Сверхпроводимость

Явление сверхпроводимости, открытое голландским ученым Г. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. на ртути, заключается в обращении в нуль сопротивления вещества при температурах ниже некоторой критической Т_кр.. Открытию способствовало ожижение гелия, которое было впервые осуществлено Камерлинг-Оннесом в 1908. В 1986 г. был достигнут существенный прогресс на оксидных сложных соединениях (впервые получена в Швейцарии высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O Беднорцем и Мюллером), максимальный успех наблюдается пока на соединениях TlCa₄Ba₃Cu₆O_x - Т_кр.=162 К. В принципе в настоящее время сверхпроводимость обнаружена в металлах, в сложных оксидах (могут быть и монокристаллы) и даже в органических материалах.

Экспериментально сверхпроводимость можно наблюдать следующими способами:

1) достаточно включить сверхпроводник в общую электрическую цепь; в момент перехода этого участка цепи в сверхпроводящее состояние разность потенциалов на его концах станет равной нулю;

2) можно поместить кольцо из сверхпроводника в перпендикулярное к нему магнитное поле. Охладив кольцо ниже Т_кр, поле выключают. В результате в кольце индуцируется незатухающий электрический ток, который, несмотря на отсутствие магнитного поля, циркулирует неограниченно долго (эксперимент в Англии показал наличие неизменного тока в течение 2 лет, и только забастовка транспортников, не доставивших жидкий гелий, прервала опыт).

В рамках классической физики понять нулевое сопротивление вещества невозможно. Однако, в квантовой физике, при переходе к микрообъектам, незатухающим токовым состоянием является, к примеру, вращение электронов по стационарным боровским орбитам в атомах. Поэтому интуитивно можно сказать, что сверхпроводимость связана с квантовыми эффектами (эту идею высказал еще Камерлинг-Оннес в 1913 г. при получении Нобелевской премии). По сути сверхпроводимость - это проявление квантовых эффектов в макроскопических масштабах.

В атоме наблюдается квантование момента импульса электрона

m u r = n (h / 2p) (n =1, 2, 3...). (11.16)

Ток в сверхпроводящем кольце (т.к. r=const, то квантоваться должна скорость упорядоченного движения носителей заряда u):

2pr = nh/mu или 2pr = nl, (11.17)

то есть на длине проволочного кольца укладывается целое число длин волн де-Бройля (l). Этим состояниям будет соответствовать определенная скорость электронов u и соответствующая сила тока в кольце, а также значение магнитного потока, созданного этим током. Таким образом, магнитный поток Ф через площадку, охваченную кольцом, кратен определенной величине Ф₀: Ф=nФ₀. Квантование магнитного потока сверхпроводящего кольца с током наблюдалось экспериментально (1961 г.).

При этом оказалось, что , где q - заряд носителя, равный 2 e. То есть напрашивается вывод о переносе заряда парами электронов.

Теория низкотемпературной сверхпроводимости была разработана к 1957 году Бардиным, Купером, Шриффером (теория БКШ, удостоенная Нобелевской премии 1972 года), рис.11.7, и Боголюбовым.

Поиск по сайту: