Методические указания к лабораторным работам Троицк 2009

ООО «Магнитные и криоэлектронные системы»

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Методические указания к лабораторным работам

Троицк 2009

Введение

Явление сверхпроводимости (СП), открытое в 1911 году голландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом, заключается в переходе вещества при низких температурах в новое состояние, которое характеризуется отсутствием электрического сопротивления, выталкиванием магнитного поля (эффект Мейснера), а также аномалией тепловых и других свойств. С тех пор сверхпроводящие свойства при температурах £ 23К были обнаружены более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов. В 1986 году И. Беднорц и К. Мюллер обнаружили и описали появление сверхпроводимости у минералов из класса перовскитов при температуре 35К. В дальнейшем класс перовскитов (оксидная керамика) стал изучаться более тщательно, и в 1987 году было найдено соединение иттрия, бария, меди и кислорода (YBа₂ Сu₃ O₇ ) температура перехода в сверхпроводящее состояние у которого составляла 90К. В настоящее время существует целый новый класс веществ (купраты различных металлов), сохраняющих сверхпроводящие свойства при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота (77К). Сверхпроводимость при Т > 77,4К называется высокотемпературной, а сами вещества - высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) [1].

Через 46 лет после открытия явления сверхпроводимости в 1957 году Д. Барден, Л. Купер и Р. Шриффер разработали микроскопическую теорию этого явления (теория БКШ). Согласно этой теории сверхпроводимость материалов с Тс £ 23К объясняется появлением в веществе спаренных электронов (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Спариванию электронов благоприятствовало то, что при этом все вещество переходило в состояние с более низкой энергией. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий бозе - конденсат, который не взаимодействует с кристаллической решеткой. Сверхпроводимость керамик ВТСП не имеет до настоящего времени полного теоретического объяснения, и, возможно, объясняется взаимодействием электронов с какими-либо другими квазичастицами.

Для некоторого упрощения можно рассматривать СП как смесь двух электронных жидкостей – нормальной и сверхпроводящей. Нормальная электронная жидкость имеет те же свойства, что и электроны в нормальном металле, а сверхпроводящая электронная жидкость течет без трения. Обе жидкости равномерно перемешаны по проводнику, причем доля куперовских пар зависит, только от температуры. Когда металл охлаждается до появления первых куперовских пар, то металл начинает проявлять свойства СП. Температура, при которой происходит переход из нормального состояния образца в сверхпроводящее, называется критической и обозначается Тс. При охлаждении образца ниже критической температуры его сопротивление резко уменьшается и падает до нуля. Происходит это потому, что обычный проводник с данного момента эквивалентен электрической схеме из двух параллельно соединенных сопротивлений, одно из которых обратилось в ноль при “сверхпроводящем“ переходе. Нулевое сопротивление как бы шунтирует цепь, и весь ток течет по сверхпроводящей ветви. Значит, какова бы ни была плотность куперовских пар, если она есть, то мы не можем заметить нормальную ветвь и регистрируем только нулевое сопротивление на проводнике, т. е. состояние сверхпроводимости. При этом, чем больше плотность куперовских пар, тем больший сверхпроводящий ток способна пропустить цепь. Величина Тс и ширина температурного перехода ∆Т являются важнейшими параметрами ВТСП образца.

У СП существует критическая плотность тока Iс выше которой пропадает свойство сверхпроводимости. Если по СП пропускать ток, то этот транспортный ток, так же как и для нормальных проводников, создает свое магнитное поле вокруг проводника, причем, с увеличением тока растет и напряженность магнитного поля. Но если даже не пропускать по СП ток, а только помещать его во внешнее магнитное поле, то и это поле столь же разрушительно действует на сверхпроводник, как и транспортный ток по нему. По мере нарастания напряженности внешнего магнитного поля значения Тс и Iс уменьшаются. Когда напряженность поля становится больше некоторого значения, СП не может проводить ток даже при температурах, равных нулю. Такое поле называется максимальным критическим полем и обозначается Нс(0).

Сочетание критических параметров – температуры Тс, поля Н_с и транспортного тока Iс для конкретного СП – называется фазовой диаграммой СП и представляется поверхностью в координатах Т-Н-I. Фазовая поверхность отделяет область сверхпроводящих состояний от области нормальных состояний металла. Область существования сверхпроводящей фазы лежит под поверхностью. Ключевые свойства являются следствием минимизации энергии вещества в сверхпроводящем состоянии. Величины Тс, Нс и Iс являются значениями при которых уже энергетически выгоден распад куперовских пар и пропадание сверхпроводимости.

За последние 40 лет сверхпроводники из объекта физических исследований превратились в практически используемые материалы. Появились новые обла

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать