12.4. Сверхпроводимость

В области низких температур наблюдается явление сверхпроводимости – резкого падения сопротивления материала. Впервые это явление было обнаружено в 1911 г. Камерлингом-Оннесом для ртути при температуре 4.2 К.

Экспериментально сверхпроводимость можно наблюдать двумя способами:

1. Включив в общую цепь звено из сверхпроводника. В момент перехода в сверхпроводящее состояние разность потенциалов на концах сверхпроводящего участка будет равна нулю.

2. Поместив кольцо из сверхпроводника в перпендикулярное к нему магнитное поле. Охладив кольцо ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, выключают поле. В результате в кольце индуцируется незатухающий электрический ток, циркулирующий бесконечно долго. Такой эксперимент был поставлен: кольцо поддерживали при необходимой температуре и ток в нем без стороннего поля наблюдался в течение двух лет. Далее эксперимент было решено прекратить.

Кроме отсутствия электрического сопротивления, для сверхпроводящего состояния вещества характерен так называемый эффект Мейснера: вытеснение магнитного поля из объема проводника. Формально это можно описать равенством нулю магнитной проницаемости веществаμ.

Теория сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Бардиным, Купером и Шиффером. Проведенные к настоящему моменту экспериментальные исследования подтверждают эту теорию. Суть ее заключается в следующем: в металле, помимо сил кулоновского отталкивания, между электронами возникает особый вид притяжения. При низких температурах это притяжение оказывается сильнее кулоновского отталкивания. В результате свободные электроны объединяются в так называемые куперовские пары. Электроны, входящие в пару имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин каждой пары оказывается равным нулю, то есть куперовская пара представляет собой бозон (см. раздел 10).

Энергетический спектр таких частиц будет отличаться от спектра электрона в атоме. При этом бозоны склонны существовать в основном энергетическом состоянии E₀и с большим трудом переходить в возбужденное состояниеE₁, поскольку для этого необходимо приложить достаточно большую энергию. Эта энергия называется энергией связи – она равна энергии, которую нужно затратить для разрушения связи. Таким образом, основное состояние куперовской пары и ее первое возбужденное состояние разделены промежутком, равным энергии связи этой пары. Значения энергииE, попадающие в промежуток отE₀ доE₁, будут запрещенными для куперовской пары (возникает запрещенная зона). Следовательно, куперовские пары, прядя в согласованное движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго.Такое согласованное движение купровских пар и есть ток сверхпроводимости.

Достаточно сильное магнитное поле B_k разрушает сверхпроводящее состояние материала. Существует также предельное значение токаI_k, который можно пропустить через сверхпроводник, не разрушив данное состояние. Такой ток достаточен, чтобы перевести куперовскую пару в возбужденное состояние, т.е. разрушить ее. При значениях тока, пропускаемого через сверхпроводник, меньшихI_kсистема не будет возбуждаться, что и будет равносильно протеканию тока без электрического сопротивления.

Для сверхпроводящего состояния вещества также наблюдается эффект Джозефсона – если два сверхпроводника разделить тонким слоем диэлектрика (~ 1 нм = 10^–9м) или металла в обычном несверхпроводящем состоянии, или тонким слоем полупроводника, то через этот тонкий слой будет течь сверхпроводящий ток. Эту прослойку называют контактом Джозефсона. Электроны преодолевают барьер несверхпроводящего материала благодаря туннельному эффекту.

Различают два эффекта Джозефсона – стационарный и нестационарный. Если ток не превышает определенного значения, называемого критическим током контакта, то наблюдается стационарный эффект, при котором падение напряжения на контакте отсутствует. Если ток через контакт превышает критическое значение, то наблюдается нестационарный эффект Джозефсона. В этом случае на контакте возникает разность потенциалов U, и контакт начинает испускать электромагнитное излучение, частота которого равна:

(12.14)

Объясняется это излучение с квантовой точки зрения следующим образом: электронная пара, имеющая заряд 2e, проходя разность потенциаловU, приобретает энергию2eU. Эта энергия и отдается сверхпроводником в виде излучения с соответствующей частотой.

Эффект Джозефсона применяют для измерения малых токов (до 10^–10А), напряжений (до 10^–15В), магнитных полей (до 10^–18Тл) и др.

Т.О., эффекты Джозефсона, как же как эффект квантования магнитного потока, подтверждают, что сверх проводимость является чисто квантовым эффектом, проявляющимся в макроскопических масштабах