НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ
«КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
РЕФЕРАТ
На тему: «Сверхпроводники»
с предмета «Твердотельная электроника»
выполнил студент группы ДС-31
Вережевич Александр
КИЕВ 2014
Содержание
История открытия……………………………………………………………………….2
Теоретическое объяснение эффекта……………………………………………………5
Свойства………………………………………………………………………………….7
Применение сверхпроводимости……….……….…………….………………………10
История открытия
Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 годуфранцузский инженерЛуи Кайетеи швейцарский физикРауль Пиктенезависимо друг от друга охладиликислороддо жидкого состояния. В1883 годуЗигмунт ВрублевскииКароль Ольшевскивыполнили сжижениеазота. В1898 годуДжеймсу Дьюаруудалось получить ижидкий водород.
В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой10 июля1908 годаим был полученжидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойствметаллов, в частности, для измерения зависимости ихэлектрического сопротивленияот температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям[1], сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и металл совсем перестанет проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесом со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако8 апреля1911 годаон неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около −270 °C)электрическое сопротивлениертутипрактически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий спад сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.
В 1912 годубыли обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах:свинециолово. В январе1914 годабыло показано, что сверхпроводимость разрушается сильныммагнитным полем. В1919 годубыло установлено, чтоталлийиурантакже являются сверхпроводниками[2][3].
Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытыйВальтером МейснеромиРобертом Оксенфельдомв1933 году.
Первое теоретическое объяснение сверхпроводимостибыло дано в1935 годуФрицемиХайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в1950 годуЛ. Д. ЛандауиВ. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна кактеория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в1957 годув работе американских физиковДжона Бардина,Леона КупераиДжона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей названиетеории БКШ, являются так называемыекуперовские пары электронов.
Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа(к ним, в частности, относится ртуть) иII типа(которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работыЛ. В. Шубниковав 1930-е годы иА. А. Абрикосовав 1950-е.
Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в1960 годупод руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
В 1962 годуанглийским физикомБрайаном Джозефсономбыл открытэффект, получивший его имя.
В 1986 годуКарл МюллериГеорг Беднорцоткрыли новый тип сверхпроводников, получивших названиевысокотемпературных[4]. В начале1987 годабыло показано, что соединениялантана,стронция,медиикислорода(La—Sr—Cu—O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипенияжидкого азота(77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединениеиттрия,бария,медиикислорода(Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400кбарто же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К[5].
В 2008 году произошло[1][2]открытиенового класса сверхпроводящих соединенийс высокими значениями критической температуры Tc— слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либоSe, так называемых ферропниктидов илиселенидов железа. Впервые было констатировано сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих магнитные атомы (Fe). Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомовAsилиSe, что подавляет магнитные свойства атомовFe. На данный момент рекордсменом по значению Tcявляется соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его Tcдостигает 55 К.
Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю MgB2(диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δбольшая/kBТспо оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 — 6.
В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C)[6][7].
Теоретическое объяснение эффекта
Полностью удовлетворительная микроскопическая теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует[15].
Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга — Ландау, стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине XX века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, былатеория Бардина — Купера — Шриффера, созданная ими в 50-е годы XX столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 годуНобелевской премии. При создании своей теории авторы опирались наизотопический эффект, то есть влияние массыизотопана критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работыфононногомеханизма.
Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу — объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Фермиметалла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.
Основную проблему для теории БКШ представляет существование высокотемпературной сверхпроводимости, которую этой теорией описать не получается.
Свойства