Сверхпроводимость

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1. повышение температуры;
2. действие достаточно сильного магнитного поля;
3. достаточно большая плотность тока в образце.

С повышением температуры  до некоторой T_с почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

Зависимость критической температуры сверхпроводимости от напряженности внешнего магнитного поля. Критическая температура максимальна в отсутствие внешнего магнитного поля и снижается при увеличении его напряженности. При некоторой напряженности внешнего поля Н_км, называемой критической Т_к = 0. Другими словами, в полях, равных или больших Н_км, сверхпроводящее состояние в веществе не возникает ни при каких температурах. Такое поведение сверхпроводников иллюстрируется кривой Н_к (Т) (рисунок 2). Каждая точка этой кривой дает величину критического внешнего поля Н_к при данной температуре Т < Т_к, вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза → нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.

Рисунок 2. Зависимость критического поля сверхпроводника от температуры.

Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой:

,где В₀ - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Эффект  Мейсснера

Другим важным магнитным  свойством сверхпроводников является их диамагнетизм. Внутри сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, индукция равна нулю. Если же сверхпроводник помещен в магнитное поле при температуре выше критической, то при охлаждении ниже Т_с магнитное поле «выталкивается» из сверхпроводника и его индукция в этом случае также равна нулю.

Этот эффект был обнаружен  Мейсснером и Оксенфельдом в 1933 г. Магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если этот образец при температурах более высоких, чем  Т_с, то в нем, как и во всяком нормальном металле, помещенном во внешнем поле, напряженность будет отличной от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле будет вытолкнуто из сверхпроводника и станет справедливым равенство В = 0 ( В - магнитная индукция, равная, по определению, средней напряженности магнитного поля в веществе). При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В=μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества. При    μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В<Н. В сверхпроводниках В=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. Если сверхпроводящий образец поместить во внешнее поле, то в поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.

Существование стационарных сверхпроводящих токов обнаруживается в следующем эксперименте: если над  металлическим сверхпроводящим  кольцом поместить сверхпроводящую  сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий незатухающий ток. Его возникновение приводит к  диамагнитному эффекту и возникновению  сил отталкивания между кольцом  и сферой, в результате будет наблюдаться  парение сферы над кольцом.

. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Разрушение сверхпроводимости  внешним магнитным полем и  идеальный диамагнетизм сверхпроводников связаны с тем, что для сохранения сверхпроводящего состояния суммарный  импульс (кинетическая энергия) электронов должен быть меньше определенного значения. В силу этого существует определенная предельная (критическая) плотность тока j_c выше которой сверхпроводимость нарушается и появляется конечное электросопротивление. Идеальный диамагнетизм сверхпроводника объясняется тем, что приложенное магнитное поле индуцирует на поверхности сверхпроводника токи, не испытывающие сопротивления. Эти токи циркулируют таким образом, что магнитный поток внутри сверхпроводника уничтожается. Таким образом, внешнее магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника, а находится на очень небольшой глубине (так называемой глубине проникновения) порядка 10^-8-10^-9 м, где протекает незатухающий той. Глубина проникновения поля в образец является одной из основных характеристик сверхпроводника. При увеличении внешнего магнитного поля экранирующие токи должны возрастать, для того чтобы сохранить диамагнетизм сверхпроводника. Если внешнее поле достаточно сильно, токи достигнут критического значения и вещество перейдет в нормальное состояние. Экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в вещество. Глубина проникновения магнитного поля (при постоянном поле) возрастает с температурой и стремится к бесконечности при Т → T_с, что соответствует переходу в нормальное состояние.

Тем не менее, был обнаружен класс веществ, сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях и при  сильных токах.

Квантовая основа

В 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером была построена последовательная теория сверхпроводящего состояния, получившая название БКШ (по начальным буквам фамилий авторов). Было выявлено, что взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. При определенных условиях  оно приводит к его отсутствию, т.е эффекту сверхпроводимости.

Основные положения теории:

1. В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами – звуковые кванты, колебания решётки кристалла) связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.

Электрон, движущийся в кристалле и   взаимодействующий с другим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты - фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих  электронов антипараллельны.

2. Возникновение сверхпроводящего  состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов (куперовские пары). Проявление сил притяжения можно представить. В результате деформации решетки. Электрон  оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, притягивающегося  к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему, которая будет притягиваться к другому электрону.