Главная | Обратная связь

Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона

При далёких от абсолютного нуля температурах квантовая теория электропроводности металлов приводит к результатам, мало отличающимся от результатов классической теории электропроводности. Действительно, в результате действия приложенного к металлу внешнего электрического поля изменяется (в силу принципа Паули) движение лишь небольшой части электронов с энергиями, близкими к энергии Ферми, и поэтому вся кривая распределения электронов по скоростям, симметричная в отсутствие внешнего электрического поля, сдвигается точно так же, как это было бы в классическом случае (рис. 20.3).

Однако при температурах, близких 0 K, в ряде металлов возникает имеющее полностью квантовую природу явление, получившее название сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г. голландским физиком Камерлинг-Онессом, обнаружившим, что при охлаждении ртути до температуры 4,15 К её сопротивление скачком падает до нуля (рис. 20.4). Возбужденный в сверхпроводнике электрический ток сохраняется неопределенно долгое время (проводились опыты продолжительностью два с половиной года) без сколько-нибудь заметного уменьшения его величины.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) T_кр для металлов и сплавов, в которых наблюдается явление сверхпроводимости, колеблется в пределах от 0,1 К до 23,2 К (у сплава Nb₃Ge).

Явление сверхпроводимости получило теоретическое объяснение в 1957 г. в работах американских ученых Бардина, Купера и Шриффера (теория БКШ). Основная идея построенной ими теории состоит в том, что поляризация кристаллической решетки приводит к возникновению некоторой силы притяжения между электронами. Такие согласованно движущиеся пары электронов, имеющие противоположно направленные спины, (куперовские пары) могут существовать лишь при очень низких температурах (тепловое движение разрушает их) и ведут себя как бозоны, поскольку спин куперовской пары равен нулю. При близких к абсолютному нулю температурах практически все куперовские пары будут находиться в основном (с минимальной энергией) состоянии, поскольку на бозоны действие принципа Паули не распространяется. Наличие электрического тока в металле означает, что электронные пары движутся относительно кристаллической решетки.

Рассмотрим это движение в системе отсчета, в которой пары покоятся, а движется относительно них кристаллическая решетка. Наличие электрического сопротивления означало бы, что решетка обменивается энергией с куперовскими парами. Для этого, однако, необходима конечная энергия, которой решётка при не слишком быстром движении (т.е. при не слишком большой силе тока) не обладает. Если решетка не обладает такой энергией, состояние куперовских пар не может измениться, ток не изменяется и после отключения его источника и, следовательно, металл оказывается сверхпроводником. Непосредственные измерения величины заряда носителей тока в сверхпроводниках подтвердили его равенство двойному электронному заряду в соответствии с гипотезой о существовании куперовских пар.

В 1986 г. практически одновременно в Швейцарии и США была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость керамических композиционных материалов. Первые композиции содержали три основных компонента: барий, лантан и медь. Исследовалось несколько различного состава композиций, например: Ba_xLa_1-x, CuO_3-y (где x = 0,2 или 0,15; а y – нефиксированная величина). На одном из составов керамической композиции наблюдалась сверхпроводимость при температуре 70 К, т.е. почти на 50 К выше, чем у сплава Nb₃Ge. Некоторое время спустя, заменив лантан на иттрий, американские ученые повысили Т_кр ещё на 30 К. В настоящее время работы по повышению Т_кр высокотемпературных сверхпроводников продолжаются.

Для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости предложено множество гипотез. Однако, её теория к настоящему времени практически не разработана. Следует отметить также, что керамические композиции нестабильны по составу, а материалы из них нетехнологичны – только в лабораторных условиях их получают не только в виде таблеток, но и проволок. Поэтому для практических целей используются пока что низкотемпературные сверхпроводники. Уже существуют охлаждаемые гелием сверхпроводящие кабели, сверхпроводящие обмотки электромагнитов позволяют получать очень сильные магнитные поля в малых объемах. Примеры использования мощных магнитов – в генераторах тока, в лабораторном термоядерном реакторе «Токамак» и т. д. Очень перспективным является использование сверхпроводников в вычислительной технике.

Помимо отсутствия электрического сопротивления сверхпроводники отличаются от металлов в обычном состоянии тем, что магнитное поле не проникает в их толщу. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то магнитная индукция внутри сверхпроводника оказывается равной нулю (эффект Мейснера), т.е. можно сказать, что для сверхпроводников магнитная проницаемость m = 0, так что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками. Следует отметить, однако, что достаточно сильное магнитное поле приводит к разрушению сверхпроводящего состояния. Магнитное поле, вызывающее при данной температуре переход сверхпроводника в нормальное состояние, называется критическим полем В_кр. С понижением температуры величина критического поля возрастает (рис. 20.5).

Поскольку электрический ток, текущий по сверхпроводнику, и сам создает магнитное поле, при достаточно большой величине этого тока проводник теряет сверхпроводящие свойства.

На основе теории сверхпроводимости английский физик Б.Джозефсон в 1962 году предсказал эффект, названный его именем. Эффект Джозефсона (обнаружен в 1963 г.) заключается в протекании сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (контакт Джозефсона), разделяющий два сверхпроводника (рис. 20.6).

В случае отсутствия напряжения на контакте через него протекает постоянный ток (стационарный эффект Джозефсона). Если же к джозефсоновскому контакту приложить постоянное напряжение U, то через контакт потечёт высокочастотный переменный ток (нестационарный эффект Джозефсона). Частота этого тока определяется выражением:

, (20.17)

где e – заряд электрона, ћ – постоянная Планка. Эффект Джозефсона обусловлен тем, что куперовские пары, создающие сверхпроводящий ток, проникают сквозь контакт путём туннельного эффекта.

Эффект Джозефсона используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10^-18 Тл), токов (до 10^-10 А) и напряжений (до 10^-15 В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ, усилителей и т.д.