этот результат нетривиален, поскольку в квантовой механике известно, что в трех измерениях для двух изолированных частиц слишком слабое притягивающее взаимодействие не допускает образования связанных состояний (см. Ландау и Лифчиц, т.3). Присутствие моря Ферми , которое запрещает двум частицам занимать уровни энергии ниже энергии Ферми, является элементом, который допускает существование связанного состояния для слабого взаимодействия. Энергия этого связанного состояния компенсируется силой притяжения с существенной особенностью, указывая на то, что связанное состояние не может быть получено с помощью теории возмущений в электрон-электронном взаимодействии.

Расчет Купера открыт для критики, поскольку он учитывает только два электрона и предполагает, что другие электроны, находящиеся ниже поверхности Ферми, избегают эффекта взаимодействия. Теория БКШ преодолевает это возражение, рассматривая все электроны одинаково. Гамильтониан теории БКШ записывается во втором квантовании:

Бардин, Купер и Шриффер ввели вариационную волновую функцию для описания основного состояния этого гамильтониана вида:

Эта вариационная волновая функция описывает создание оператором куперовских пар . Таким образом, куперовская пара состоит из двух электронов с противоположным спином и противоположных квазиимпульсов. В более общем плане куперовская пара состоит из двух электронов в состояниях, связанных друг с другом обращением времени. Это свойство позволяет понять существование эффекта Мейснера в сверхпроводнике. Действительно, в присутствии магнитного поля вырождение между состояниями, связанными обращением времени, снимается, что снижает энергию связи куперовских пар. Чтобы сохранить свободную энергию, полученную при формировании куперовских пар, предпочтительно, когда магнитное поле достаточно слабое, чтобы вытеснить ее из сверхпроводника. За пределами определенного магнитного поля более выгодно разрушать сверхпроводимость либо локально (сверхпроводники типа II), либо глобально (сверхпроводники типа I). против k , ↑ † против - k , ↓ † ^ c _ ^ >

Волновая функция БКШ представляет собой определенную аналогию с волновыми функциями когерентных состояний гармонического осциллятора и, в более общем смысле, с волновыми функциями бозонных когерентных состояний. Эта аналогия показывает , в частности , что в основном состоянии гамильтониана суммы BCS: . Это свойство является признаком недиагонального порядка на большом расстоянии. Этот недиагональный порядок связан с нарушением калибровочной симметрии U (1). Действительно, если мы изменим фазы операторов рождения (что является симметрией гамильтониана BCS), мы изменим среднее значение параметра порядка. Волновая функция БКШ, которая имеет более низкую симметрию, чем гамильтониан БКШ, поэтому описывает спонтанное нарушение калибровочной симметрии. В теории Гинзбурга-Ландау , то параметр порядка , описывающий сверхпроводящее состояние пропорционален , как показана Л.П.Горьковой методов функций Грина. ⟨ против k , ↑ † против - k , ↓ † ⟩ ≠ 0 ^ c _ ^ \ rangle \ neq 0> ψ ⟨ против k , ↑ † против - k , ↓ † ⟩ ^ c _ ^ \ rangle>

Боголюбов и Валатин предложили более простой метод исследования гамильтониана BCS. Он основан на введении новых частиц преобразованием Боголюбова. П.У. Андерсон также представил метод, использующий операторы псевдоспинов. Наконец, можно переформулировать теорию БКШ, используя функции Грина и диаграммы Фейнмана.

После открытия сверхпроводимости было предпринято множество попыток объяснить столь необычные эффекты сверхпроводимости. Среди этих работ многие теории до сих пор сохранили свое значение. Так, в 1935 г. Ф. и Г. Лондоны, используя двухжидкостную модель, получили так называемые уравнения Лондонов, объясняющие многие макроскопические свойства сверхпроводников.

В 1950 г. В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау построили теорию сверхпроводимости, основанную на квантовой механике. Решением уравнений Гинзбурга – Ландау были объяснены и предсказаны многие свойства сверхпроводников, в том числе идеальный диамагнетизм, квантование магнитного потока и ряд других.

Несмотря на то, что теория Гинзбурга – Ландау, получившая дальнейшее развитие в работах А. А. Абрикосова и Л. П. Горькова, описывала многие свойства сверхпроводников, оно не могла объяснить явления сверхпроводимости на микроскопическом уровне.

Ответы на большинство вопросов дала теория, опубликованная Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером в 1957 г. – теория БКШ, раскрывшая микроскопический механизм сверхпроводимости. Исходным пунктом этой теории является представление о притяжении между электронами, находящимися вблизи уровня Ферми. Такое притяжение электронов возможно за счет их обмена фононами кристаллической решетки.

Купер показал, что при наличии между электронами притяжения, даже сколь угодно малого, нормальное состояние многоэлектронной системы становится неустойчивым из-за процесса спаривания. Электроны с противоположными импульсами и антипараллельными спинами объединяются в куперовские пары, обладающие меньшей энергией, чем отдельные нормальные электроны.

Рассмотрим, как осуществляется притяжение между электронами – одноименно заряженными частицами. Кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, которые притягивают электроны. Но и электроны притягивают ионы, смещая их от положения равновесия. Это смещение незначительно вследствие огромной разности масс иона и электрона, но оно существует: как говорят, решетка поляризуется. Такое смещение зарядов нарушает однородность поля ионов и может быть интерпретировано как появление положительного заряда. Этот виртуальный заряд притягивает другой электрон, находящийся поблизости. Область поляризации решетки не является неподвижной, она перемещается вместе с электроном, который ее формирует. Если такое притяжение будет преобладать над кулоновским отталкиванием, то электроны образуют пары. Взаимодействие электронов через решетку можно представить как результат испускания фонона одним электроном и поглощения другим (рис. 5.11, а).

Рис. 5.11. Образование куперовских пар: а – испускание и поглощение электронами

фонона; б – спектр сверхпроводника

Пусть Т = 0К и фононы решетки в кристалле отсутствуют. Первый электрон с импульсом испускает фонон q, который поглощается вторым электроном . Электроны после взаимодействия изменяют импульсы на и . При этом выполняется закон сохранения импульсов

или, соответственно, для волновых векторов

где , – волновые векторы электронов до взаимодействия;

, – векторы после взаимодействия.

Фонон q, о котором идет речь – необычный, виртуальный фонон. В отличие от обычного, он не перемещается свободно по решетке, а только от одного электрона к другому. Как мы уже отмечали, при нулевой температуре обычных фононов в решетке нет.

Поскольку куперовская пара содержит электроны с антипараллельными спинами, она имеет нулевой спин и является бозоном. Согласно распределению Бозе – Эйнштейна все пары занимают уровень Е_Ф – Δ (рис. 5.11, б). На рисунке для сравнения показаны энергетические спектры нормальной (левая часть) и сверхпроводящей фаз. Как можно видеть в СП-состоянии энергетический спектр имеет щель шириной, равной энергии связи пары 2Δ. При Т ≈ 0 ширина энергетической щели максимальна и равна

2Δ(0) = 3,5 kТ_С, (5.70)

где k – постоянная Больцмана.

Существование энергетической щели получило экспериментальное подтверждение, в частности, при исследовании спектра поглощения сверхпроводника в дальней ИК области. При частоте, для которой hν = 2Δ, начинается интенсивное поглощение излучения. Энергия 2Δ затрачивается на разрыв пары. При повышении температуры также возможны переход электронов через щель и образование над ней неспаренных электронов. Величина щели при этом уменьшается и при Т = Т_С щель исчезает.

Вблизи Т_С энергетическая щель изменяется с изменением температуры, согласно выражению

Δ(Т) = 1,74Δ(0)(1-Т/Т_С) 1/2 . (5.71)

Оценим размеры куперовской пары ξ₀ и их долю n_S в общем числе электронов. Для типичных значений СП: Е_Ф = 10 эВ, к_Ф = 10 8 см -1 и Т_С = =10К получаем ξ ≈ 10 -4 см. Это означает, что электроны в паре разнесены на 10 3 …10 4 периодов кристаллической решетки.

Концентрацию куперовских пар при Т = 0К можно определить интегрированием выражения (5.70). Она составляет 10 -4 от общей концентрации свободных электронов. При повышении температуры эта концентрация убывает и при Т = Т_С n_S = 0.

Как уже отмечалось, в отличие от отдельных электронов – фермионов, куперовские пары являются бозонами. Для них не существует постулата запрета Паули, т.е. куперовские пары находятся в одном состоянии и соответствуют друг другу по всем физическим параметрам. Волновые функции СП электронов являются когерентными, т.е. их фазы отличаются друг от друга на постоянную величину. Таким образом, куперовские пары (“бозе-конденсат”) представляют собой взаимосвязанный ансамбль.

