Надпровідність

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Зображення:Style-stub.gif Цій статті слід надати енциклопедичного стилю, і, при потребі, відформатувати, використовуючи мову розмітки Вікі.
Ви можете допомогти проекту, зробивши це!


Надпровідністьквантове явище протікання електричного струму у твердому тілі без втрат. Явище надпровідності було відкрито в 1911 році голландським науковцем Камерлінґ-Оннесом (Heike Kamerlingh Onnes). За це відкриття він був нагороджений в 1913 році Нобелівською премією. Це явище на Землі існує тільки в штучних умовах, створених людиною і не існує в «вільній» природі.

Сучасні фізичні дослідження не можна уявити без новітнього технічного обладнання, тому зараз фізики — це більш техніки, ніж філософи. Відкриття в сучасному фізичному світі відбуваються, як правило, в областях, які штучно створює людина. Надпровідність одне з таких явищ, виявлення якого стало можливим лише при достатньому рівні розвитку техніки, а точніше техніки низьких температур.

[ред.] Передумови відкриття

Середина 18-го століття і його кінець відзначились освоєнням області наднизьких температур. Досліджуючи явища, що відбуваються в газах, фізики ввели поняття «абсолютний нуль» температури. Підрахувавши, до якої від'ємної температури треба охолодити газ, щоб в нього зупинився всякий тепловий рух молекул, отримали, що температура повинна бути −273 °C, точніше −273,15 °C. Пізніше поняття абсолютний нуль розповсюдилось на всі стани речовини: тверді та рідкі. Будь-яке охолодження речовини — це відбір у нього енергії. При охолодженні енергії у тіла залишається все менше і менше, тобто знижується його температура. При цьому уповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується амплітуда коливань атомів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в рідинах та газах) та вільних електронів (в металах та напівпровідниках). Останні приєднуються до іонізованих позитивних атомів. Вважалося, що при досягненні абсолютного нуля вся можлива енергія відібрана у речовини і більше енергії відібрати не можна. При цьому будь-який рух в тілі припиняється (за виключенням обертання електронів навколо ядра в атомі). Іншими словами, при −273 °C молекули і атоми речовини мають найменшу енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла ні при якому охолодженні.

Дослідження властивостей тіл при температурах, близьких до абсолютного нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що вивчає цю галузь, називається кріогенікою. Шлях до кріогенних температур лежить через скраплення газів. Скраплений газ при випаровуванні відбирає енергію у тіла, яке занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових холодильниках, де скраплений газ фреон випаровується в морозильнику.

В кінці 18 століття, на початку 19 століття вже були скраплені багато газів: кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався скрапленню гелій, при цьому очікувалось, що він допоможе досягти самої низької температури. Успіху в скрапленні гелію досяг Камерлінг-Оннес, який працював в Лейденському університеті (Голландія). Скраплений гелій дозволив досягти рекордно низької температури — близько 4 К. Камерлінг-Оннес, коли отримав рідкий гелій, почав займатись вивченням властивостей різних матеріалів при гелієвих температурах.

Одним із запитань, що цікавило вченого, було вивчення опору металів при наднизьких температурах. Було відомо, що з ростом температури R зростає. Отже, можна очікувати, що із зменшенням температури R буде зменшуватись. А до якої межі?

Тут могло б бути три варіанта.

  1. При абсолютному нулі R→0. Дійсно, струм — це потік електронів, що проходить через кристалічну ґратку провідника. При ненульових температурах атоми в ґратці здійснюють коливання навколо центру рівноваги, між вільними електронами та атомами відбувається зіткнення (розсіювання). Звернемо увагу на два наслідки такого зіткнення. По-перше, електрони втрачають свою енергію, отриману від електричного поля джерела ЕРС. По-друге, вони відхиляються від початкового напрямку. Ці два наслідки відображаються в зменшенні струму, тобто в виникненні опору. При зниженні температури амплітуда коливань атомів зменшується, а значить, зменшується і ймовірність розсіювання на них електронів, тобто падає опір. Така модель довгий час задовольняла фізиків і якби залежність R(Т) пішла б по цьому варіанту, то це було б сприйнято з розумінням.
  2. Однак критики попередньої теорії звертали увагу на те, що опір R обумовлений зіткненням електронів не тільки з атомами, що коливаються. Електрони з успіхом можуть розсіюватися і на нерухомих атомах. Тобто. розсіювання зменшиться, але зовсім не зникне, тому R ≠ 0. Крім того існує можливість розсіювання електронів на дефектах ґраток.
  3. Третій варіант: електрони «заморожуються» на атомних орбітах. Електронів провідності не залишається, R зростає до ∞.

[ред.] Теорії надпровідності

Як бачимо, теоретично можна допустити різні варіанти, але дійсність, як часто буває, суперечить планам і теоріям. Експериментуючи зі ртуттю Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і знизив температуру ще. При досягненні Т = 4,2° К прилад перестав фіксувати R. Оннес міняв прилади в дослідній установці, оскільки побоювався їх несправності, але прилади незмінно показували нульовий опір, незважаючи на те, що до абсолютного нуля не вистачало ще 4 К.

Явище надпровідності було відкрито в 1911 році. За це видатне досягнення Камерлінг — Оннеса було нагороджено в 1913 році Нобелівською премією. До теперішнього часу явище вже достатньо досліджене і встановлено, що перехід в надпровідний стан здійснюється у деяких металів і навіть сплавів, але при різних критичних температурах Тk.

Al 1,2 K°
In 3,37 K°
V 5,3 K°
Pb 7,2 K°
Ca — Bi — Si — O 120 K°

В останньому випадку говорять про високотемпературну надпровідність. В теперішній час дослідження проводяться в напрямку пошуку матеріалів, які переходять в надпровідний стан при більш високих температурах, максимально наближених до кімнатних. Якщо в замкнутому контурі, що знаходиться в надпровідному стані створити електричний струм, то він буде протікати тижні і навіть роки, не зменшуючись. Після відкриття надпровідності в ртуті з'явилась велика кількість запитань:

  • надпровідність властива ртуті і іншим матеріалам;
  • опір знижується до нуля або ж він настільки малий, що прилади, які існують, не можуть його виміряти, і багато інших.

Оннес запропонував оригінальний дослід непрямого визначення, до якого рівня знижується R. В представленому надпровідному ланцюгу збуджувався електричний струм, який, як було встановлено по відхиленню магнітної стрілки, не згасав багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника одержали близько 10-25 Ом•м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді — ρCu =1.5۰10-8 Ом•м, видно, що питомий опір надпровідника на 17 порядків менший, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0. Перейдемо до механізму надпровідності та його пояснення. Перш за все необхідно чітко зрозуміти, що явище надпровідності — це макроскопічне (видиме) проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть займати тільки дискретне положення, яким відповідають дискретне значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо ми перейти до макроскопічного тіла, де концентрація електронів більш ніж 1022 см-3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми бачимо повне поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами. Для прикладу розглянемо дощ. Всі знають, що дощ — це падаючі краплі води. Але крапель так багато, що розрізнити та побачити взаємодію кожної з них з поверхнею землі неможливо. Однак, коли з крану серед ночі, коли відсутні всі сторонні шуми, вода краплями падає в стакан, то ми розрізняємо момент падіння кожної краплі окремо. При низьких температурах, коли припиняються теплові коливання атомів (шуми) в ґратці, починають проявлятися квантові властивості електронів. Це так, як стук годинника не чути вдень, а вночі він не дає заснути, тому що інші звуки відсутні. Розглянемо будову твердих тіл. Їх відмінною особливістю є наявність кристалічної ґратки (решітки): так умовно називають періодично розміщені атоми речовини. Фонони. Між атомами існують пружні сили, що не дозволяють атомам відділятись або наближатись ближче деякого rкрит.


Однак, при кімнатних температурах атоми здійснюють коливання навколо положення рівноваги; таким чином, в ґратці постійно присутній коливальний рух, а кожний атом можна розглядати в вигляді маятника, що здійснює рівномірні коливання навколо точки рівноваги. Відміна від класичного маятника заключається в тому, що атом — це «квантовий маятник». Справа в тому, що дійсно енергія атому може змінюватись тільки порціями — квантами, з енергією, де — це частота поглинутого або випромененого кванту. При кімнатній температурі величина близька до kT — повної енергії атома, що коливається. При зниженні температури, здавалося б, амплітуда коливань повинна прямувати до нуля. Однак, сучасні дослідження показують, що атоми і при Т = 0 будуть здійснювати коливання. Це «нульові коливання атомів», котрі не зникають ніколи. Пружні сили, що примушують атоми коливатись, можна представити в вигляді пружин, які з'єднують атоми. Якщо один із атомів одержить добавку енергії , говорять, що проходить збудження атома. Додаткові коливання будуть передаватись по пружним зв'язкам — пружинкам до сусідніх атомів. Збудження буде поширюватись в кристалі в вигляді пружної хвилі.


Однак по законам квантової механіки збудження атомів будуть передавати енергію порціями квантами. Така порція збудження, що поширюється по кристалу, називається квазічастинкою, або фононом. Фонон — квант збудження кристалічної ґратки. Кількість фононів зростає з ростом температури. Фонони, рухаючись по кристалу, стикаються один з одним, з електронами, з дефектами кристалічної решітки. Електрони. Розглянемо рух електронів в металі при кімнатній температурі. Основний вид руху хаотично-тепловий. При цьому υ = 107см/c. Цей рух нагадує броунівський рух молекул газу чи рідини. Багато разів за секунду електрон змінює напрямок руху, його енергія і імпульс змінюються при цьому через взаємодію з атомами, тобто з фононами і з іншими електронами. При наявності різниці потенціалів характер руху дещо зміниться: електрони, що хаотично рухалися під дією теплової енергії, набувають направленого руху в напрямку позитивного (вищого) потенціалу. Картину можна уявити як хаотичний рух людей в натовпі, які повільно переміщуються в будь-яку сторону. Теорія БКШ. Фізики напружено працювали над створенням теорії надпровідності і приблизно за 50 років з 1911 до 1957 року загальні властивості були сформовані. В 1957 році Бардін, Купер, Шиффер запропонували мікроскопічну теорію надпровідності, за яку в 1972 році одержали Нобелівську премію. Основною ідеєю теорії БКШ є те, що електрони провідності (вільні носії заряду) при певних температурах з'єднуються в пари, що називаються «Куперівськими». Зв'язок в таких парах достатньо сильний, і пари, рухаючись по ґратці, допомагають один одному уникнути розсіювання. Притягнення між від'ємно зарядженими електронами важко уявити, оскільки загальновідоме Кулонівське відштовхування між однойменно зарядженими частками. Однак такі відштовхування безумовно виникають між ізольованими електронами. В ґратці при низьких температурах, коли коливання атомів у вузлах практично зупинилось, може спостерігатись інше явище.


При русі електрона вздовж атомів кристалічної ґратки виникає елктростатичне відштовхування між ним та від'ємними електронними оболонками атомів. Ці оболонки деформуються, віддаляючись від електрону, який вільно рухається. Можна сказати, що атоми поляризуються. Тобто біля розглядуваного електрону формується позитивний заряд. Цей позитивний заряд буде рухатись — супроводжувати збуджуючий електрон. До сформованого таким чином позитивного просторового заряду притягуватиметься якийсь інший електрон, що теж буде рухатись синхронно з позитивним зарядом, а, отже, синхронно з першим електроном. Утворилася так звана «куперівська пара» електронів. Другий електрон в розглянутій парі сам є збудником іншого позитивного заряду в тій області, де він рухається. Тим самим, він об'єднується з третім електроном, той — з четвертим і так далі. Електронний газ (так іноді називають вільні електрони в металі) при досягненні надпровідності перетворюється в «куперівську рідину».

Розглянуте явище на квантовому рівні можна описати так: електрони взаємодіють з ґраткою і приводять її в збуджений стан. Зворотній перехід ґратки в нормальний стан супроводжується випромінюванням енергії, що поглинається іншими електронами. Або: перший електрон випромінює фонон, рухаючись в ґратці. Другий електрон цей фонон поглинає. Обмін фононами і створює притягування між електронами. Які ж електрони мають здібності об'єднуватися в Куперівські пари? Тільки ті, у яких рівні за модулем (Р1=Р2) та протилежні імпульси (Р1 = Р2), і у яких протилежні спіни — власні механічні моменти. Із рівності і протилежності імпульсів одержали, що нова квазі-частка «Куперівська пара» має Ркуп. = 0, і спін рівний нулю. Не слідує думати, що в Куперівській парі електрони близько розташовані один від одного. Розмір пари досить великий 10-6м = 1мкм. Якщо врахувати, що між атомами відстань близько 10 А, тобто 1 нм, то одержимо, що між куперівськими електронами близько 1000 атомних відстаней. Таким чином, куперівська пара знаходиться в мікрооб'ємі, що представляє куб зі стороною в 1000 атомів. В цьому об'ємі вміщується 103103103 = 109 атомів і стільки ж, а то і більше, електронів. Куперівські пари перекриваються один з одним в межах мікрооб'єму — в межах всього кристалу, так, що поведінка всієї куперіської рідини стає скорельованою. При цьому розсіювання електронів становиться неможливим. Припиняється втрата енергії електронами при розсіюванні, а також деформація траєкторій руху. Розсіювання — це не обов'язково пряме зіткнення, це, як правило, відхилення траєкторії під дією яких-небудь об'єктів кристалічної ґратки. Так наприклад, якщо електрони рухаються мимо центру розсіювання в складі пари, або краще сказати в складі «Куперівської рідини», то взаємодія електронів з іншими електронами сильніше, ніж взаємодія з центром розсіювання, і електрони обходять центр розсіювання, після чого відновлюють попередню траєкторію руху завдяки взаємодії з іншими електронами. Тобто відбувається рух електронів без розсіювання.

Якщо до такого кристалу прикласти електричне поле, то всі пари електронів отримають один і той же імпульс і почнуть рухатись в одному і тому ж напрямку, з деякою дрейфовою швидкістю. При цьому рух всіх Куперівських пар буде строго скорельований. Розсіювання електронів буде відсутнє, тобто опір провідника дорівнюватиме нулю.