Сверхпроводимость

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное  тепловое движение отбрасывает частицы  друг от друга, что фактически уменьшает силы притяжения. При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики. Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга, если находятся в пустоте. В среде же сила их взаимодействия равна:

, где ε-диэлектрическая проницаемость среды. Если среда такова, что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

Кристаллическая решетка и является той средой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.

3. Расстояние между электронами пары равно:

, где h - постоянная Планка, u_F - скорость электрона на уровне Ферми, k – постоянная Больцмана, Т_c–температура перехода в сверхпроводящее состояние. Оценка показывает, что  δ=10 см, т.е. электроны, образующие пару, находятся на расстоянии  порядка  10⁴ периодов  кристаллической решетки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив, простирающийся на громадные, по атомным масштабам, расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское  отталкивание между электронами преобладает  над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным. Если же при температуре Т  происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания, то вещество переходит в cверхпроводящее состояние.

4. 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 решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Рассмотренный ранее механизм перехода в сверхпроводящее состояние  основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть за счет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40⁰ К.

Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с Т_c>90⁰К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме.

В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В. Л. Гизбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Т_c=200 К).

Сверхпроводники I и II рода

Сверхпроводники с малой  глубиной проникновения (резкое затухание  магнитного поля у поверхности) называются мягкими сверхпроводниками, или  сверхпроводниками I рода. Для мягких сверхпроводников (олово, ртуть, цинк, свинец) температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние составляет около 0,05 К. Имеются также жесткие сверхпроводники, или сверхпроводники II рода. Сверхпроводники II рода характеризуются более высокими значениями критических полей и большей шириной температурной области перехода в сверхпроводящее состояние. Для жестких сверхпроводников (ниобий, рений) температурный интервал сверхпроводящего перехода составляет около 0,5 К.

Среди чистых металлов сверхпроводниками  II рода являются ниобий и ванадий, остальные металлы - сверхпроводники I рода.

Фундаментальным различием  между сверхпроводниками I и II рода является знак поверхностной энергии между нормальной и сверхпроводящей фазами. В сверхпроводниках II рода эта энергия отрицательна. В силу этого в таких сверхпроводниках в полях, меньших критического, возможно возникновение нормальных (несверхпроводящих) областей, отделенных от сверхпроводящих областей границами, параллельными внешнему магнитному полю. Появление таких нормальных областей (линий магнитного потока) может привести к снижению свободной энергии тела если граничная энергия отрицательна. В сверхпроводниках I рода с положительной граничной энергией появление нормальных областей энергетически невыгодно, поэтому сверхпроводники I рода остаются полностью в сверхпроводящем состоянии в полях, меньших критического.

Для всех проводников I рода величина индукции критического поля не превышает 100 мТл.

Сверхпроводник II рода при некотором минимальном внешнем магнитном поле, называемом нижним критическим полем Н_к1 распадается на смесь нормальных и сверхпроводящих областей. Такое состояние сверхпроводника называется смешанным. Проникновение магнитного поля в объем сверхпроводника приводит к тому, что в этих условиях транспортный ток распределяется равномерно по всему сечению, не занятому вихревыми нитями. Таким образом, в отличие от сверхпроводников I рода, в которых ток протекает по тонкому поверхностному слою, в сверхпроводники II рода транспортный ток проникает во всем объеме. Размер областей сверхпроводника в смешанном состоянии составляет около 10^-8 м. Напряженность внешнего поля, до которого сохраняется смешанное состояние сверхпроводника, называется верхним критическим полем Н_к2. Нормальные области в смешанном состоянии располагаются в объеме сверхпроводника периодически, образуя так называемую решетку линий магнитного потока. Нормальные области являются линиями магнитного потока, так как магнитное поле проникает в нормальную фазу. С увеличением внешнего магнитного поля выше Н_к1 линии магнитного потока сближаются, появляются новые линии и, поскольку каждая линия является носителем магнитного потока, средняя плотность магнитного потока (т. е. индукция) в образце увеличивается. При достижении верхнего критического поля Н_к2 линии магнитного потока объединяются и суммарная плотность потока в материале от нормальной фазы и от поверхностных диамагнитных токов становится равной потоку от внешнего магнитного поля, т. е. материал переходит в нормальное состояние. В смешанном состоянии в сверхпроводниках II рода не происходит выталкивания магнитного потока.

Рисунок 3. Эффект Мейснера в шаре из проводника при Т>Т_с (шар в нормальном состоянии); силовые линии магнитного поля проникают в сверхпрводник.

Рисунок 4. Эффект Мейснера в шаре из проводника при Т<Т_с (шар в сверхпроводящем состоянии); магнитное поле полностью выталкивается из шара.

Рисунок 5. Смешанное состояние шара-сверхпроводника II рода при величине магнитного поля Н_с1<Н<Н_с2; Т<Т_с.

Наиболее высокие значения критических полей и плотностей тока достигаются у сверхпроводников II рода, содержащих микроструктурные неоднородности с характерным размером больше атомного. Этими неоднородностями могут быть дислокации или дислокационные петли, частицы второй фазы, микропоры и т. п. Препятствуя смещению линий магнитного потока, структурные неоднородности способствуют, таким образом, сохранению сверхпроводящего состояния при более высоких значениях магнитного поля и плотности тока. С формальной точки зрения закрепление линий магнитного потока на дислокациях, частицах второй фазы и т. п. аналогично закреплению доменных границ в ферромагнетиках на дислокациях или частицах второй фазы.

Применение  сверхпроводников

Использование явления сверхпроводимости  открывает широкие возможности в технике.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных  полей - порядка 100 000 э и выше. Сильные магнитные поля необходимы, например, при управлении плазменными пучками  в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий. В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение  обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода  с током в такой обмотке  находится в очень сильном  магнитном поле соседних витков, поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода, выдерживающие большие магнитные поля.