В электрическом поле куперовские пары будут ускоряться, т.е. получать результирующий импульс из-за взаимосвязи между парами. Этот импульс должен быть абсолютно одинаковым для всех пар. Однако пара не может обмениваться энергией с решеткой, иначе она перейдет в другое энергетическое состояние, что запрещено условиями модели. Образно говоря, ансамбль принимает на себя это взаимодействиие, и, пока оно не велико, полный импульс ансамбля сохраняется, т.е. электрический ток не изменяется. Это означает, что перенос заряда через решетку осуществляется без сопротивления.

Если энергия воздействия становится больше, чем энергия связи (Т >Т_С, j>j_C, В>В_С), тогда связь пары разрушится и она покидает квантовый бозе-конденсат.

Теория БКШ обосновала многие эмпирические соотношения в сверхпроводимости.

Выше мы рассматривали свойства обычных низкотемпературных сверхпроводников (см. табл. 5.1). Здесь необходимо сказать об основных отличиях, которые имеют ВТСП.

1. Высокое значение температуры перехода лежит в области азотных температур (Т > 77К), что не объясняется существующей теорией БКШ.

2. Химические связи ВТСП. В отличие от НТСП, которые обладают металлической (металлы, сплавы) или ковалентной химической связью (полупроводники), ВТСП представляют собой оксиды. Характер связи приводит к тому, что в таких сверхпроводниках концентрация носителей меньше.

3. Нормальное удельное сопротивление (Т >Т_С) ВТСП соединений значительно больше, чем у обычных металлов, и сильно зависит от содержания кислорода.

4. В отличие от обычных НТСП, где температурный переход занимает максимум 1…2К, в ВТСП этот переход более 4К и зависит от способа приготовления образца

5. Длина когерентности Гинзбурга-Ландау в НТСП составляет
10 -6 м. Для ВТСП эта величина гораздо меньше – 0,5…30Аº. Напомним, что длина когерентности характеризует расстояния, на которых изменяется плотность сверхпроводящих пар. Такое малое значение длины когерентности в ВТСП приводит к необычным явлениям. В частности, двумерные (поверхностные) дефекты в ВТСП могут образовывать джозефсоновские барьеры.

Эти и другие замечания позволяют сделать вывод о том, что процессы в ВТСП подобны традиционным, однако существуют отличия, связанные, в основном, с малой длиной когерентности, большой глубиной проникновения магнитного поля и т.д., которые необходимо учитывать при проектировании приборов ВТСП микроэлектроники. Некоторые возможные приложения эффектов сверхпроводимости в криомикроэлектронике будут рассмотрены ниже (п. 10.2).

Рис. 5.11. Образование куперовских пар: а – испускание и поглощение электронами

фонона; б – спектр сверхпроводника

или, соответственно, для волновых векторов

где , – волновые векторы электронов до взаимодействия;

, – векторы после взаимодействия.

2Δ(0) = 3,5 kТ_С, (5.70)

где k – постоянная Больцмана.

Вблизи Т_С энергетическая щель изменяется с изменением температуры, согласно выражению

Δ(Т) = 1,74Δ(0)(1-Т/Т_С) 1/2 . (5.71)

Теория БКШ обосновала многие эмпирические соотношения в сверхпроводимости.

Загадочные квантовые явления до сих пор удивляют исследователей своим невообразимым поведением. Ранее мы говорили о сверхтекучести, сегодня же рассмотрим другое квантово-механическое явление – сверхпроводимость.

Что такое сверхпроводимость? Сверхпроводимость – это квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при строго нулевом электрическом сопротивлении тела.

Предыстория

В конце XIX – начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как кислород, азот, водород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры.

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом•м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом•м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно – эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Куперовская пара электронов, движущаяся сквозь решетку из положительных атомов. Первый электрон искажает решетку, создавая область повышенного положительного заряда, в которую втягивается второй электрон.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др.) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является бозоном. При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Момент Лондона

Еще одно интересное свойство сверхпроводника – момент Лондона. Суть феномена заключается в том, что вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, которое выравнивается точно вдоль оси вращения проводника.

Дальнейшее исследование этого явления привело к открытию гравити магнитного момента Лондона. В2006-м году исследователи Мартин Таджмар из института ARC Seibersdorf Research, Австрия, и Кловис де Матос из Европейского космического агентства (ESA) обнаружили, что вращающийся с ускорением сврехпроводник генерирует также и гравитационное поле. Однако такое гравитационное поле слабее земного примерно в 100 миллионов раз.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок – специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

Применение сверхпроводников

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Поезд на магнитном подвеске в Шанхае, Китай

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.

Читайте также: