Fövqəlkeçiricilik nəzəriyyələrinin qısa icmalı və yüksək temperaturda superkeçiricilik problemləri təhlil edilir. Məktəb ensiklopediyası Superkeçiricilik fenomeni nədir

Superkeçiricilik - bəzi materialların müəyyən bir dəyərdən (kritik temperatur) aşağı temperatura çatdıqda ciddi şəkildə sıfır elektrik müqavimətinə malik olma xüsusiyyəti. Həddindən artıq keçirici vəziyyətə çevrilən bir neçə onlarla təmiz element, ərintilər və keramika məlumdur. Superkeçiricilik kvant hadisəsidir. O, həmçinin maqnit sahəsinin superkeçiricinin həcmindən tam yerdəyişməsindən ibarət olan Meissner effekti ilə xarakterizə olunur. Bu effektin mövcudluğu onu göstərir ki, superkeçiriciliyi klassik mənada sadəcə olaraq ideal keçiricilik kimi təsvir etmək olmaz.

1986-1993-cü illərdə açılış. bir sıra yüksək temperaturlu superkeçiricilər (HTSC) superkeçiriciliyin temperatur həddini geriyə itələdi və superkeçirici materialları təkcə maye helium temperaturunda (4,2 K) deyil, həm də mayenin qaynama nöqtəsində praktiki olaraq istifadə etməyə imkan verdi. azot (77 K), daha ucuz kriogen maye.

YouTube Video

Kəşf tarixi

Superkeçiricilik fenomeninin kəşfi üçün əsas materialların ultra aşağı temperaturlara qədər soyudulması texnologiyalarının inkişafı idi. 1877-ci ildə fransız mühəndisi Louis Cayette və isveçrəli fizik Raul Pictet müstəqil olaraq oksigeni maye vəziyyətə saldılar. 1883-cü ildə Zygmunt Wróblewski və Karol Olszewski azotu mayeləşdirdilər. 1898-ci ildə James Dewar maye hidrogen əldə edə bildi.

1893-cü ildə holland fiziki Heike Kamerlingh Onnes ultra aşağı temperatur problemini öyrənməyə başladı. O, 10 iyul 1908-ci ildə maye heliumu əldə etdiyi dünyanın ən yaxşı kriogen laboratoriyasını yaratmağı bacardı. Daha sonra onun temperaturunu 1 dərəcə Kelvinə çatdırmağı bacarıb. Kamerlingh Onnes metalların xassələrini öyrənmək, xüsusən də onların elektrik müqavimətinin temperaturdan asılılığını ölçmək üçün maye heliumdan istifadə edib. O dövrdə mövcud olan klassik nəzəriyyələrə görə, temperaturun azalması ilə müqavimət tədricən aşağı düşməlidir, lakin çox aşağı temperaturda elektronların praktiki olaraq dayanacağı və cərəyanı tamamilə dayandıracağına dair bir fikir də var idi. Kamerlinq Onnesin köməkçiləri Kornelis Dorsman və Gilles Holst ilə apardığı təcrübələr əvvəlcə müqavimətin hamar azalması ilə bağlı qənaəti təsdiqlədi. Lakin 8 aprel 1911-ci ildə o, gözlənilmədən 3 dərəcə Kelvində (təxminən -270 °C) civənin elektrik müqavimətinin praktiki olaraq sıfır olduğunu kəşf etdi. Mayın 11-də aparılan növbəti təcrübə göstərdi ki, sıfıra qarşı müqavimətdə kəskin sıçrayış təxminən 4,2 K temperaturda baş verir (sonralar daha dəqiq ölçmələr bu temperaturun 4,15 K olduğunu göstərdi). Bu təsir tamamilə gözlənilməz idi və o zaman mövcud olan nəzəriyyələrlə izah edilə bilməzdi.

1912-ci ildə aşağı temperaturda superkeçirici vəziyyətə keçən daha iki metal aşkar edildi: qurğuşun və qalay. 1914-cü ilin yanvarında superkeçiriciliyin güclü maqnit sahəsi tərəfindən məhv edildiyi göstərildi. 1919-cu ildə tallium və uranın da superkeçiricilər olduğu aşkar edilmişdir.

Sıfır müqavimət superkeçiriciliyin yeganə fərqləndirici xüsusiyyəti deyil. Superkeçiricilər və ideal keçiricilər arasındakı əsas fərqlərdən biri 1933-cü ildə Valter Meissner və Robert Ochsenfeld tərəfindən kəşf edilmiş Meissner effektidir.

Superkeçiriciliyin ilk nəzəri izahı 1935-ci ildə Fritz və Heinz London tərəfindən verilmişdir. Daha ümumi bir nəzəriyyə 1950-ci ildə L. D. Landau və V. L. Ginzburq tərəfindən qurulmuşdur. O, geniş yayılıb və Ginzburg-Landau nəzəriyyəsi kimi tanınır. Lakin bu nəzəriyyələr fenomenoloji xarakter daşıyırdı və fövqəlkeçiriciliyin təfərrüatlı mexanizmlərini açıqlamayıb. Superkeçiricilik ilk dəfə 1957-ci ildə Amerika fizikləri Con Bardin, Leon Kuper və Con Şrifferin işində mikroskopik səviyyədə izah edilmişdir. Onların nəzəriyyəsinin BCS nəzəriyyəsi adlanan mərkəzi elementi Kuper elektron cütləri adlanan elektronlardır.

Sonradan məlum oldu ki, superkeçiricilər iki böyük ailəyə bölünür: I tip superkeçiricilər (bunlara xüsusilə civə daxildir) və II tip (bunlar adətən müxtəlif metalların ərintiləridir). 1930-cu illərdə L.V.Şubnikovun və 1950-ci illərdə A.A.Abrikosovun işi II tip superkeçiriciliyin kəşfində mühüm rol oynamışdır.

Yüksək güclü elektromaqnitlərdə praktik tətbiqlər üçün böyük əhəmiyyət kəsb edən 1950-ci illərdə güclü maqnit sahələrinə tab gətirə bilən və yüksək cərəyan sıxlığı daşıya bilən superkeçiricilərin kəşfi idi. Beləliklə, 1960-cı ildə J.Künzlerin rəhbərliyi ilə Nb3Sn materialı kəşf edildi, ondan 4,2 K temperaturda sıxlığı 100 kA/sm²-ə qədər olan cərəyanı maqnitdə olan teldən keçirə bildi. sahəsi 8,8 T.

1962-ci ildə ingilis fiziki Brayan Cozefson onun adını alan effekti kəşf etdi.

1986-cı ildə Karl Müller və Georg Bednorz yüksək temperaturlu superkeçiricilər adlanan yeni tip superkeçiricilər kəşf etdilər. 1987-ci ilin əvvəlində göstərildi ki, lantan, stronsium, mis və oksigen birləşmələri (La-Sr-Cu-O) 36 K temperaturda keçiricilikdə demək olar ki, sıfıra sıçrayır. 1987-ci ilin mart ayının əvvəlində superkeçirici əldə edilmişdir. ilk dəfə maye azotun qaynamasından (77,4 K) yuxarı temperaturda: itrium, barium, mis və oksigen birləşməsinin (Y-Ba-Cu-O) bu xüsusiyyətə malik olduğu aşkar edilmişdir. 1 yanvar 2006-cı il tarixinə rekord 2003-cü ildə kəşf edilmiş Hg-Ba-Ca-Cu-O(F) keramika birləşməsinə aiddir, onun kritik temperaturu 138 K. Bundan başqa, 400 kbar təzyiqdə eyni birləşmə 166 K-ə qədər temperaturda superkeçiricidir.

YouTube Video

Superkeçirici vəziyyətə faza keçidi

Təmiz nümunələr üçün superkeçirici vəziyyətə keçidin temperatur diapazonu Kelvinin mində birindən çox deyil və buna görə də Tc-nin müəyyən bir dəyəri - superkeçirici vəziyyətə keçid temperaturu məna kəsb edir. Bu dəyər kritik keçid temperaturu adlanır. Keçid intervalının eni metalın heterojenliyindən, ilk növbədə çirklərin və daxili stresslərin mövcudluğundan asılıdır. Hal-hazırda məlum olan Tc temperaturları maqnezium (Mg) üçün 0,0005 K ilə niobium və germaniumun intermetal birləşmələri üçün (Nb3Ge, filmdə) üçün 23,2 K və aşağı temperaturlu superkeçiricilər üçün maqnezium diborid (MgB2) üçün 39 K (77 K-dən aşağı Tc) arasında dəyişir. , maye azotun qaynama nöqtəsi), tərkibində civə olan yüksək temperaturlu superkeçiricilər üçün təxminən 135 K. Hal-hazırda HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) fazası kritik temperaturun məlum olan ən yüksək dəyərinə malikdir - 135 K və 350 min atmosfer xarici təzyiqdə keçid temperaturu 164 K-ə qədər yüksəlir ki, bu da mövcud temperaturdan cəmi 19 K aşağıdır. Yer səthində təbii şəraitdə qeydə alınan minimum temperatur. Beləliklə, superkeçiricilər öz inkişafında metal civədən (4,15 K) civə tərkibli yüksək temperaturlu superkeçiricilərə (164 K) keçdilər.

Bir maddənin superkeçirici vəziyyətə keçməsi onun istilik xüsusiyyətlərinin dəyişməsi ilə müşayiət olunur. Lakin bu dəyişiklik sözügedən superkeçiricilərin növündən asılıdır. Beləliklə, Tc keçid temperaturunda maqnit sahəsi olmadıqda I tip superkeçiricilər üçün keçid istiliyi (udma və ya buraxılma) sıfıra düşür və buna görə də II tip faza keçidi üçün xarakterik olan istilik tutumunda sıçrayışa məruz qalır. . Superkeçiricinin elektron alt sisteminin istilik tutumunun bu temperaturdan asılılığı, superkeçiricinin əsas vəziyyəti ilə elementar həyəcanların səviyyəsi arasında elektronların paylanmasında enerji boşluğunun mövcudluğunu göstərir. Superkeçirici vəziyyətdən normal vəziyyətə keçid tətbiq olunan maqnit sahəsinin dəyişdirilməsi ilə həyata keçirildikdə, istilik udulmalıdır (məsələn, nümunə istilik izolyasiyalıdırsa, onda onun temperaturu azalır). Və bu, 1-ci dərəcəli faza keçidinə uyğundur. II tip superkeçiricilər üçün istənilən şəraitdə superkeçiricilikdən normal vəziyyətə keçid II tipli faza keçidi olacaqdır.

Meissner effekti

Süperkeçiricinin sıfır elektrik müqavimətindən daha vacib bir xüsusiyyəti, superkeçiricinin maqnit axını B = 0 itələməsindən ibarət olan Meissner effektidir. Bu eksperimental müşahidədən belə nəticəyə gəlinir ki, superkeçiricinin daxilində xarici tətbiq olunan maqnit sahəsinə əks olan daxili maqnit sahəsi yaradan və onu kompensasiya edən davamlı cərəyanlar mövcuddur.

Müəyyən bir temperaturda kifayət qədər güclü maqnit sahəsi maddənin superkeçirici vəziyyətini məhv edir. Verilmiş temperaturda maddənin həddindən artıq keçirici vəziyyətdən normal vəziyyətə keçməsinə səbəb olan Hc intensivliyi olan maqnit sahəsinə kritik sahə deyilir. Superkeçiricinin temperaturu azaldıqca Hc dəyəri artır. Kritik sahənin temperaturdan asılılığı ifadə ilə yaxşı dəqiqliklə təsvir edilmişdir

burada Hc0 sıfır temperaturda kritik sahədir. Sıxlığı kritikdən böyük olan elektrik cərəyanı superkeçiricidən keçdikdə superkeçiricilik də yox olur, çünki o, kritikdən daha böyük bir maqnit sahəsi yaradır.

London anı

Fırlanan superkeçirici fırlanma oxu ilə dəqiq uyğunlaşdırılmış bir maqnit sahəsi yaradır, nəticədə yaranan maqnit momenti "London anı" adlanır. O, xüsusilə, fırlanma oxlarını müəyyən etmək üçün dörd superkeçirici giroskopun maqnit sahələrinin ölçüldüyü Gravity Probe B elmi peykində istifadə edilmişdir. Giroskopların rotorları demək olar ki, mükəmməl hamar kürələr olduğundan, London anından istifadə onların fırlanma oxunu təyin etmək üçün bir neçə üsuldan biri idi.

Superkeçiriciliyin tətbiqləri

Yüksək temperaturda superkeçiriciliyin əldə edilməsində mühüm irəliləyiş əldə edilmişdir. Metal keramika əsasında, məsələn, YBa2Cu3Ox tərkibi əsasında, superkeçirici vəziyyətə keçidin Tc temperaturu 77 K-dən (azotun mayeləşdirilməsinin temperaturu) çox olan maddələr əldə edilmişdir.

Superkeçiricilik fenomeni güclü maqnit sahələri yaratmaq üçün istifadə olunur, çünki güclü cərəyanlar superkeçiricidən keçərkən güclü maqnit sahələri yaradan zaman istilik itkisi olmur. Bununla belə, maqnit sahəsinin superkeçiricilik vəziyyətini məhv etdiyinə görə, güclü maqnit sahələrini əldə etmək üçün sözdə maqnit sahələri istifadə olunur. II tip superkeçiricilər, burada superkeçiriciliyin və maqnit sahəsinin birgə mövcudluğu mümkündür. Belə superkeçiricilərdə bir maqnit sahəsi nümunəyə nüfuz edən normal metalın nazik saplarının görünüşünə səbəb olur, hər biri maqnit axını kvantını daşıyır. İplər arasındakı maddə superkeçirici olaraq qalır. II tip superkeçiricilərdə tam Meissner effekti olmadığı üçün superkeçiricilik Hc2 maqnit sahəsinin daha yüksək qiymətlərinə qədər mövcuddur.
Superkeçiricilərə əsaslanan foton detektorları var. Bəziləri kritik cərəyanın mövcudluğundan istifadə edir, onlar həm də Josephson effektindən, Andreev əksindən və s. istifadə edirlər. Beləliklə, İQ diapazonunda tək fotonları qeyd etmək üçün superkeçirici bir fotonlu detektorlar (SSPD) mövcuddur ki, bu da detektorlara nisbətən bir sıra üstünlüklərə malikdir. digər qeydiyyat metodlarından istifadə etməklə oxşar diapazonda (PMT-lər və s.).
II tip superkeçiricilərdəki burulğanlar yaddaş hüceyrələri kimi istifadə edilə bilər. Bəzi maqnit solitonlar artıq oxşar tətbiqlər tapmışdır. Mayelərdəki burulğanları xatırladan daha mürəkkəb iki və üç ölçülü maqnit solitonlar da var, yalnız onlarda cərəyan xətlərinin rolunu elementar maqnitlərin (domenlərin) düzüldüyü xətlər oynayır.

Metallarda elektronlar
İzotop effektinin kəşfi o demək idi ki, superkeçiricilik kristal qəfəsdəki keçirici elektronlar və atomlar arasında qarşılıqlı təsir nəticəsində yaranıb. Bunun necə super keçiriciliyə səbəb olduğunu anlamaq üçün metalın strukturuna baxmaq lazımdır. Bütün kristal bərk cisimlər kimi metallar da kosmosda ciddi qaydada düzülmüş müsbət yüklü atomlardan ibarətdir. Atomların yerləşdirilmə sırasını divar kağızı üzərində təkrarlanan nümunə ilə müqayisə etmək olar, lakin naxış üç ölçüdə təkrarlanmalıdır. Keçirici elektronlar kristalın atomları arasında işıq sürətinin 0,01-dən 0,001-ə qədər sürətlə hərəkət edir; onların hərəkəti elektrik cərəyanıdır.

Məqalənin məzmunu

superkeçiricilik, bəzi bərk elektrik keçirici maddələrin aşağı temperaturda çevrildiyi vəziyyət. Superkeçiricilik bir çox metallarda və ərintilərdə və artan sayda yarımkeçirici və keramika materiallarında aşkar edilmişdir. Maddənin superkeçirici vəziyyətində müşahidə olunan ən təəccüblü iki hadisə superkeçiricidə elektrik müqavimətinin yox olması və maqnit axınının xaric olmasıdır ( santimetr. aşağıda) həcmindən. İlk təsir erkən tədqiqatçılar tərəfindən sonsuz böyük elektrik keçiriciliyinin sübutu kimi şərh edildi, buna görə də super keçiricilik adı verildi.

Elektrik müqavimətinin itməsi superkeçirici materialın halqasında elektrik cərəyanını həyəcanlandırmaqla nümayiş etdirilə bilər. Üzük lazımi temperatura qədər soyudulursa, o zaman halqadakı cərəyan ona səbəb olan cərəyan mənbəyi çıxarıldıqdan sonra da qeyri-müəyyən müddətə mövcud olacaqdır. Maqnit axını maqnit sahəsini meydana gətirən maqnit qüvvə xətlərinin məcmusudur. Sahənin gücü müəyyən bir kritik dəyərdən aşağı olsa da, axın Şəkil 1-də sxematik şəkildə göstərilən superkeçiricidən çıxarılır. 1.

Elektrik cərəyanını keçirən bərk cisim elektronların hərəkət edə bildiyi kristal qəfəsdir. Şəbəkə həndəsi cəhətdən düzgün ardıcıllıqla düzülmüş atomlardan əmələ gəlir və hərəkət edən elektronlar atomların xarici qabıqlarından gələn elektronlardır. Elektronların axını elektrik cərəyanı olduğu üçün bu elektronlara keçirici elektronlar deyilir. Əgər keçirici normal (qeyri-keçirici) vəziyyətdədirsə, onda hər bir elektron digərlərindən asılı olmayaraq hərəkət edir. Hər hansı bir elektronun hərəkət etmək və buna görə də elektrik cərəyanını saxlamaq qabiliyyəti onun qəfəslə, eləcə də bərk cisimdəki çirk atomları ilə toqquşması ilə məhdudlaşır. Bir keçiricidə elektron cərəyanının olması üçün ona gərginlik tətbiq edilməlidir; bu o deməkdir ki, dirijorun elektrik müqaviməti var. Əgər keçirici superkeçirici vəziyyətdədirsə, onda keçirici elektronlar birləşərək "kollektiv" kimi davrandıqları bir makroskopik qaydada nizamlanırlar; Bütün "komanda" xarici təsirlərə də reaksiya verir. Elektronlarla qəfəs arasında toqquşmalar qeyri-mümkün olur və yaranan cərəyan xarici cərəyan mənbəyi (gərginlik) olmadıqda mövcud olacaqdır. Superkeçirici vəziyyət keçid temperaturu adlanan temperaturda kəskin şəkildə baş verir. Bu temperaturdan yuxarı metal və ya yarımkeçirici normal vəziyyətdə, ondan aşağı isə super keçirici vəziyyətdədir. Müəyyən bir maddənin keçid temperaturu iki “əks qüvvə” arasındakı əlaqə ilə müəyyən edilir: biri elektronları nizamlamağa, digəri isə bu nizamı pozmağa meyllidir. Məsələn, mis, qızıl və gümüş kimi metallarda nizamlanma meyli o qədər azdır ki, bu elementlər mütləq sıfırdan yalnız Kelvinin milyonda bir neçəsi olan temperaturda belə superkeçiricilərə çevrilmir. Mütləq sıfır (0 K, –273,16° C) maddənin bütün istiliyini itirdiyi aşağı temperatur həddidir. Digər metallar və ərintilər 0,000325 ilə 23,2 K arasında dəyişən keçid temperaturlarına malikdir ( cədvələ baxın). 1986-cı ildə qeyri-adi yüksək keçid temperaturu olan keramika materiallarından superkeçiricilər yaradılmışdır. Beləliklə, keramika nümunələri üçün YBa 2 Cu 3 O 7 keçid temperaturu 90 K-dən çox olur.

Fiziklər superkeçirici vəziyyəti makroskopik kvant mexaniki vəziyyət adlandırırlar. Adətən maddənin davranışını mikroskopik miqyasda təsvir etmək üçün istifadə edilən kvant mexanikası burada makroskopik miqyasda tətbiq edilir. Məhz buradakı kvant mexanikasının maddənin makroskopik xassələrini izah etməyə imkan verməsi superkeçiriciliyi belə maraqlı hadisəyə çevirir.

Açılış.

Metal haqqında bir çox məlumat xarici gərginlik və onun yaratdığı cərəyan arasındakı əlaqədən gəlir. Ümumiyyətlə, bu münasibət bərabərlik formasına malikdir V/I = R, Harada V- gərginlik, I- cari və R- elektrik müqaviməti. Bu qanuna görə (Ohm qanunu) elektrik cərəyanı istənilən dəyərdə gərginliyə mütənasibdir R, bu mütənasiblik əmsalıdır.

Müqavimət adətən cərəyandan müstəqildir, lakin temperaturdan asılıdır. 1908-ci ildə maye heliumu əldə edərək, Leiden Universitetindən (Hollandiya) Q.Kamerlinq-Onnes maye heliuma batırılmış təmiz civənin müqavimətini ölçməyə başladı və aşkar etdi (1911) maye helium temperaturunda civənin müqaviməti sıfıra enir. Sonradan məlum oldu ki, bir çox başqa metallar və ərintilər də aşağı temperaturda super keçirici olur.

Növbəti mühüm kəşf 1933-cü ildə alman fiziki V.Meysner və onun əməkdaşı R.Oxsenfeld tərəfindən edilmişdir. Onlar kəşf etdilər ki, silindrik nümunə uzununa maqnit sahəsinə yerləşdirilir və keçid temperaturundan aşağı soyudulursa, o, maqnit axınını tamamilə xaric edir. Meysner effekti, bu fenomen adlandırıldığı kimi, mühüm kəşf idi, çünki o, fiziklərə superkeçiriciliyin kvant mexaniki hadisə olduğunu aydınlaşdırdı. Əgər superkeçiricilik yalnız elektrik müqavimətinin yox olmasından ibarət idisə, o zaman bunu klassik fizikanın qanunları ilə izah etmək olardı.

SÜPERKEÇİCİLƏRİN XÜSUSİYYƏTLƏRİ

Fiziki ədəbiyyatda müxtəlif şəraitdə superkeçirici və ya qeyri-keçirici vəziyyətdə ola bilən maddələr və ya materiallar çox vaxt superkeçiricilər adlanır. Eyni sadə (eyni atomlardan ibarət) metal, ərinti və ya yarımkeçirici bəzi temperatur diapazonlarında və ya xarici maqnit sahələrində super keçirici ola bilər; temperaturda və ya daha yüksək kritik dəyərlərin sahələrində adi (adətən normal adlanır) keçiricidir.

Meissner effektinin kəşfindən sonra superkeçiricilərlə çoxlu təcrübə aparıldı. Tədqiq olunan xüsusiyyətlər arasında:

1) Kritik maqnit sahəsi - superkeçiricinin normal vəziyyətdə olduğu sahə dəyəri. Kritik sahələr adətən superkeçiricidən və onun metalofizik vəziyyətindən asılı olaraq bir neçə on qausdan bir neçə yüz min qaussa qədər dəyişir. Verilmiş superkeçiricinin kritik sahəsi temperaturla dəyişir, artdıqca azalır. Keçid temperaturunda kritik sahə sıfır, mütləq sıfırda isə maksimumdur (şək. 2).

2) Kritik cərəyan - superkeçiricinin superkeçirici vəziyyətini itirmədən dözə biləcəyi maksimum birbaşa cərəyan. Kritik maqnit sahəsi kimi, kritik cərəyan da temperaturdan güclü şəkildə asılıdır, artdıqca azalır.

3) Penetrasiya dərinliyi - maqnit axınının superkeçiriciyə nüfuz etdiyi məsafə. Nüfuz dərinliyi temperaturun bir funksiyası olduğu ortaya çıxır və müxtəlif materiallarda dəyişir: 3H 10-6 ilə 2H 10-5 sm arasında maqnit axını səth təbəqəsində dolaşan cərəyanlar tərəfindən çıxarılır, qalınlığı. təxminən nüfuz dərinliyinə bərabərdir.

Maqnit axınının niyə itələdiyini anlamaq üçün, yəni. Meissner effektinə səbəb olan şey, bütün fiziki sistemlərin minimum enerji ilə bir vəziyyətə meyl etdiyini xatırlamalıyıq. Maqnit sahəsi müəyyən enerjiyə malikdir. Bir maqnit sahəsində superkeçiricinin enerjisi artır. Lakin superkeçiricinin səth təbəqəsində cərəyanların yaranması səbəbindən yenidən azalır. Bu cərəyanlar kənardan tətbiq olunan sahəni kompensasiya edən bir maqnit sahəsi yaradır. Superkeçiricinin enerjisi xarici bir maqnit sahəsinin olmaması ilə müqayisədə daha yüksəkdir, lakin sahənin onun içərisinə nüfuz etdiyi vəziyyətdən daha aşağıdır.

Maqnit axınının tam çıxarılması bütün superkeçiricilər üçün enerji baxımından faydalı deyil. Bəzi materiallarda, maqnit axını xətlərinin bəziləri materiala qismən nüfuz edərsə, maqnit sahəsinin olmadığı və maqnit sahəsinin olmadığı superkeçirici bölgələrin və normal bölgələrin mozaikasını meydana gətirərsə, maqnit sahəsində minimum enerji vəziyyəti əldə edilir.

4) Koherens uzunluğu - elektronların bir-biri ilə qarşılıqlı əlaqədə olduğu, superkeçirici vəziyyət yaradan məsafə. Koherens uzunluğunda olan elektronlar bir-birinə uyğun hərəkət edir - ardıcıl (sanki “addımda”). Müxtəlif superkeçiricilər üçün koherens uzunluğu 5×10-7 ilə 10-4 sm arasında dəyişir.

5) Xüsusi istilik tutumu - 1 q maddənin temperaturunu 1 K artırmaq üçün tələb olunan istilik miqdarı. Superkeçiricinin xüsusi istilik tutumu superkeçirici vəziyyətə keçid temperaturu yaxınlığında kəskin şəkildə artır və azaldıqca kifayət qədər tez azalır. temperatur. Beləliklə, keçid bölgəsində superkeçirici vəziyyətdə olan maddənin temperaturunu artırmaq üçün normal vəziyyətdə olduğundan daha çox istilik tələb olunur və çox aşağı temperaturda bunun əksi doğrudur. Xüsusi istilik tutumu ilk növbədə keçirici elektronlar tərəfindən təyin olunduğundan, bu fenomen elektronların vəziyyətinin dəyişdiyini göstərir.

Superkeçiricilik NƏZƏRİYYƏLƏRİ

1957-ci ilə qədər eksperimental məlumatları izah etmək cəhdlərinin əksəriyyəti fenomenoloji xarakter daşıyırdı: onlar süni fərziyyələrə və ya mövcud nəzəriyyələrin boş modifikasiyasına əsaslanırdı və eksperimentlə razılığa nail olmağa yönəldilmişdir. Birinci növ cəhdlərə misal olaraq keçid temperaturunda keçirici elektronların bir hissəsinin müqavimət göstərmədən hərəkət etmək qabiliyyətini əldə etdiyini irəli sürən iki maye modelini göstərmək olar. Bu model kritik sahənin temperaturdan asılılığını, kritik cərəyanı və nüfuz dərinliyini izah edir, lakin fenomenin özünü fiziki anlamağa heç nə vermir, çünki belə qismən superkeçiriciliyi izah etmir.

1935-ci ildə nəzəri fiziklər F. və Q. London qardaşları fövqəlkeçiriciliyi makroskopik kvant effekti kimi nəzərdən keçirməyi təklif etdikdə irəliləyiş əldə edildi. (Əvvəllər yalnız atom miqyasında müşahidə olunan kvant effektləri məlum idi - 10 -8 sm.) Londonlar elektromaqnetizmin klassik tənliklərini elə dəyişdirdilər ki, Meysner effekti, sonsuz keçiricilik və məhdud nüfuzetmə ilə nəticələndi. dərinlik. 1950-ci illərin əvvəllərində Kembric Universitetindən A. Pippard göstərdi ki, belə bir kvant vəziyyəti əslində makroskopikdir, 10 –4 sm-ə qədər məsafələri əhatə edir, yəni. Atom radiusundan 10.000 dəfə.

Bu səylər vacib olsa da, onlar superkeçiriciliyə səbəb olan əsas qarşılıqlı əlaqənin mahiyyətinə çata bilmədilər. Bu qarşılıqlı təsirin təbiətinin bəzi əlamətləri 1950-ci illərin əvvəllərində, eyni elementin müxtəlif izotoplarından hazırlanmış metalların superkeçirici keçidinin temperaturunun eyni olmadığı aşkar edildikdə ortaya çıxdı. Məlum oldu ki, atom kütləsi nə qədər çox olarsa, keçid temperaturu da bir o qədər aşağı olur. (Eyni elementin izotopları eyni sayda elektron, lakin müxtəlif nüvə kütlələrinə malikdir.) İzotop effekti göstərdi ki, keçid temperaturu kristal qəfəsin atomlarının kütləsindən asılıdır və buna görə də superkeçiricilik sırf elektron effekt deyil.

Metallarda elektronlar.

İzotop effektinin kəşfi o demək idi ki, superkeçiricilik kristal qəfəsdəki keçirici elektronlar və atomlar arasında qarşılıqlı təsir nəticəsində yaranıb. Bunun necə super keçiriciliyə səbəb olduğunu anlamaq üçün metalın strukturuna baxmaq lazımdır. Bütün kristal bərk cisimlər kimi metallar da kosmosda ciddi qaydada düzülmüş müsbət yüklü atomlardan ibarətdir. Atomların yerləşdirilmə sırasını divar kağızı üzərində təkrarlanan nümunə ilə müqayisə etmək olar, lakin naxış üç ölçüdə təkrarlanmalıdır. Keçirici elektronlar kristalın atomları arasında işıq sürətinin 0,01-dən 0,001-ə qədər sürətlə hərəkət edir; onların hərəkəti elektrik cərəyanıdır.

Bardin-Kuper-Şriffer (BCS) nəzəriyyəsi.

1956-cı ildə Sankt-Peterburq Universitetindən L. Kuper. İllinoys göstərdi ki, əgər elektronlar bir-birinə cəlb edilirsə, cazibə nə qədər zəif olursa olsun, onlar bağlı vəziyyətə "kondensasiya" etməlidirlər. Güman etmək olar ki, bu bağlı vəziyyət axtarılan superkeçirici vəziyyətdir. Kuperin təsəvvür etdiyi kimi, bu cür cazibə iki elektron arasında mümkündür və kristal qəfəsdə hərəkət edən bağlı cütlərin (Kuper cütləri adlanır) əmələ gəlməsinə səbəb olmalıdır.

Lakin hələ 1950-ci ildə G. Froelich elektronların qəfəs atomları ilə qarşılıqlı təsirinə görə bir-birinə cəlb oluna biləcəyini təklif etdi. Bu cazibə mexanizmi elektron-fonon qarşılıqlı təsir adlanır; aşağıdakı kimidir. Kristal qəfəsdə hərəkət edən elektron sanki onu təhrif edir. Bu, mənfi yüklü elektronlarla müsbət yüklü qəfəs atomları arasındakı qarşılıqlı təsirlə bağlıdır. Şəbəkədə hərəkət edən elektron atomlarını “birləşdirir”. İkinci elektron daha sonra müsbət yükün artan təsiri altında "daralmış bölgəyə" çəkilir. Birinci elektronun “torlu deformasiyaya” sərf olunan enerjisi itkisiz olaraq Kuper cütlüyünün ikinci üzvünə ötürülür. Belə bir cüt qəfəs boyunca hərəkət edir, qəfəsin atomları vasitəsilə enerji mübadiləsi aparır, lakin bütövlükdə enerjisini itirmədən (şək. 3).

Bu qarşılıqlı əlaqə rezin membrandakı iki ağır topun davranışına bir qədər bənzəyir. Bir top yuvarlandıqda, membranı bükür ki, ikinci top onun ardınca gəlsin. Toplardan fərqli olaraq oxşar yüklü olan elektronlar bir-birini itələyir. Lakin bu qarşılıqlı itələmə yalnız elektronlar bir-birinə çox yaxın olduqda güclü olur və uzaqlaşdıqca tez azalır. Şəbəkə və ya elektron-fonon qarşılıqlı təsirində elektronlar bir-birindən kifayət qədər uzaqdır (5×10 – 7 – 10 – 4 sm məsafədə). Belə məsafələrdə elektronların itməsi elektron-fonon qarşılıqlı təsiri ilə müqayisədə kiçik olur, nəticədə elektronlar bir-birinə effektiv şəkildə cəlb olunur. (Fonon kristal qəfəsin titrəmə enerjisinin kvantıdır.)

İndiyə qədər biz yalnız bir Kuper cütünü nəzərdən keçirdik, halbuki reallıqda 1 sm 3 maddədə təxminən 10 20 Kuper cütü var. Təsəvvür etmək asandır ki, bir Kuper cütünün yaratdığı qəfəs təhrifi digər cütlərdə cazibəni poza bilər. 1957-ci ildə J. Bardeen, L. Cooper və J. Schrieffer fizika üzrə 1972-ci ildə Nobel mükafatına layiq görülən BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer) nəzəriyyəsini irəli sürdülər. Bu nəzəriyyəyə görə, cütlər hamısının eyni sürətə malik olduğu əlaqəli bir vəziyyət meydana gətirirlər. Bu koherent elektronların tək kvant vəziyyətində olduğu deyilir; onlar kvant və ya həddindən artıq maye adlanan maye əmələ gətirirlər. Geniş miqyasda elektronların bu uyğunluğu kvant prinsiplərinin əlamətdar makroskopik nümayişidir.

BCS nəzəriyyəsi artıq müzakirə etdiyimiz superkeçiricilərin bir çox xassələrini izah edir. Superkeçiricilərdəki elektronlar kollektiv vəziyyətə elə keçirlər ki, onların potensial enerjisi minimal olsun. Birlikdə hərəkət edən elektronlar, elektron-fonon qarşılıqlı təsir mexanizmi vasitəsilə bir-birinə cəlb olunur və sistemin potensial enerjisi bir-birini çəkməyən iki elektron vəziyyətindən daha az olur. Belə bir kollektiv vəziyyətdə olan superkeçirici bir cərəyan və ya maqnit sahəsinin enerji artırıcı təsirlərinə qarşı durmağa qadirdir; Bu, kritik cərəyanın və sahənin temperaturdan asılılığını nəzərdə tutur. Keçid temperaturundan yuxarı elektronlar çox istilik enerjisinə malikdir və "həyəcanlanır", yəni. aşağı enerjili superkeçirici vəziyyətdən normal, yüksək enerjili vəziyyətə keçid.

İzotop effekti onunla izah olunur ki, daha yüngül izotoplarda qəfəs daha az enerji ilə “narahat olunur”. Daha ağır izotopların qəfəsini deformasiya etmək daha çətindir və buna görə də superkeçiriciliyə keçid daha aşağı temperaturda baş verir. BCS nəzəriyyəsi mis və qızıl kimi yaxşı keçiricilərin niyə superkeçirici olmadığını izah edir. Bu maddələrdəki keçirici elektronlar, demək olar ki, onunla qarşılıqlı əlaqədə olmadan, atom qəfəsindən asanlıqla keçir. Bu, belə materialları yaxşı elektrik keçiriciləri edir, çünki onlar qəfəslərin səpilməsi səbəbindən az enerji itirirlər. Superkeçirici vəziyyətə nail olmaq üçün qəfəs atomları və elektronlar arasında güclü qarşılıqlı əlaqə lazımdır. Bu səbəbdən elektrik cərəyanının çox yaxşı keçiriciləri adətən superkeçiricilər deyillər.

1-ci və 2-ci növ superkeçiricilər.

Maqnit sahələrində davranışlarına əsasən, superkeçiricilər 1-ci və 2-ci tip superkeçiricilərə bölünür. Tip 1 superkeçiricilər artıq müzakirə olunmuş ideal xüsusiyyətləri nümayiş etdirirlər. Bir maqnit sahəsinin mövcudluğunda, nümunənin qalınlığında xarici sahəni tamamilə kompensasiya edən superkeçiricinin səth qatında cərəyanlar yaranır. Əgər superkeçirici uzun silindr şəklinə malikdirsə və öz oxuna paralel bir sahədədirsə, onda nüfuzetmə dərinliyi 3×10-6 sm ola bilər, kritik sahəyə çatdıqda, super keçiricilik yox olur və sahə tamamilə yox olur materiala nüfuz edir. Tip 1 superkeçiricilər üçün kritik sahələr adətən 100 ilə 800 Gauss arasında dəyişir. 1-ci tip superkeçiricilər dayaz nüfuz dərinliyinə malik olsalar da, böyük bir koherentlik uzunluğuna malikdirlər - 10-4 sm.

2-ci tip superkeçiricilər böyük nüfuz dərinliyi (təxminən 2×10–5 sm) və qısa koherens uzunluğu (5×10–7 sm) ilə xarakterizə olunur. Zəif bir maqnit sahəsinin (500 Gauss-dan az) olması halında, bütün maqnit axını 2-ci tip superkeçiricidən çıxarılır. Amma daha yüksək N s 1 – birinci kritik sahə – maqnit axını normal vəziyyətdə olduğundan daha az dərəcədə olsa da, nümunəyə nüfuz edir. Bu qismən nüfuz ikinci kritik sahəyə qədər davam edir - N s 2, 100 kGs-dən çox ola bilər. Böyük sahələri ilə N s 2, axın tamamilə nüfuz edir və maddə normal olur. Müxtəlif superkeçiricilərin xüsusiyyətləri cədvəldə təqdim olunur.

Cədvəl: Kritik temperaturlar və sahələr

KRİTİK TEMPERATURLAR VƏ SAHƏLƏR
Materiallar	Kritik temperatur, K	Kritik sahələr (0 K-də), G
Tip 1 superkeçiricilər
Rodium	0,000325	0,049
Titan	0,39	60
kadmium	0,52	28
sink	0,85	55
Qallium	1,08	59
Talium	2,37	180
İndium	3,41	280
qalay	3,72	305
Merkuri	4,15	411
Qurğuşun	7,19	803
2-ci növ superkeçiricilər		Hc 1	Hc 2
Niobium	9,25	1735	4040
Nb3Sn	18,1	–	220 000
Nb3Ge	23,2	–	400 000
Pb 1 Ay 5,1 S 6	14,4	–	600 000
Yba 2 Cu 3 O 7	90–100	1000*	1 000 000*
* Mütləq sıfıra ekstrapolyasiya edilmişdir.

Josephson effekti.

1962-ci ildə Kembric Universitetinin aspirantı B. Cozefson iki superkeçirici bir neçə angstrom məsafəsinə yaxınlaşdırsa nə baş verəcəyini düşünərək, Kuper cütlərinin “tunelləşdirmə” effektinə görə, bu nöqtədən hərəkət etməsini təklif etdi. sıfır gərginlikdə bir superkeçirici digərinə keçir.

İki əlamətdar təsir proqnozlaşdırıldı. Birincisi, superkeçirici (dissipativ olmayan) cərəyan tunelin superkeçirici kontaktından (dielektrik təbəqə ilə ayrılmış iki superkeçiricidən ibarət qovşaq) keçə bilər. Bu cərəyanın kritik dəyəri xarici maqnit sahəsindən asılıdır. İkincisi, kontaktdan keçən cərəyan kritik qovşaq cərəyanını aşarsa, kontakt yüksək tezlikli elektromaqnit şüalanma mənbəyinə çevrilir. Bu təsirlərdən birincisi stasionar Cozefson effekti, ikincisi isə qeyri-stasionar adlanır. Hər iki təsir eksperimental olaraq aydın şəkildə müşahidə olunur. Xüsusilə, artan maqnit sahəsi ilə qovşaqdan keçən maksimum superkeçirici cərəyanın salınması müşahidə edildi. Xarici mənbə tərəfindən göstərilən cərəyan kritik dəyəri aşırsa, qovşaqda bir gərginlik görünür V, vaxtdan asılı olaraq vaxtaşırı. Gərginlik salınımlarının tezliyi kontaktdan keçən cərəyanın onun kritik dəyərini nə qədər aşmasından asılıdır.

Təbii ki, iki superkeçirici bir neçə angstrom məsafəsinə yaxınlaşdırmaq mümkün deyil. Buna görə də, təcrübələrdə alüminium kimi superkeçirici materialın nazik təbəqəsi substratın üzərinə səpildi, sonra səthdən bir neçə angstrom dərinliyinə qədər oksidləşdirildi və üstünə başqa bir alüminium təbəqəsi səpildi. Xatırladaq ki, alüminium oksid bir dielektrikdir. Belə bir "sendviç" bir-birindən bir neçə angstrom məsafəsində yerləşən iki superkeçiriciyə bərabərdir.

Cozefson effekti superkeçirici vəziyyətdə olan elektronlar arasındakı faza əlaqələri ilə əlaqədardır. Yuxarıda deyildi ki, fövqəlkeçirici dövlətin mahiyyəti Kuper cütlərinin atom qəfəsindən ardıcıl hərəkətidir. Superkeçiricidə Kuper cütlərinin uyğunluğu elektron cütlərinin “fazada” hərəkət etməsi ilə müəyyən edilir. İki fərqli superkeçiricinin Kuper cütləri "fazadan kənara çıxır". Beləliklə, yürüş edən rotanın hər bir əsgəri öz rotasındakı hər bir digər əsgərlə ayaqlaşır, lakin digər rotanın əsgərləri ilə ayaqlaşmır. Əgər iki superkeçirici bir-birinə yaxınlaşdırılarsa, Kuper cütləri aralarındakı boşluqdan keçə bilər. Tunel çəkmə zamanı Kuper cütünün fazası dəyişir. Dəyişiklik elədirsə ki, Kuper cütü ikinci superkeçiricidəki cütlərlə ayaqlaşmağa başlayır, o zaman tunel etmək mümkündür. Stasionar Cozefson effektində belə olur. Maqnit sahəsinin böyüklüyü tunel cütləri tərəfindən əldə edilən faza sürüşməsini müəyyən edir.

Keçici Cozefson effekti qovşaqdan keçən cərəyan sabit vəziyyətli Cozefson effekti üçün kritik dəyəri keçdikdə baş verir. İki superkeçirici arasında gərginlik yaranır ki, bu da iki superkeçiricidəki fazaların zamanla dəyişməsinə səbəb olur. Bu da öz növbəsində iki superkeçiricidə faza fərqindəki dəyişikliklərə uyğun olaraq tunel cərəyanının salınmasına (istiqamətinin dəyişməsi ilə) səbəb olur.

TƏTBİQLƏR

1911-ci ildən 1986-cı ilə qədər bir çox superkeçirici metallar və ərintilər tədqiq edildi, lakin ən yüksək ölçülmüş keçid temperaturu 23,2 K idi. Bu temperatura qədər soyutma bahalı maye helium (4 He) tələb etdi. Buna görə də, super keçiriciliyin ən uğurlu tətbiqləri çox miqdarda maye helium tələb etməyən laboratoriya təcrübələri səviyyəsində qaldı.

1986-cı ilin sonunda Sürixdəki IBM tədqiqat laboratoriyasında işləyən K.Müller (İsveçrə) və J.Bednorz (Almaniya) lantan, barium, mis və oksigen atomlarından düzəldilmiş keramika keçiricisinin temperatura keçid temperaturuna malik olduğunu aşkar etdilər. 35 K-ə bərabər olan superkeçirici dövlət. Tezliklə dünyanın müxtəlif yerlərində tədqiqat qrupları 90-100 K keçid temperaturu olan, qalan superkeçiricilərə (tip 2, santimetr. daha yüksək) 200 kQ-a qədər maqnit sahələrində.

Keramika superkeçiriciləri, əsasən, nisbətən ucuz maye azotla soyuduqda öyrənilə və istifadə oluna bildiyi üçün geniş miqyaslı tətbiqlər üçün çox perspektivlidir.

Laboratoriya tətbiqləri.

Superkeçiriciliyin ilk sənaye tətbiqi yüksək kritik sahələrə malik superkeçirici maqnitlərin yaradılması idi. Əlverişli qiymətli superkeçirici maqnitlər 1960-cı illərin ortalarına qədər hətta kiçik laboratoriyalarda da 100 kG-dan yuxarı maqnit sahələri əldə etməyə imkan verdi. Əvvəllər adi elektromaqnitlərdən istifadə edərək belə sahələrin yaradılması sarımlarda elektrik cərəyanını saxlamaq üçün çox böyük miqdarda elektrik enerjisi və onları soyutmaq üçün böyük miqdarda su tələb edirdi.

Superkeçiriciliyin növbəti praktik tətbiqi həssas elektron cihazların texnologiyasına aiddir. Josephson kontaktı olan cihazların eksperimental nümunələri 10-15 Vt gərginlikləri aşkar edə bilər. 10-9 Qauss dərəcəli maqnit sahələrini aşkar etməyə qadir olan maqnitometrlər maqnit materiallarının öyrənilməsində, eləcə də tibbi maqnitokardioqraflarda istifadə olunur. Qravitasiya dəyişkənliyinin son dərəcə həssas detektorları geofizikanın müxtəlif sahələrində istifadə oluna bilər.

Superkeçiricilik üsulları və xüsusilə Josephson kontaktları metrologiyaya artan təsir göstərir. Josephson kontaktlarından istifadə edərək, 1 V standartı da kriogen bölgə üçün hazırlanmışdır, burada müəyyən maddələrdə kəskin keçidlər istinad (sabit) temperatur nöqtələrini əldə etmək üçün istifadə olunur. Yeni texnika cari komparatorlarda, RF gücünün və udma əmsalının ölçülməsində və tezlik ölçmələrində istifadə olunur. O, həmçinin atom hissəciklərinin fraksiya yüklərinin ölçülməsi və nisbilik nəzəriyyəsinin sınaqdan keçirilməsi kimi fundamental tədqiqatlarda istifadə olunur.

Superkeçiricilik kompüter texnologiyasında geniş istifadə olunacaq. Burada, superkeçirici elementlər çox sürətli keçid vaxtlarını, nazik təbəqə elementlərindən istifadə edərkən cüzi güc itkilərini və yüksək həcmli dövrə qablaşdırma sıxlığını təmin edə bilər. Yüzlərlə məntiq və yaddaş elementlərini ehtiva edən sxemlərdə nazik təbəqəli Josephson kontaktlarının prototipləri hazırlanır.

Sənaye tətbiqləri.

Superkeçiriciliyin ən maraqlı potensial sənaye tətbiqləri elektrik enerjisinin istehsalı, ötürülməsi və istifadəsini əhatə edir. Məsələn, diametri bir neçə düym olan superkeçirici kabel nəhəng elektrik ötürücü xətt şəbəkəsi ilə eyni miqdarda elektrik enerjisini çox az itki ilə və ya itkisiz daşıya bilər. Kriokeçiricilərin izolyasiyası və soyudulması xərcləri enerji ötürülməsinin səmərəliliyi ilə kompensasiya edilməlidir. Maye azotla soyudulmuş keramika superkeçiricilərinin meydana gəlməsi ilə superkeçiricilərdən istifadə edərək enerji ötürülməsi iqtisadi cəhətdən çox cəlbedici olur.

Superkeçiricilərin digər mümkün tətbiqi güclü cərəyan generatorlarında və kiçik elektrik mühərriklərindədir. Superkeçirici materialların sarğıları generatorlarda və elektrik mühərriklərində nəhəng maqnit sahələri yarada bilər ki, bu da onları adi maşınlardan əhəmiyyətli dərəcədə daha güclü edir. Prototiplər çoxdan yaradılmışdır və keramika superkeçiriciləri belə maşınları kifayət qədər qənaətcil edə bilərdi. Elektrik enerjisinin saxlanması, maqnitohidrodinamikada və termonüvə enerjisinin istehsalı üçün superkeçirici maqnitlərdən istifadə imkanları da nəzərdən keçirilir.

Mühəndislər uzun müddətdir ki, superkeçiricilərin yaratdığı nəhəng maqnit sahələrinin maglev qatarlarında (maqnit levitasiyası) necə istifadə oluna biləcəyi ilə maraqlanırdılar. Hərəkət edən maqnit ilə bələdçi keçiricidə yaranan cərəyan arasında qarşılıqlı itələmə qüvvələri sayəsində qatar səs-küy və sürtünmə olmadan rəvan hərəkət edər və çox yüksək sürətə çata bilərdi. Yaponiya və Almaniyada eksperimental maglev qatarlarının sürəti 300 km/saata yaxın olub.

Bunun üçün bir neçə tarixi xatırlamalı və Hollandiyalı fizik Kamerlinq-Onkesin Leyden Laboratoriyasında yeni superkeçiricilik fenomenini kəşf etdiyi 1911-ci ildən başlaya bilərik. Sonra o, ultra aşağı temperatura nail olan və heliumu mənfi 269 dərəcədə mayeyə çevirən ilk şəxs oldu. Nəhayət, maye heliumdakı maddələri soyutmaq və onların xassələrini tamamilə yeni, indi əlçatan temperatur diapazonunda öyrənmək mümkün oldu.

O zaman çoxları (Onnes də eyni fikri bölüşürdü) inanırdı ki, -273 dərəcəyə yaxınlaşdıqca hər kəsin elektrik müqaviməti sıfıra enməlidir. Nəhayət onu yoxlamaq necə də cazibədar idi! Amma təsdiq işləmədi. Bəlkə çirkləri günahlandırır? Onnes civənin çox saf vəziyyətdə araşdırıla bilən uyğun bir metal olduğunu tapdı. Və həqiqətən - metalların elektron nəzəriyyəsi ilə proqnozlaşdırıldığı kimi - civənin müqaviməti temperaturun azalması ilə təbii olaraq azaldı. Dörd dərəcəyə qədər hər şey yaxşı getdi, birdən müqavimət tamamilə yox oldu. Birdən yox oldu, hamısı birdən - qəfildən.

Ancaq Omnes bunu kifayət qədər sakit qəbul etdi. O, bunu elektrik müqaviməti nəzəriyyəsinin təsdiqi kimi qəbul etdi və tapdığı civənin yeni vəziyyətini “superkeçirici” adlandırdı. Lakin tezliklə aydın oldu ki, müqavimətin sıfıra olan paradoksal sıçrayışı heç bir nəzəriyyə ilə izah edilə bilməz və Onnes gözlədiyindən tamamilə fərqli bir şey kəşf etdi.

Metalda nə dəyişə bilərdi, niyə müəyyən bir temperaturda (Onnes bunu kritik adlandırırdı) elektronların hərəkətinə heç nə mane olmur, niyə onlar kristal qəfəsin atomları ilə qarşılıqlı əlaqəni dayandırır və ya fiziklərin dediyi kimi, qəfəslə səpələnməyi dayandırır? vibrasiya?

Və ya bəlkə maddənin müqaviməti hələ də qalır, o qədər kiçik olur ki, onu ölçmək belə mümkün deyil? Həm Onnesin özü, həm də bir çox təcrübəçilər bu qalıq müqaviməti "tutmağa" çalışdılar. Onlar superkeçirici halqada elektrik cərəyanının zəifləməsi nəticəsində müqavimətin dəyərini qiymətləndirmək üçün ən həssas üsullardan istifadə etdilər. Bu təcrübələr çox yaxın vaxtlara qədər davam etdi və məşhur Collins təcrübəsi ilə yekunlaşdı, burada elektrik cərəyanı olan superkeçirici qurğuşun halqası maye heliumda təxminən üç il saxlanıldı.

Ən həssas üsullar cərəyanın azalmasını aşkar etmədi. Bu, təkcə yaxşı elektrik keçiriciliyi deyil, həm də super keçiricilik deməkdir. Təcrübəni davam etdirməyə ehtiyac yox idi: o göstərdi ki, superkeçiricinin “müqaviməti” təmiz misdən ən azı milyard dəfə azdır.

Bir saniyə əvvəl 22 il keçdi, daha az heyrətamiz kəşf edilmədi. Məlum oldu ki, superkeçiricilik təkcə “ideal keçiricilik” deyil, həm də “ideal diamaqnetizm”dir. Xatırlayaq ki, diamaqnit maddələr maqnit sahəsi ilə "qarışıq" olan maddələrdir. Bir maqnit sahəsinə yerləşdirilərək, onu özlərindən sıxışdırmağa meyllidirlər və sahə gücünün minimal olduğu məkanda bir mövqe tuturlar. İdeal bir diamaqnit olaraq, superkeçirici öz daxilində ən kiçik bir maqnit sahəsinə dözmür. Beləliklə, hələ 1933-cü ildə aydın oldu ki, sıfır müqavimət və sıfır maqnit sahəsi superkeçirici vəziyyətin iki xüsusiyyətidir.

Tədricən, Avropa və Amerikanın bütün əsas mərkəzlərində superkeçiricilik üzərində iş getməyə başladı. Ən böyüklərində - çünki yalnız ən güclü elmi müəssisələr bahalı soyuducu qurğuları və helium mayeləşdirmə qurğularını saxlamağa imkan verə bilərdi.

Lakin nə yüksək qiymət, nə də maye helium çatışmazlığı fiziklərə bu illər ərzində çoxlu faktiki material toplamaqda - yüzlərlə yeni superkeçirici kəşf etməkdə və tamamilə gözlənilməz təsirlərin bütöv bir seriyasında aşkar etməkdə mane olmadı. Bizə artıq minə yaxın superkeçirici maddə - elementlər, birləşmələr, ərintilər məlumdur. Onların arasında təbii şəraitdə Yer kürəsində mövcud olmayan (nüvə reaktorlarında süni şəkildə istehsal olunur) bir metal olan texnetiuma qədər Mendeleyevin dövri cədvəlinin iyirmidən çox elementi var. Məlum oldu ki, superkeçiriciliyə metal ərintiləri və superkeçirici elementlərdən ibarət qeyri-üzvi birləşmələr malikdir və - ən təəccüblüsü - onları ehtiva etmir. Uzun müddət ən yüksək kritik temperaturda çempionat niobium nitridi (-259 dərəcə) tərəfindən keçirildi, sonra vanadium silisidində -256 dərəcədə superkeçiricilik aşkar edildi və 1954-cü ildə rekord yüksək kritik temperatur qeydə alındı: -254,8 dərəcə. niobium stannide (qalay ilə ərinti niobium).

Bəzi xüsusiyyətlərə əsasən, əsasən maqnit, superkeçirici maddələr birinci və ikinci növ superkeçiricilərə bölünməyə başladı. Yüksək kritik temperatura malik olan bütün maddələr II tip superkeçiricilər olduğu ortaya çıxdı. Onlar digər vacib xüsusiyyətləri də göstərdilər: kritik maqnit sahəsinin yüksək dəyərləri və kritik cərəyan sıxlığı. Bunun mənası nədi? Məlum idi: superkeçiriciliyi yalnız kritik temperaturdan yuxarı temperaturu artırmaqla deyil, həm də maqnit sahəsi tətbiq etməklə "məhv etmək" olar. Beləliklə, bu birləşmələrin nümunələri, həddindən artıq güclü maqnit sahəsində onlardan hər kvadrat santimetrə bir milyon amperə qədər sıxlığı olan cərəyanlar keçsə belə, superkeçirici olaraq qaldı.

Həmin illərdə superkeçiricilik başqa istiqamətdən güclü hücuma məruz qaldı. Burada heliumun olmaması, avadanlıqların mürəkkəbliyi və yüksək qiyməti ilə bağlı heç bir şikayət yox idi. Nəzəriyyəçilər başqa çətinliklərlə - riyazi çətinliklərlə üzləşdilər. Superkeçiriciliyin sirrinin həllini kim öz üzərinə götürməyib? Yalnız 1957-ci ilə qədər maneələr nəhayət dəf edildi.

Superkeçiriciliyin kəşfi

Beləliklə, superkeçiriciliyin ümumi nəzəriyyəsi ortaya çıxdı. Onun əsas ideyası budur. Eyni işarəli hissəciklər - Coulomb qanununa görə - bir-birini dəf etməlidir. Bu qanun, təbii ki, superkeçiricilərdə də müşahidə olunur. Ancaq bu qarşılıqlı təsirdən əlavə, metalda başqa bir şey ola biləcəyi ortaya çıxır - aralıq mühit vasitəsilə elektronlar arasında yaranan zəif cazibə. Bu mühit metal qəfəsin özü, daha dəqiq desək, onun titrəmələridir. Və beləliklə, bu cazibə itələyici qüvvələrdən daha çox olduqda şərtlər yaranarsa, super keçiricilik meydana gəlir.

İndi heç kim şübhə etmir ki, nəzəriyyə, əsasən, super keçiriciliyin təbiətini düzgün izah edir. Ancaq bu, bütün problemlərin həll edildiyi anlamına gəlirmi? Nəzəriyyəçilərdən soruşun: "Niyə qalayda kritik temperatur 3,7 dərəcə, niobium isə 9,2 dərəcədir?" Təəssüf ki, nəzəriyyə hələ də belə vacib suallara boyun əyir...

Fizikada adi yol: fenomen kəşf edildi - izah edildi - istifadə etməyi öyrəndi. Çox vaxt nəzəriyyənin inkişafı və tətbiq üsullarının inkişafı paralel gedir. Əlbəttə ki, gündəlik həyatdan uzaq, super keçiricilik kimi qeyri-adi bir ərazidə "tətbiq" sözü həmişəkindən bir qədər fərqli başa düşülməlidir - bunlar traktor və ya paltaryuyan maşın deyil. Tətbiq etmək unikal effektlərdən istifadə etmək və onları “işləmək” deməkdir. Əvvəlcə yalnız laboratoriyada, hətta səs-küylü uğurlar və sensasiyalar olmadan icazə verin.

Superkeçirici bir maqnit yaratmağa çalışsaq nə olacaq? - bu sual hələ ötən əsrin iyirminci illərində yaranıb. Məlumdur ki, ən güclü maqnit sahələri elektromaqnitlərin köməyi ilə yaradılır. Nisbətən ucuz qurğulardan istifadə edərək bu üsuldan istifadə edərək 20 min oerstedə qədər gücü olan sahələr olduqca uğurla əldə edilə bilər. Və daha güclü sahələrə ehtiyacınız varsa - yüz və ya daha çox min oersted? Maqnitlərin gücü milyonlarla vata qədər artır. Onlara xüsusi yarımstansiyalar vasitəsilə enerji vermək lazımdır və maqnitin su ilə soyudulması dəqiqədə minlərlə litr su sərfini tələb edir.

Maqnit sahəsi - elektrik cərəyanı - müqavimət bir zəncirlə bağlıdır. Bu həcmli, mürəkkəb və bahalı cihazların əvəzinə superkeçirici məftildən miniatür rulon düzəltmək, onu maye heliuma yerləşdirmək və onu sadə bir batareyadan gücləndirərək, super güclü maqnit sahələri əldə etmək nə qədər cazibədar olardı. Bu fikir çox sonralar - yalnız yüksək kritik sahələrə və cərəyanlara malik yeni materiallar aşkar edildikdə həyata keçirildi: əvvəlcə niobium, sonra niobiumun sirkonium və titan ilə ərintisi. Və nəhayət, niobium - qalay. Dünyanın bir çox laboratoriyalarında portativ superkeçirici maqnitlər artıq istifadə olunur və təxminən 100 min oersted sahələr yaradır. Maye heliumun yüksək qiymətinə baxmayaraq, belə maqnitlər adi olanlardan daha sərfəlidir.

Superkeçiriciliyin tətbiqləri

Güclü maqnit sahələri superkeçiriciliyin mümkün və qismən reallaşdırılmış istifadəsinin bir çox sahələrindən yalnız biridir. Fiziki təcrübənin ən dəqiq alətləri - superkeçirici qalvanometrlər və radiasiya detektorları, mikrodalğalı texnologiya üçün və ağır hissəciklərin xətti sürətləndiriciləri üçün superkeçirici örtüklü rezonatorlar, elektron cihazlar üçün maqnit linzaları, sürtünməsiz superkeçirici podşipniklərdə elektrik mühərrikləri, transformatorlar və itkisiz maqnit ötürücü xətlər. ekranlar, enerji batareyaları, nəhayət, kompüterlərin miniatür və yüksək sürətli "yaddaş hüceyrələri" - bu, bugünkü tətbiq olunan super keçiricilik problemlərinin çox azaldılmış siyahısıdır.

Onlar artıq deyirlər ki, bütün klassik elektrik mühəndisliyi adi elektrik cərəyanının keçiriciləri üzərində deyil, həddindən artıq keçirici materiallar üzərində qurularsa, "yenidən ixtira edilə bilər".

Yaxşı, bir az xəyal etsən nə olacaq? Axı kosmosda superkeçirici cihazların işləməsi üçün ideal şərait, superkeçiricilik üçün ideal şərait var. Kosmosun vakuumunda bədən yalnız radiasiya (məsələn, Günəşdən) hesabına xaricdən qızdırıla bilər. Əgər belədirsə, onda hər hansı qeyri-şəffaf ekran kifayətdir və kosmosdakı hər hansı bir obyekt tamamilə istilik izolyasiyasına malikdir. Xəyali maşınımızın elementləri özləri superkeçirici olduğundan və cərəyan müqavimətsiz keçdiyi üçün onlarda istilik əmələ gəlmir. Demək olar ki, maye helium olmayacaq, bu da cihazın qeyri-müəyyən müddətə işləyə biləcəyi deməkdir. Kollinsin təcrübəsini xatırlayın, onun aparıcı sükanı təxminən üç il ərzində cərəyanını saxladı.

Təsəvvür edə bilərsinizmi ki, Ayın orbitində bir növ fırlanan, yerin iqtisadiyyatının, elminin və nəqliyyatının bütün sahələrinə xidmət edən bir növ kriogen kompüter var? Bəs superkeçirici maqnitlər haqqında nə demək olar - bəlkə onlar plazmanı gələcəyin termonüvə reaktorlarında saxlayacaqlar? Yoxsa elektrik enerjisinin on minlərlə kilometr məsafəyə heç bir itkisiz ötürülə biləcəyi soyudulmuş elektrik kabelləri?

Bu fantaziyadır? Burada deyilənlərin hamısı prinsipcə mümkündür. Beləliklə, ediləcək. Amma nə vaxt?

Bu həm təxəyyül, həm də dərin nəzəri və eksperimental iş üçün əla sahədir.

Bu arada niobium-qalay ərintisi maksimum kritik temperaturu mənfi 254,8 dərəcə olan yeganə maddə olaraq qalır və təbiətin onu minlərlə digər qeyri-üzvi maddələrdən hansı üstünlüklərinə görə fərqləndirdiyini heç kim başa düşə bilmir. Digər elementlərin heç bir əlavəsi, bu ərintinin daxili strukturunda heç bir dəyişiklik onun kritik temperaturunu artıra bilməz. Digər oxşar, ikiqat və üçlü ərintilərin axtarışı da uğursuz oldu - heç kim bu sehrli rəqəmdən yuxarı qalxa bilməyib - mənfi 254,8 dərəcə. Deməyə başladılar ki, görünür, bu temperatur təsadüfi deyildi, yəqin ki, keçmək mümkün olmayan həddi; Yalnız bu faktın nəzəri əsaslandırılmasını tapmaq, daha yüksək temperaturda metal sistemlərdə superkeçiriciliyin mövcud ola bilməməsinin səbəbini tapmaq qalır.

1. Superkeçiricilik hadisəsi

2. Superkeçiricilərin xassələri

3. Superkeçiricilərin tətbiqi

Biblioqrafiya

1. Superkeçiricilik hadisəsi

Superkeçiricilər yüksək elektrik keçiriciliyi olan xüsusi bir material qrupunu təmsil edir. Aşağı temperaturda (hazırda ən azı 18 ° K-dən aşağı) bəzi metallar və ərintilər heç bir nəzərə çarpan müqavimət olmadan cərəyan keçirmə qabiliyyəti əldə edirlər; belə bərk maddələr deyilir superkeçiricilər.

Bu fenomen bir əsrdir ki, 1911-ci ildə maye helium temperaturunda civədə belə bir vəziyyəti müşahidə edən Kamerlingh Onnes tərəfindən kəşf edilmişdir. Cədvəl 1 hazırda məlum olan bəzi superkeçiricilərin siyahısını və onların superkeçirici vəziyyətə keçid temperaturlarını göstərir. Tk. Keçid adətən çox kəskin şəkildə baş verir: müqavimət normal dəyərindən təxminən 0,05 ° K diapazonunda sıfıra enir.

Şəkil 1 - Metallarda elektrik müqavimətinin dəyişməsi (M) və superkeçiricilər (M sv) aşağı temperatur aralığında

Temperaturun azalması ilə bütün metalların elektrik müqaviməti monoton şəkildə azalır (Şəkil 1). Bununla belə, kritik bir temperaturda elektrik müqavimətinin kəskin şəkildə sıfıra düşdüyü metallar və ərintilər var - material super keçirici olur.

Superkeçiricilik 30 elementdə və 1000-ə yaxın ərintidə aşkar edilmişdir. Superkeçirici xassələri sifarişli bərk məhlulların və ara fazaların (o-faza, Laves fazı və s.) strukturu olan bir çox ərintilər tərəfindən nümayiş etdirilir. Adi temperaturda bu maddələr yüksək keçiriciliyə malik deyillər.

Cədvəl 1 – Superkeçiricilər və onların superkeçirici vəziyyətə keçid temperaturları (ºK)

2. Superkeçiricilərin xassələri

Superkeçiricilərin ən ümumi xüsusiyyəti kritik superkeçiricilik temperaturunun Tc olmasıdır, ondan aşağı isə maddənin elektrik müqaviməti yoxa çıxacaq dərəcədə kiçik olur. Son hesablamalara görə, superkeçirici vəziyyətdə olan bir maddənin elektrik müqavimətinin yuxarı həddi (yəni aşağı temperaturda) T k) 10 -26 Ohm m-dir.

Bəzi elementlər yüksək təzyiqlərin təsiri altında (on minlərlə atmosfer sırası ilə) allotropik çevrilmələrə məruz qala bilər. Nəticədə kristalloqrafik modifikasiyalar (sözdə yüksək təzyiq fazaları) soyuduqda superkeçirici vəziyyətə çevrilir, baxmayaraq ki, adi təzyiqlərdə bu elementlər super keçirici deyillər. Məsələn, superkeçirici, 56.000 atmosfer təzyiqində əmələ gələn TeII modifikasiyasıdır, BiII (25 min atmosfer, T k= 3,9 K), BiIII (27 min atmosfer, T k=7,2 K). Yüksək təzyiqli GaII və SbII fazaları yüksək təzyiq aradan qaldırıldıqdan sonra da superkeçirici olaraq qalır və atmosfer təzyiqində bu fazaların superkeçirici keçidinin kritik temperaturları normal vəziyyətdə müvafiq olaraq 7,2 və 2,6 K-dir superkeçiricilər deyil, lakin onlar nazik təbəqələr şəklində substratlara çökdükdən sonra belə olurlar. Buxar fazasından filmin çökməsi zamanı superkeçiriciliyin görünüşü Ce, Pr, Nd, Eu və Yb-də də müşahidə edilmişdir.

Otaq temperaturunda yaxşı elektrik keçiriciləri olan IA, IB və IIA yarımqruplarının metallarının superkeçirici olmaları (nazik təbəqə halında olan berillium istisna olmaqla) xarakterikdir. Ferro və antiferromaqnit elementlər də superkeçiricilər deyil.

Bir çox elementlərin, xüsusən də Mo, Ir və W-nin superkeçirici xüsusiyyətləri metalın təmizliyinə çox həssasdır, bu, metal emalı texnikasının inkişafı ilə bəzi digər elementlərdə superkeçirici xüsusiyyətlərin tapılacağını göstərir.

Normal vəziyyətdən (sıfırdan fərqli elektrik müqaviməti ilə) superkeçirici vəziyyətə keçid yalnız təmiz elementlərdə deyil, həm də ərintilərdə və intermetal birləşmələrdə müşahidə olunur. Hal-hazırda mindən çox superkeçirici məlumdur. B. Mattias fövqəlkeçiriciliyin mövcudluğunu Z valentliyi ilə əlaqələndirən qaydaları tərtib etmişdir.

1. Superkeçiricilik yalnız 2-də mövcuddur< Z < 8.

2. Keçid metallarında, onların ərintiləri və birləşmələrində Z = 3, 5 və ya 7-də superkeçirici vəziyyətə keçidin maksimum temperaturları müşahidə olunur (bax Şəkil 2).

3. Verilmiş hər bir dəyər üçün Z müəyyən kristal qəfəslərə üstünlük verilir (maksimum əldə etmək üçün T j) və T k superkeçiricinin atom həcmi ilə sürətlə artır və atom kütləsinin artması ilə azalır.

Şəkil 2 - Keçid və sadə metallara super keçiriciliyin və T-nin olması

Texniki tətbiq baxımından ən perspektivli yüksək kritik temperatura malik superkeçiricilərdir. Niobium və vanadium keçid metallarının ərintiləri və birləşmələri ən yüksək Tc-yə malikdir. Bu superkeçirici materiallar üç qrupa bölünür: 1) bədən mərkəzli kub qəfəsli ərintilər (bərk məhlullar) - Nb-Ti, Nb-Zr. TK ~ 10 K və yuxarı; 2) qaya duzu qəfəsli birləşmələr, məsələn NbN və Nb (C, N), Tc ~ 18K; 3) alüminium və silisium alt qruplarının elementləri ilə niobium və vanadium birləşmələri, β-W tipli kristal qəfəsə və A 3 B stoxiometrik düsturuna malikdir, burada A -Nb və ya V, B ŞB və ya IVB elementidir. alt qrup, məsələn V 3 Si, Nb 3 Sn , Nb 3 (Al, Ge), T K ~ 21 K və daha yüksək.

A 3 B birləşmələrinin fövqəladə keçirici vəziyyətə keçməsinin kritik temperaturu və aşağıda müzakirə ediləcək digər superkeçirici xüsusiyyətləri, stexiometriyadan kiçik sapmalara, nümunənin struktur vəziyyətinə (digər fazaların dağılmış hissəciklərinin olması) çox həssasdır. ), kristal quruluşunda qüsurlar və uzun məsafəli nizamın dərəcəsi. Göründüyü kimi, bu, yüksək temperaturda söndürüldükdən və sonrakı tavlamadan sonra Nb 8 Al, Nb 3 Ga, Nb 8 (Al, Ge) birləşmələrinin Tc-nin bir neçə dərəcə artması ilə izah olunur. Xüsusilə, kəskin söndürmə nəticəsində Nb 3 Ge birləşməsinin Tk-ı 11-dən 17 K-a yüksəldi. Püskürtmə yolu ilə əldə edilən nazik təbəqəli Nb 3 Ge nümunələrində aşağıdakı dəyərlər əldə edilmişdir: T k= 22 K və 23 K. Bərk məhlullara əsaslanan superkeçirici materiallar daha çox plastikliyə görə A 3 B tipli birləşmələrə nisbətən müəyyən üstünlüklərə malikdir.

Superkeçirici vəziyyətdə olan maddələr xüsusi maqnit xüsusiyyətlərinə malikdir. Bu, ilk növbədə, superkeçiriciliyin kritik temperaturunun xarici maqnit sahəsinin gücündən asılılığında özünü göstərir. Kritik temperatur xarici maqnit sahəsi olmadıqda maksimumdur və sahənin gücü artdıqca azalır. Müəyyən bir xarici sahə gücündə N km kritik Tk = 0 adlanır. Başqa sözlə, N km-ə bərabər və ya ondan çox olan sahələrdə heç bir temperaturda maddədə superkeçirici vəziyyət yaranmır. Superkeçiricilərin bu davranışı H-dən (T) əyri ilə təsvir edilmişdir (Şəkil 3). Bu əyrinin hər bir nöqtəsi verilmiş T temperaturda kritik xarici sahənin Hc qiymətini verir< Т к, вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза →нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.

Şəkil 3 - Superkeçiricinin kritik sahəsinin temperaturdan asılılığı

Superkeçiricilərin digər mühüm maqnit xassələri onların diamaqnetizmidir. Maqnit sahəsinə yerləşdirilmiş superkeçiricinin içərisində induksiya sıfırdır. Əgər superkeçirici kritik temperaturdan yuxarı bir temperaturda maqnit sahəsinə yerləşdirilirsə, aşağıda soyuduqda T k maqnit sahəsi superkeçiricidən "çıxarılır" və bu halda onun induksiyası da sıfırdır.

Süperkeçiriciliyin xarici maqnit sahəsi tərəfindən məhv edilməsi və superkeçiricilərin ideal diamaqnetizmi onunla əlaqələndirilir ki, superkeçirici vəziyyəti saxlamaq üçün elektronların ümumi impulsu (kinetik enerjisi) müəyyən bir dəyərdən az olmalıdır. Buna görə müəyyən bir məhdudlaşdırıcı (kritik) cərəyan sıxlığı var j c yuxarıda superkeçiricilik parçalanır və sonlu elektrik müqaviməti meydana çıxır. Superkeçiricinin ideal diamaqnetizmi tətbiq olunan maqnit sahəsinin superkeçiricinin səthində müqavimət göstərməyən cərəyanları induksiya etməsi ilə izah olunur. Bu cərəyanlar elə dövr edir ki, superkeçiricinin içindəki maqnit axını məhv olur. Beləliklə, xarici maqnit sahəsi superkeçiricilərə yalnız 10 -8 -10 -9 m-lik çox kiçik bir dərinliyə nüfuz edir superkeçiricinin diamaqnetizmini saxlamaq üçün. Xarici sahə kifayət qədər güclü olarsa, cərəyanlar kritik dəyərə çatacaq və maddə öz normal vəziyyətinə qayıdacaq. Qoruyucu cərəyanlar yox olur və maqnit sahəsi maddəyə nüfuz edir. Maqnit sahəsinin nüfuz dərinliyi (sabit bir sahədə) temperaturla artır və sonsuzluğa meyllidir. T→ T k, bu normal vəziyyətə keçidə uyğundur.

Dayaz nüfuz dərinliyi olan (səth yaxınlığında maqnit sahəsinin kəskin zəifləməsi) superkeçiricilərə yumşaq superkeçiricilər və ya I tip superkeçiricilər deyilir. Sərt superkeçiricilər və ya II tip superkeçiricilər də var. II tip superkeçiricilər kritik sahələrin daha yüksək dəyərləri və superkeçirici vəziyyətə keçidin temperatur bölgəsinin daha geniş eni ilə xarakterizə olunur. Yumşaq superkeçiricilər (qalay, civə, sink, qurğuşun) üçün superkeçirici vəziyyətə keçidin temperatur diapazonu təqribən 0,05 K, sərt superkeçiricilər üçün (niobium, renium, β-W quruluşlu birləşmələr) üçün superkeçirici keçid təxminən 0,5 K-dir.

Giriş

Fəsil 1 Fövqəladə keçiricilik hadisəsinin kəşfi

1.2 Superkeçirici maddələr

1.3 Meissner effekti

1.4 İzotopik effekt

Fəsil 2 Superkeçiricilik nəzəriyyəsi

2.1 BCS nəzəriyyəsi

2.4 Elektron cütlərinin əmələ gəlməsi

2.5 Fononlara görə elektronlar arasında effektiv qarşılıqlı təsir

2.6 Kanonik Boqolyubov çevrilməsi

2.7 Aralıq vəziyyət

2.8 II tip superkeçiricilər

2.9 Superkeçiriciliyin termodinamiği

2.10 Tunel təması və Cozefson effekti

2.11 Maqnit axınının kvantlaşdırılması (makroskopik effekt)

2.12 Cəngavər növbəsi

2.13 Yüksək temperaturlu superkeçiricilik

Fəsil 3. Fövqəlkeçiriciliyin elm və texnikada tətbiqi

3.1 Superkeçirici maqnitlər

3.2 Superkeçirici elektronika

3.3 Superkeçiricilik və enerji

3.4 Maqnit asma və podşipniklər

Nəticə

Biblioqrafiya

Giriş

Əksər metallar və ərintilər üçün təxminən bir neçə dərəcə Kelvin temperaturunda müqavimət kəskin şəkildə sıfıra enir. Superkeçiricilik adlanan bu fenomen ilk dəfə 1911-ci ildə Kamerlinq Onnes tərəfindən kəşf edilmişdir. Bu fenomeni olan maddələrə superkeçiricilər deyilir. 1957-ci ildə J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer superkeçiriciliyin mikroskopik nəzəriyyəsini inkişaf etdirdilər ki, bu da bu hadisəni əsaslı şəkildə başa düşməyə imkan verdi. BCS nəzəriyyəsi superkeçiricilik sahəsində əsas faktları (müqavimətin olmaması, Tc-nin izotopun kütləsindən asılılığı, sonsuz keçiricilik (E = 0), Meissner effekti (B = 0), eksponensial asılılıq) izah etdi. T = 0-a yaxın elektron istilik tutumu və s.). Bir sıra nəzəri nəticələr təcrübə ilə yaxşı kəmiyyət uyğunluğunu göstərir. Hələ bir çox məsələlərin işlənib hazırlanmasına ehtiyac var (süfkeçirici metalların dövri sistemdə paylanması, Tc-nin ifratkeçirici birləşmələrin tərkibindən və quruluşundan asılılığı, mümkün olan ən yüksək keçid temperaturuna malik superkeçiricilərin alınmasının mümkünlüyü və s.). Eksperimental və nəzəri tədqiqatların uğurları bu fiziki hadisənin mənimsənilməsi üzərində işə başlamaq üçün real imkan yaratdı. 100 ilə yaxındır ki, bu sahədə inkişaflar gedir, yeni superkeçirici materiallar kəşf edilir və yüksək temperaturlu superkeçiricilərin axtarışı davam edir. Son illərdə, xüsusilə superkeçiricilik nəzəriyyəsinin yaradılmasından sonra texniki superkeçiricilik intensiv şəkildə inkişaf edir.

Uyğunluq. Bu gün superkeçiricilik fizikanın ən çox öyrənilən sahələrindən biridir, mühəndislik təcrübəsi üçün ciddi perspektivlər açan fenomendir. Superkeçiricilik fenomeninə əsaslanan qurğular geniş yayılmışdır, nə müasir elektronika, nə tibb, nə də astronavtika onlarsız edə bilər;

Hədəf. Superkeçiricilik fenomenini, onun xassələrini, praktik tətbiqini daha ətraflı nəzərdən keçirin, BCS nəzəriyyəsini öyrənin, həmçinin fizikanın bu sahəsinin inkişaf perspektivlərini öyrənin.

1) Superkeçiriciliyin nə olduğunu, onun meydana gəlməsinin səbəblərini və bir maddənin normal vəziyyətdən superkeçirici vəziyyətə mümkün keçid şərtlərini tapın.

2) Superkeçirici dövlətin məhvinə təsir edən səbəbləri izah edin.

3) Superkeçiricilərin xassələrini və tətbiqlərini aşkar edin.

Bir obyekt. Bu kurs işinin obyekti superkeçiricilik fenomeni, superkeçiricilərdir.

Maddə. Mövzu superkeçiricilərin xassələri və onların tətbiqləridir.

Praktik istifadə. Superkeçiricilik fenomeni güclü maqnit sahələrinin yaradılması üçün istifadə olunur superkeçiricilər kompüterlərin yaradılmasında, modulyatorların, rektifikatorların, açarların, persistorların və persistronların və ölçü alətlərinin qurulması üçün istifadə olunur;

Tədqiqat üsulları. Elmi ədəbiyyatın təhlili.

Fəsil 1. Fövqəlkeçiricilik hadisəsinin kəşfi

1.1 İlk eksperimental faktlar

1911-ci ildə Leydendə holland fiziki H.Kamerlinq-Onnes ilk dəfə superkeçiricilik hadisəsini müşahidə etmişdir. Bu problem daha əvvəl tədqiq edilmişdi, təcrübələr temperaturun azalması ilə metalların müqavimətinin azaldığını göstərdi; Onun aşağı temperaturlar sahəsində ilk tədqiqatlarından biri civə dövrəsi ilə təcrübə zamanı elektrik müqavimətinin temperaturdan asılılığının öyrənilməsi olmuşdur. O zaman civə distillə yolu ilə əldə edilə bilən ən təmiz metal hesab olunurdu. Hg-nin elektrik müqavimətinin temperatur dəyişməsini öyrənərək, 4,2 0 K-dən aşağı temperaturda civənin praktiki olaraq müqavimətini itirdiyini aşkar etdi. Bu təcrübə üçün o, ters bağlanmış kəsiyi 0,005 mm 2 olan yeddi U formalı gəmidən ibarət aparatdan (şəkil 1) istifadə etmişdir. Bu damar forması civə ipinin davamlılığını pozmadan civənin sərbəst sıxılması və genişlənməsi üçün lazım idi. 1 və 2-ci nöqtələrdə 5 və 6-cı nöqtələrdə 3 və 4-cü borular vasitəsilə cərəyan verildi, civə dövrəsinin bölmələrində gərginlik azaldı.

Şəkil 2 onun civə ilə apardığı təcrübələrin nəticələrini göstərir. Qeyd etmək lazımdır ki, müqavimətin sıfıra endiyi temperatur diapazonu son dərəcə dardır.

düyü. 2. Platin və civənin müqavimətinin temperaturdan asılılığı.

Qrafikdən görünür ki, 4,2 0 K temperaturda civənin elektrik müqaviməti qəfil yox olub. Elektrik müqavimətinin sıfır olduğu keçiricinin bu vəziyyətinə superkeçiricilik, bu vəziyyətdə olan maddələrə isə superkeçiricilər deyilir. Bir maddənin superkeçirici vəziyyətə keçməsi çox dar bir temperatur diapazonunda (dərəcənin yüzdə biri) baş verir və buna görə də keçidin maddənin superkeçiriciliyə keçidinin kritik temperaturu adlanan Tc müəyyən bir temperaturda baş verdiyinə inanılır. dövlət.

Superkeçiricilik eksperimental olaraq iki yolla müşahidə edilə bilər:

1) cərəyanın keçdiyi ümumi elektrik dövrəsinə bir superkeçirici əlaqəni daxil etməklə. Superkeçirici vəziyyətə keçid anında bu əlaqənin uclarında potensial fərq sıfır olur;

2) ona perpendikulyar olan maqnit sahəsinə superkeçirici halqa yerləşdirməklə. Üzüyü Tc-dən aşağı soyuduqdan sonra sahəni söndürün. Nəticədə halqada davamlı elektrik cərəyanı yaranır. Belə bir halqada cərəyan qeyri-müəyyən dövr edir.

Kamerlinq - Onnes bunu Leydendən Kembricə keçən cərəyanla superkeçirici halqa daşımaqla nümayiş etdirdi. Bir sıra təcrübələrdə, təxminən bir il ərzində superkeçirici halqada cərəyan zəifləməsinin olmaması müşahidə edilmişdir. 1959-cu ildə Collins iki il yarım ərzində cərəyanda azalma müşahidə etmədiyini bildirdi. .

Təcrübələr göstərdi ki, əgər superkeçiricilərdən qapalı dövrədə cərəyan yaranarsa, onda bu cərəyan EMF mənbəyi olmadan dövriyyəyə davam edir. Superkeçiricilərdəki Fuko cərəyanları çox uzun müddət davam edir və Joule istiliyinin olmaması səbəbindən sönmür (300A-a qədər cərəyanlar bir neçə saat ardıcıl olaraq axmağa davam edir). Bir sıra müxtəlif keçiricilərdən cərəyanın keçməsinin tədqiqi göstərdi ki, superkeçiricilər arasındakı kontaktların müqaviməti də sıfıra bərabərdir. Superkeçiriciliyin fərqli bir xüsusiyyəti Hall fenomeninin olmamasıdır. Adi keçiricilərdə bir maqnit sahəsinin təsiri altında metaldakı cərəyan dəyişdiyi halda, superkeçiricilərdə bu fenomen yoxdur. Superkeçiricidəki cərəyan, sanki, öz yerində sabitdir.

Superkeçiricilik aşağıdakı amillərin təsiri altında yox olur:

1) temperaturun artması;

Temperatur müəyyən bir Tk-a yüksəldikdə, demək olar ki, birdən nəzərə çarpan ohmik müqavimət görünür. Superkeçiricilikdən keçiriciliyə keçid nümunə daha homojen olduqda daha dik və nəzərə çarpır (ən dik keçid monokristallarda müşahidə olunur).

2) kifayət qədər güclü maqnit sahəsinin təsiri;

Superkeçirici vəziyyətdən normal vəziyyətə keçid kritik Tc-dən aşağı temperaturda maqnit sahəsini artırmaqla həyata keçirilə bilər, burada superkeçiriciliyin məhv edildiyi minimum sahə Bc kritik maqnit sahəsi adlanır. Kritik sahənin temperaturdan asılılığı empirik düsturla təsvir edilir:

burada B 0 mütləq sıfır temperatura ekstrapolyasiya edilmiş kritik sahədir. Bəzi maddələr üçün birinci dərəcədə T-dən asılılıq var. Xarici sahə gücünü artırmağa başlasaq, onun kritik dəyərində super keçiricilik çökəcək. Kritik temperatur nöqtəsinə nə qədər yaxınlaşsaq, superkeçiriciliyin təsirini məhv etmək üçün xarici maqnit sahəsinin gücü bir o qədər aşağı olmalıdır və əksinə, mütləq sıfıra bərabər bir temperaturda güc digər hallara nisbətən maksimum olmalıdır. eyni təsir. Bu əlaqə aşağıdakı qrafiklə təsvir edilmişdir (şək. 3).

Xarici sahə gücünü artırmağa başlasaq, onun kritik dəyərində super keçiricilik çökəcək. Kritik temperatur nöqtəsinə nə qədər yaxınlaşsaq, superkeçiriciliyin təsirini məhv etmək üçün xarici maqnit sahəsinin gücü bir o qədər aşağı olmalıdır və əksinə, mütləq sıfıra bərabər bir temperaturda güc digər hallara nisbətən maksimum olmalıdır. eyni təsir. Bir maqnit sahəsi superkeçiriciyə təsir etdikdə, xüsusi bir histerezis növü müşahidə olunur, yəni maqnit sahəsini artırmaqla superkeçiricilik (H - sahə gücü, H - artan sahə gücü) ilə məhv edilirsə:

sonra sahənin intensivliyinin azalması ilə sahənin altında superkeçiricilik yenidən görünəcək, nümunədən nümunəyə dəyişir və adətən 10% Hc təşkil edir.

3) nümunədə kifayət qədər yüksək cərəyan sıxlığı;

Cari gücün artması həm də superkeçiriciliyin yox olmasına gətirib çıxarır, yəni Tk azalır. Temperatur nə qədər aşağı olarsa, superkeçiriciliyin adi keçiriciliyə yol verdiyi maksimum cərəyan gücü ik.

4) xarici təzyiqin dəyişməsi;

Xarici təzyiq p-nin dəyişməsi Tk-nin dəyişməsinə və superkeçiriciliyi məhv edən maqnit sahəsinin gücünün dəyişməsinə səbəb olur.

1.2 Superkeçirici maddələr

Sonralar məlum oldu ki, təkcə civə deyil, digər metallar və ərintilər də kifayət qədər soyuduqda elektrik müqaviməti sıfıra bərabər olur.

Təmiz maddələr arasında ən yüksək kritik temperatura niobium (9,22 0 K), iridium isə ən aşağı temperatura malikdir (0,14 0 K). Kritik temperatur təkcə maddənin kimyəvi tərkibindən deyil, həm də kristalın özünün strukturundan asılıdır. Məsələn, boz qalay yarımkeçirici, ağ qalay isə 3,72 0 K temperaturda superkeçirici vəziyyətə keçən metaldır. Lantanın iki kristal modifikasiyası (b-La və b-La) müxtəlif kritik keçid temperaturlarına malikdir. superkeçirici vəziyyət (b -La T k =4,8 0 K, c-La T k =5,95 0 K üçün). Buna görə də, superkeçiricilik ayrı-ayrı atomların mülkiyyəti deyil, bütün nümunənin quruluşu ilə əlaqəli kollektiv təsirdir.

Yaxşı keçiricilər (gümüş, qızıl və mis) bu xüsusiyyətə malik deyil, normal şəraitdə çox zəif keçirici olan bir çox digər maddələr, əksinə, var. Bu, tədqiqatçılar üçün tamamilə sürpriz oldu və bu fenomenin izahını daha da çətinləşdirdi. Superkeçiricilərin əsas hissəsi təmiz maddələr deyil, onların ərintiləri və birləşmələridir. Üstəlik, iki qeyri-keçirici maddənin bir ərintisi superkeçirici xüsusiyyətlərə malik ola bilər. I və II tip superkeçiricilər var.

I tip superkeçiricilər ümumi olaraq 20-dən çox olur, onların arasında otaq temperaturunda yaxşı keçirici olan metallar yoxdur, əksinə, otaq temperaturunda nisbətən zəif keçiriciliyə malik olan metallar (civə, qurğuşun); , titan və s.).

İkinci növ superkeçiricilər kimyəvi birləşmələr və ərintilərdir və bunların saf formada birinci tip superkeçiricilər olan metalların birləşmələri və ya ərintiləri olması şərt deyil. Məsələn, Mo, W, Cu və xüsusilə N, C və S superkeçiricilər olmasa da, MoN, WC, CuS birləşmələri II tip superkeçiricilərdir. II tip superkeçiricilərin sayı bir neçə yüzdür və artmaqda davam edir. .

Uzun müddət müxtəlif metalların və birləşmələrin superkeçirici vəziyyətini yalnız maye heliumun köməyi ilə əldə edilə bilən çox aşağı temperaturda əldə etmək mümkün idi. 1986-cı ilin əvvəlində kritik temperaturun maksimum müşahidə edilən dəyəri artıq 23 0 K idi.

1.3 Meissner effekti

1933-cü ildə Meissner və Ochsenfeld müəyyən etdilər ki, superkeçiricilik fenomeninin arxasında ideal keçiricilikdən, yəni sıfır müqavimətdən daha çox şey dayanır. Onlar kəşf etdilər ki, sahənin xarici mənbədən və ya superkeçiricinin özündən keçən cərəyandan yaranmasından asılı olmayaraq, maqnit sahəsi superkeçiricidən çıxarılır (şək. 4). Məlum olub ki, maqnit sahəsi superkeçirici nümunənin qalınlığına nüfuz etmir.

Şəkil 4. Superkeçiricidən maqnit induksiya axınının itələnməsi.

Superkeçirici vəziyyətə keçidin kritik temperaturundan yüksək temperaturda, hər hansı bir metalda olduğu kimi, xarici bir maqnit sahəsinə yerləşdirilən nümunədə, içərisindəki maqnit sahəsinin induksiyası sıfırdan fərqlidir. Xarici maqnit sahəsini söndürmədən temperatur tədricən azalırsa, superkeçirici vəziyyətə keçid anında maqnit sahəsi nümunədən itələnəcək və içəridəki maqnit sahəsinin induksiyası sıfır olacaq (B = 0). ). Bu təsir Meissner effekti adlanırdı.

Məlum olduğu kimi, metallar, ferromaqnitlər istisna olmaqla, xarici maqnit sahəsi olmadıqda sıfır maqnit induksiyasına malikdir. Bu, maddədə həmişə mövcud olan elementar cərəyanların maqnit sahələrinin yerləşmələrinin tam təsadüfi olması səbəbindən qarşılıqlı kompensasiya edilməsi ilə bağlıdır.

Xarici bir maqnit sahəsinə yerləşdirilərək, onlar maqnitləşirlər, yəni. içərisində bir maqnit sahəsi "induksiya olunur". Xarici maqnit sahəsinə daxil edilən maddənin ümumi maqnit sahəsi xarici və daxili maqnit sahələrinin induksiyasının vektor cəminə bərabər olan bir maqnit induksiyası ilə xarakterizə olunur, yəni. . Bu halda ümumi maqnit sahəsi maqnit sahəsindən ya böyük, ya da az ola bilər.

Bir maddənin induksiya ilə bir maqnit sahəsinin yaradılmasında iştirak dərəcəsini müəyyən etmək üçün induksiya dəyərlərinin nisbəti tapılır. µ əmsalı maddənin maqnit keçiriciliyi adlanır. Xarici maqnit sahəsinin tətbiqi zamanı yaranan daxili sahənin xarici sahəyə əlavə olunduğu (µ > 1) maddələrə paramaqnitlər deyilir. >1 əmsalda nümunədəki xarici sahə azalır.

diamaqnit maddələrdə (<1) наблюдается ослабление приложенного поля. В сверхпроводниках В=0, что соответствует нулевой магнитной проницаемости. В поверхностном слое металла возникает стационарный электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю и компенсирует его, что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.

Stasionar ifratkeçirici cərəyanların mövcudluğu aşağıdakı təcrübədə aşkar edilmişdir: əgər metal superkeçirici halqanın üstündə ifratkeçirici kürə yerləşdirilirsə, onda onun səthində davamlı superkeçirici cərəyan induksiya olunur. Onun baş verməsi diamaqnit effektinə və halqa ilə kürə arasında itələyici qüvvələrin yaranmasına gətirib çıxarır ki, nəticədə kürə halqanın üstündə üzəcək. Nümunəyə sahənin nüfuz etmə dərinliyi superkeçiricinin əsas xüsusiyyətlərindən biridir. Tipik olaraq nüfuz dərinliyi təxminən 100..400E-dir. Artan temperaturla maqnit sahəsinin nüfuz dərinliyi qanuna uyğun olaraq artır:

Bir maqnit sahəsinin superkeçiriciyə nüfuz etmə dərinliyinin ən sadə hesabını Fritz və Hans London qardaşları verdilər. Bu təxmini təqdim edək. Zamanla yavaş-yavaş dəyişən sahələrlə məşğul olduğumuzu fərz edəcəyik. Superkeçiricilər ferromaqnit olmadığı üçün biz elektrodinamikanın əsas tənlikləri arasındakı fərqi laqeyd edə və formada yaza bilərik.

Bundan əlavə, zamana görə qismən və ümumi törəmələr arasındakı fərqi də laqeyd edəcəyik. Cərəyanların yalnız superkeçirici elektronların hərəkəti ilə yarandığını fərz etsək, belə elektronların konsentrasiyasının harada olduğunu daha sonra yazacağıq. Zamana görə diferensiallaşdıqdan sonra əldə edirik: Maqnit sahəsinin təsiri nəzərə alınmazsa, elektronun sürətlənməsi tənlikdən tapıla bilər. Sonra

təyinatın təqdim edildiyi yer

Birinci tənliyi (4) kəmiyyətlər istisna olmaqla və (4) və (5) tənliklərindən diferensiallaşdıraraq, əldə edirik.

Bu tənlik təmin edilir, lakin belə bir həll Meissner effekti ilə uyğun gəlmir, çünki superkeçiricinin içərisində olmalıdır. Əlavə həll ona görə əldə edilmişdir ki, törəmə zamanı zamana görə diferensiallaşdırma əməliyyatından iki dəfə istifadə edilmişdir. Bu həlli avtomatik aradan qaldırmaq üçün londonlular son tənlikdə törəmə vektorun özü ilə əvəz edilməli olduğu fərziyyəsini irəli sürdülər. Bu verir

Maqnit sahəsinin superkeçiriciyə nüfuz etmə dərinliyini müəyyən etmək üçün tutaq ki, sonuncu onun bir tərəfində müstəvi ilə məhdudlaşır. Superkeçiricinin daxilindəki oxu onun sərhədinə normal istiqamətləndirək. Maqnit sahəsi oxa paralel olsun, deməli. Sonra

Və tənlik (8) verir

Burada yox olan bu tənliyin həlli formaya malikdir

İnteqrasiya sabiti superkeçiricinin səthindəki sahəni verir. Uzunluqda maqnit sahəsi bir faktorla azalır. Dəyər sahənin metala nüfuz etmə dərinliyinin ölçüsü kimi qəbul edilir.

Ədədi qiymətləndirmə əldə etmək üçün hər bir metal atomu üçün sm -3 qəbul edən bir superkeçirici elektron olduğunu güman edirik. sonra (6) düsturundan istifadə edərək, böyüklük sırasına görə birbaşa ölçmələrlə əldə edilən dəyərlərlə üst-üstə düşən sm tapırıq.

Superkeçiricinin səth təbəqəsi, içindəki sıfırdan fərqli maqnit sahəsinin gücü ilə əlaqəli xüsusi xüsusiyyətlərə malikdir. Bu xüsusiyyətlər yüksək kritik sahələri olan superkeçiricilərin istehsalına çox əhəmiyyətli təsir göstərir.

Tez-tez qoruyucu cərəyanlar adlanan səth cərəyanları tətbiq olunan sahənin maqnit axınının nümunəyə nüfuz etməsinə mane olduqda bir vəziyyət yaranır. Xarici sahədə bir maddənin daxilindəki maqnit axını sıfırdırsa, o zaman ideal diamaqnetizm nümayiş etdirdiyi deyilir. Tətbiq olunan sahə sıxlığı sıfıra endikdə, nümunə maqnitlənməmiş vəziyyətdə qalır. Başqa bir halda, keçid temperaturundan yuxarı nümunəyə bir maqnit sahəsi tətbiq edildikdə, son şəkil nəzərəçarpacaq dərəcədə dəyişəcəkdir. Əksər metallar üçün (ferromaqnitlərdən başqa) nisbi maqnit keçiriciliyi birliyə yaxındır. Buna görə də, nümunənin daxilindəki maqnit axınının sıxlığı tətbiq olunan sahənin axınının sıxlığına demək olar ki, bərabərdir. Soyuduqdan sonra elektrik müqavimətinin yox olması maqnitləşməyə təsir göstərmir və maqnit axınının paylanması dəyişmir. Əgər indi tətbiq olunan sahəni sıfıra endirsək, onda superkeçiricinin içərisindəki maqnit axınının sıxlığı dəyişdirilə bilməz, nümunənin səthində maqnit axını saxlayaraq; Nəticədə, nümunə hər zaman maqnitlənmiş qalır. Beləliklə, ideal keçiricinin maqnitləşməsi xarici şəraitdə baş verən dəyişikliklərin ardıcıllığından asılıdır.

Süperkeçiricidən maqnit sahəsinin itələməsinin təsiri maqnitləşmə ilə bağlı fikirlər əsasında izah edilə bilər. Xarici maqnit sahəsini tamamilə kompensasiya edən süzgəc cərəyanları nümunəyə m maqnit momenti verirsə, M maqnitləşmə əlaqəsi ilə ifadə edilir:

burada V nümunənin həcmidir. Deyə bilərik ki, qoruyucu cərəyanlar mənfi birinə bərabər maqnit həssaslığı olan ideal bir ferromaqnitin maqnitləşməsinə uyğun maqnitləşmənin görünüşünə səbəb olur.

Meissner effekti və superkeçiricilik fenomeni bir-biri ilə sıx bağlıdır və fenomenin kəşfindən yarım əsrdən çox müddət sonra yaradılan superkeçiricilik nəzəriyyəsi tərəfindən qurulmuş ümumi nümunənin nəticəsidir.

1.4 İzotopik effekt

1950-ci ildə E.Maksvell və C.Reynolds müasir superkeçiricilik nəzəriyyəsinin yaradılması üçün böyük əhəmiyyət kəsb edən izotop effektini kəşf etdilər. Civənin bir neçə superkeçirici izotopunun tədqiqi göstərdi ki, superkeçirici vəziyyətə keçidin kritik temperaturu ilə izotopların kütləsi arasında əlaqə var. İzotopun kütləsi M 199,5-dən 203,4-ə qədər dəyişdikdə, kritik temperatur 4,185-dən 4,14 K-ə qədər dəyişdi. Bu superkeçirici kimyəvi element üçün kifayət qədər dəqiqliklə əsaslandırılmış bir düstur quruldu:

burada const hər bir element üçün xüsusi dəyərə malikdir.

İzotopun kütləsi kristal qəfəs üçün xarakterikdir, çünki ona əsas töhfə metal ionları tərəfindən verilir. Kütlə bir çox qəfəs xüsusiyyətlərini təyin edir. Məlumdur ki, qəfəs titrəyişlərinin tezliyi kütlə ilə bağlıdır:

Metalın elektron sisteminin bir xüsusiyyəti olan superkeçiricilik, izotop effektinin kəşfi ilə əlaqədar olaraq kristal qəfəsin vəziyyəti ilə əlaqələndirilir. Nəticə etibarilə, superkeçiricilik effektinin baş verməsi elektronların metal qəfəslə qarşılıqlı təsiri ilə bağlıdır. Bu qarşılıqlı əlaqə metalın normal vəziyyətdə olan müqavimətindən məsuldur. Müəyyən şəraitdə müqavimətin yox olmasına, yəni super keçiriciliyin təsirinə səbəb olmalıdır.

1.5 Superkeçiricilik nəzəriyyəsinin yaradılması üçün ilkin şərtlər

Superkeçiricilərin xassələrini kifayət qədər uğurla təsvir edən ilk nəzəriyyə 1935-ci ildə irəli sürülmüş F.London və Q.London nəzəriyyəsi idi. Londonlar öz nəzəriyyələrində superkeçiricinin iki mayeli modelinə əsaslanırdılar. Güman edilirdi ki, bir superkeçiricidə konsentrasiyası olan "superkeçirici" elektronlar və konsentrasiyası olan "normal" elektronlar olduqda, ümumi keçiricilik konsentrasiyası haradadır). Superkeçirici elektronların sıxlığı artdıqca azalır və sıfıra enir. Bütün elektronların sıxlığına meyl etdikdə. Superkeçirici elektronların cərəyanı nümunədən müqavimətsiz keçir.

London, Maksvell tənliklərinə əlavə olaraq, belə bir superkeçiricidə elektromaqnit sahəsi üçün tənliklər əldə etdi, onun əsas xassələri ondan irəli gəlirdi: sabit cərəyana müqavimətin olmaması və ideal diamaqnetizm. Bununla belə, Londonların nəzəriyyəsi fenomenoloji olduğu üçün "superkeçirici" elektronların nə olduğu ilə bağlı əsas suala cavab vermədi. Bundan əlavə, V.L. tərəfindən aradan qaldırılan bir sıra çatışmazlıqlar var idi. Ginzburg və L.D. Landau.

Ginzburg-Landau nəzəriyyəsində superkeçiricilərin xüsusiyyətlərini təsvir etmək üçün kvant mexanikasından istifadə edilmişdir. Bu nəzəriyyədə superkeçirici elektronların bütün dəsti bir fəza koordinatının dalğa funksiyası ilə təsvir edilmişdir. Ümumiyyətlə, bərk cisimdəki elektronların dalğa funksiyası koordinatların funksiyasıdır. Funksiyanı təqdim etməklə bütün superkeçirici elektronların ardıcıl, ardıcıl davranışı müəyyən edilmişdir. Həqiqətən, əgər bütün elektronlar tam eyni şəkildə, ardıcıl şəkildə davranırlarsa, onların davranışını təsvir etmək üçün eyni dalğa funksiyası bir elektronun davranışını təsvir etmək üçün kifayətdir, yəni. bir dəyişənin funksiyaları.

A.A.Abrikosovun əsərlərində daha da inkişaf etdirilən Ginzburq-Landau nəzəriyyəsi fövqəlkeçiricilərin bir çox xassələrini təsvir etməsinə baxmayaraq, o, mikroskopik səviyyədə fövqəlkeçiricilik hadisəsinin başa düşülməsini təmin edə bilmədi.

Bu fəsildə fövqəlkeçiricilik hadisəsinin kəşfindən, ilk eksperimental faktlardan, ilk nəzəriyyələrdən, həmçinin superkeçiricilərin bəzi xassələrindən bəhs edilir.

Yuxarıdakıları təhlil edərək, aşağıdakı nəticələrə gəlmək olar:

1) Elektrik müqavimətinin sıfır olduğu keçiricinin bu vəziyyətinə superkeçiricilik, bu vəziyyətdə olan maddələrə isə superkeçiricilər deyilir.

2) Superkeçiricilərdə Foucault cərəyanları çox uzun müddət davam edir və Joule istiliyinin olmaması səbəbindən sönmür (300A-a qədər cərəyanlar bir neçə saat ardıcıl olaraq axmağa davam edir).

3) Superkeçiricilik aşağıdakı amillərin təsiri altında yox olur: temperaturun artması, kifayət qədər güclü maqnit sahəsinin təsiri, nümunədə kifayət qədər yüksək cərəyan sıxlığı, xarici təzyiqin dəyişməsi.

4) Maqnit sahəsi bu sahənin necə yaranmasından asılı olmayaraq superkeçiricidən kənara itələnir - xarici mənbə və ya superkeçiricinin özündən keçən cərəyan.

5) Superkeçirici vəziyyətə keçidin kritik temperaturu ilə izotopların kütləsi arasında əlaqə mövcuddur ki, bu da izotop effekti adlanır.

6) İzotop effekti göstərdi ki, qəfəs titrəyişləri superkeçiriciliyin yaranmasında iştirak edir.

Fəsil 2. Superkeçiricilik nəzəriyyəsi

2.1 BCS nəzəriyyəsi

1957-ci ildə Bardin, Kuper və Şriffer maddənin superkeçirici vəziyyətinin ardıcıl nəzəriyyəsini (BCS nəzəriyyəsi) qurdular. Landaudan çox əvvəl helium II-nin həddindən artıq axıcılığı nəzəriyyəsi yaradılmışdır. Məlum oldu ki, həddindən artıq mayelik makroskopik kvant effektidir. Lakin Landau nəzəriyyəsinin fövqəlkeçiricilik fenomeninə köçürülməsinə sıfır spinə malik helium atomlarının Bose-Einstein statistikasına tabe olması mane oldu. Yarım fırlanan elektronlar Pauli prinsipinə və Fermi-Dirak statistikasına tabe olurlar. Belə hissəciklər üçün həddindən artıq mayenin meydana gəlməsi üçün zəruri olan Bose-Einstein kondensasiyası qeyri-mümkündür. Alimlər elektronların spini sıfır olan və Bose hissəcikləri kimi davranan cütlər şəklində qruplaşdırıldığını irəli sürdülər. Onlardan asılı olmayaraq, 1958-ci ildə N.N. Boqolyubov superkeçiricilik nəzəriyyəsinin daha təkmil variantını işləyib hazırladı.

BCS nəzəriyyəsi, metalın struktur xüsusiyyətlərinin bu günə qədər tamamilə atıldığı ideallaşdırılmış bir modelə istinad edir. Metal Fermi statistikasına tabe olan elektron qazla doldurulmuş potensial qutu kimi qəbul edilir. Coulomb itələmə qüvvələri, əsasən atom nüvələrinin sahəsi ilə zəifləmiş fərdi elektronlar arasında hərəkət edir. Superkeçiricilikdə izotop effekti elektronların şəbəkənin istilik vibrasiyası ilə (fononlarla) qarşılıqlı təsirinin mövcudluğunu göstərir.

Metalda hərəkət edən elektron nümunənin kristal qəfəsini elektrik qüvvələri ilə deformasiya edir və qütbləşdirir. Bunun səbəb olduğu qəfəs ionlarının yerdəyişməsi digər elektronun vəziyyətində əks olunur, çünki o, indi dövri quruluşunu bir qədər dəyişmiş qütbləşmiş qəfəs sahəsində tapır. Beləliklə, kristal şəbəkə elektron qarşılıqlı təsirlərdə aralıq mühit rolunu oynayır, çünki onun köməyi ilə elektronlar bir-birinə cazibəni həyata keçirir. Yüksək temperaturda kifayət qədər intensiv istilik hərəkəti hissəcikləri bir-birindən uzaqlaşdırır, cazibə qüvvəsini effektiv şəkildə azaldır. Lakin aşağı temperaturda cəlbedici qüvvələr çox mühüm rol oynayır.

İki elektron boş yerdədirsə, bir-birini itələyir. Ətraf mühitdə onların qarşılıqlı təsir gücü bərabərdir:

burada e mühitin dielektrik davamlılığıdır. Əgər mühit belədirsə<0, то одноименные заряды, в том числе и электроны, будут притягиваться. Кристаллическая решетка некоторых веществ является той средой, в которой выполняется это условие, а значит при определенных температурах возможно возникновение эффекта сверхпроводимости. Таким образом, эффект взаимного притяжения электронов не противоречит законам физики, так как происходим в некоторой среде.

T = 0 0 K-da bir metalı nəzərdən keçirək. Onun kristal qəfəsi mövcudluğu kvant-mexaniki qeyri-müəyyənlik əlaqəsi ilə əlaqəli olan “sıfır” vibrasiyaya məruz qalır. Kristalda hərəkət edən elektron vibrasiya rejimini pozur və şəbəkəni həyəcanlı vəziyyətə keçirir. Əvvəlki enerji səviyyəsinə qayıdış keçidi başqa bir elektron tərəfindən tutulan və onu həyəcanlandıran enerjinin emissiyası ilə müşayiət olunur. Kristal qəfəsin həyəcanlanması səs kvantları - fononlarla təsvir edilir, buna görə də yuxarıda təsvir olunan proses bir fononun bir elektron tərəfindən buraxılması və digər elektron tərəfindən udulması kimi təqdim edilə bilər, kristal qəfəs isə ötürücü kimi aralıq rol oynayır. Fononların mübadiləsi onların qarşılıqlı cazibəsini müəyyən edir.

Aşağı temperaturda bir sıra maddələr üçün bu cazibə elektronların Kulon itələyici qüvvələrindən üstündür. Bu zaman elektron sistem əlaqəli kollektivə çevrilir və onu həyəcanlandırmaq üçün müəyyən qədər sonlu enerjinin xərclənməsi tələb olunur. Bu halda elektron sistemin enerji spektri davamlı olmayacaq - həyəcanlı vəziyyət əsas vəziyyətdən enerji boşluğu ilə ayrılır.

İndi müəyyən edilmişdir ki, metalın normal vəziyyəti Fermi səthinə yaxın elektronların enerji spektrinin təbiətinə görə fövqəlkeçirici vəziyyətdən fərqlənir. Aşağı temperaturda normal vəziyyətdə elektron həyəcan bir elektronun ilkin işğal edilmiş vəziyyətdən (<к F) под поверхностью Ферми в свободное состояние к (>F) Fermi səthindən yuxarı. Sferik Fermi səthi vəziyyətində belə bir elektron-deşik cütünü həyəcanlandırmaq üçün tələb olunan enerji bərabərdir.

Çünki k və k 1 Fermi səthinə kifayət qədər yaxın yerləşə bilər.

Superkeçiricidəki elektron sistem bir-birinə bağlı elektron cütlərindən (Kuper cütləri) və həyəcan cütün qırılması kimi təqdim edilə bilər. Elektron cütünün ölçüsü təqribən ~10 -4 sm, qəfəs dövrünün ölçüsü 10 -8 sm-dir, yəni cütdəki elektronlar çox böyük məsafədə yerləşir.

Superkeçirici vəziyyətdə olan bir metalın ən xarakterik xüsusiyyəti, cütün həyəcan enerjisinin həmişə müəyyən bir müəyyən dəyəri olan 2D-dən çox olmasıdır ki, bu da cütləşmə enerjisi adlanır. Başqa sözlə, aşağı enerjili tərəfdə həyəcan enerjisi spektrində boşluq var. Məsələn, Hg, Pb, V, Nb metalları üçün 2D dəyəri 18 0 K, 29 0 K, 18 0 K və 30 0 K temperaturlarda istilik enerjisinə uyğundur.

Cütləşmə enerjisinin böyüklüyü birbaşa eksperimental olaraq ölçülür: elektromaqnit şüalanmasının udulmasını öyrənərkən yalnız ђш = 2D tezliyi olan şüalanma udulur, səsin zəifləməsindəki eksponensial dəyişikliyi öyrənərkən və s.

Enerji spektrində boşluq varsa, sistemin kvant keçidləri həmişə mümkün olmayacaq. Elektron sistem aşağı sürətlə həyəcanlanmayacaq, buna görə də elektronların hərəkəti sürtünmə olmadan baş verəcək, yəni müqavimət yoxdur. Müəyyən bir kritik cərəyanda elektron sistem növbəti enerji səviyyəsinə keçə biləcək və super keçiricilik çökəcək.

2.2 Enerji spektrində boşluq

Enerji boşluğunun mövcudluğunun ilk əlamətləri bir superkeçiricinin elektron istilik tutumunun eksponensial çürüməsi qanunundan əldə edilmişdir:

c es ~ g T k e - bTk / T ~ c ns e - bTk / T . (16)

Superkeçiricilərdə enerji boşluğu birbaşa eksperimental olaraq müşahidə edilir və yalnız spektrdə boşluğun mövcudluğu təsdiqlənmir, həm də onun böyüklüyü ölçülür. Normal və superkeçirici təbəqələri ayıran ~10E qalınlığında nazik keçirici olmayan təbəqədən elektronların keçidi tədqiq edilmişdir. Bir maneənin olması halında, elektronun maneədən keçmə ehtimalı məhduddur. Normal metalda bütün enerji səviyyələri maksimum e F-ə qədər, superkeçirici metalda e F -D-ə qədər doldurulur. Bu vəziyyətdə cərəyanın keçməsi mümkün deyil.

Superkeçiricidə enerji boşluğunun olması, keçidin baş verəcəyi müvafiq vəziyyətlərin olmamasına səbəb olur. Keçidin baş verməsi üçün sistem xarici elektrik sahəsinə yerləşdirilməlidir. Sahədə səviyyələrin bütün mənzərəsi dəyişir. Tətbiq olunan xarici gərginlik D/e-yə bərabər olarsa, təsir mümkün olur. Tunel cərəyanı eU enerji boşluğuna bərabər olduqda sonlu gərginlik U-da görünür. Özbaşına aşağı tətbiq olunan gərginlikdə tunel cərəyanının olmaması enerji boşluğunun mövcudluğunun sübutudur.

Hazırda belə bir boşluğu aşkar etmək və onun genişliyini ölçmək üçün bir sıra üsullar hazırlanmışdır. Onlardan biri metallar tərəfindən uzaq infraqırmızı regionda elektromaqnit dalğalarının udulmasının öyrənilməsinə əsaslanır. Metodun ideyası aşağıdakı kimidir. Əgər elektromaqnit dalğaları axını superkeçiriciyə yönəldilirsə və onların tezliyi u davamlı olaraq dəyişirsə, bu şüalanmanın V kvantının enerjisi E w boşluq genişliyindən az qaldıqda (əlbəttə, əgər varsa), şüalanma enerjisi superkeçirici tərəfindən udulmamalıdır. ђш к = Е ь olan зк tezliyində radiasiyanın intensiv udulması normal bir metalda onun dəyərlərinə qədər artmalıdır. Shk ölçməklə, E sh boşluğunun genişliyini təyin edə bilərsiniz.

Təcrübələr bütün məlum fövqəlkeçiricilərdə keçirici elektronların enerji spektrində boşluğun olmasını tam təsdiqlədi. Nümunə olaraq, cədvəldə bir sıra metallar üçün T = 0 0 K-də boşluq eni E w və onların superkeçirici vəziyyətə keçməsinin kritik temperaturu göstərilir. Bu cədvəldəki məlumatlardan aydın olur ki, E boşluğu çox dar ~ 10 -3 -10 -2 eV; Boşluğun eni ilə kritik keçid temperaturu Tc arasında birbaşa əlaqə var: Tc nə qədər yüksək olsa, Ec boşluğu daha genişdir. nəzəriyyə

BCS, T k ilə E sh (0) ilə əlaqəli aşağıdakı təxmini ifadəyə gətirib çıxarır:

E sh (0) = 3,5 kT k, (17)

təcrübə ilə kifayət qədər yaxşı təsdiqlənir.

Superkeçiricilik nəzəriyyəsində ən çox nəticə izotrop model üçün alınmışdır. Həqiqi metallar əslində anizotropdur, bu, bir çox təcrübədə aydın görünür. Kifayət qədər geniş fərziyyələr altında düsturu əldə edə bilərik:

impuls p istiqamətində vahid vektor haradadır; və səthin Fermi radius vektoru və üzərindəki sürətlərdir. Böyüklük istiqamətdən asılıdır. Eksperimental məlumatlara görə, dəyişiklik. Eyni zamanda, temperaturdan asılılıq bütün istiqamətlər üçün eynidır, yəni. .

Cədvəl 1.

Maddə
E sh (0),10 -3 eV
E = 3,5 kT k

İstilik tutumu üçün nəzəri və eksperimental məlumatları müqayisə edərkən anizotropiya artıq görünür. Aşağı temperaturda

minimum boşluq haradadır və nəzəri əyriyə görə (izotrop model üçün) orta hesablanmış boşluq haradadır. Buna görə də, bir qayda olaraq, at nəzəri əyri eksperimental əyridən aşağıdır.

Boşluq anizotropiyasının daha ətraflı müəyyən edilməsi üçün müxtəlif üsullar mövcuddur. Beləliklə, bir kristallı tək nüvəli superkeçiricilərin istilik keçiriciliyinin ölçülməsi minimum boşluğun əsas oxun istiqamətində yerləşdiyini və ya bazal müstəvidə olduğunu müəyyən etməyə imkan verir. Boşluq anizotropiyasının təbiəti, əgər superkeçiricilərdən biri tək kristaldırsa, tunel kontaktı ilə aparılan təcrübələrdən də müəyyən edilə bilər. Anizotropiya ilə bağlı ən maraqlı nəticələr səsin udulması ilə bağlı təcrübələrdən əldə edilir. Səsin tezliyi cütlərin bağlanma enerjisidirsə, aşağı temperaturda udma yalnız həyəcanlarda baş verir, yəni. mütənasib olaraq. Lakin nəzərə almalıyıq ki, səsin udulma mexanizmi tərs Çerenkov effektidir. Bu o deməkdir ki, səs yalnız səsin yayılma istiqamətinə proyeksiyası səsin sürəti ilə üst-üstə düşən elektronlar tərəfindən udulur, yəni. . Amma metalda elektronların sürəti sm/san, səsin sürəti isə sm/san; bu o deməkdir ki, yəni. perpendikulyar olaraq, başqa sözlə, səs Fermi səthinin perpendikulyar müstəvi ilə kəsişməsindən yaranan konturda uzanan elektronlar tərəfindən udulur. Bunu nəzərə alaraq, aşağı temperaturda səsin udulması bu konturdakı boşluğun minimum dəyəri ilə müəyyən edilir. Səsin yayılma istiqamətini dəyişdirərək, boşluq haqqında kifayət qədər ətraflı məlumat əldə edə bilərsiniz.

Boşluğun anizotropiyası həm də onda özünü göstərir ki, superkeçiricilərə qüsurlar daxil edildikdə termodinamik kəmiyyətlərin dəyişməsi izotrop modelə nisbətən daha çoxdur. Məsələn, (saf metal üçün) ilə müqayisədə azalma ilə, yəni. orta kvadrat anizotropiya ilə mütənasibdir.

2.3 Boşluqsuz superkeçiricilik

BCS nəzəriyyəsinin yaradılmasından sonrakı ilk illərdə elektron spektrdə enerji boşluğunun olması superkeçiriciliyin xarakterik əlaməti hesab olunurdu, lakin enerji boşluğu olmayan superkeçiricilik də məlumdur - boşluqsuz superkeçiricilik.

İlk dəfə A.A tərəfindən göstərildiyi kimi. Abrikosov və L.P. Gorkov, maqnit çirklərinin tətbiqi ilə kritik temperatur effektiv şəkildə azalır. Bir maqnit çirkinin atomları spinə və buna görə də bir spin maqnit momentinə malikdir. Bu halda, cütün spinləri çirkin paralel və antiparalel maqnit sahəsində olduğu görünür. Bir superkeçiricidə atomların və maqnit çirklərinin konsentrasiyasının artması ilə artan sayda cütlər məhv ediləcək və buna uyğun olaraq enerji boşluğunun eni azalacaq. Müəyyən bir konsentrasiyada n 0,91n cr-ə bərabərdir (n cr, super keçirici vəziyyətin tamamilə yox olduğu konsentrasiya dəyəridir), enerji boşluğu sıfıra bərabər olur.

Ehtimal etmək olar ki, boşluqsuz superkeçiriciliyin görünməsi çirkli atomlarla qarşılıqlı əlaqədə olduqda bəzi cütlərin müvəqqəti olaraq qırılması ilə əlaqədardır. Cütlüyün bu müvəqqəti çürüməsi enerji boşluğunun özündə yerli enerji səviyyələrinin görünüşünə uyğundur. Çirklənmə konsentrasiyası artdıqca, boşluq tamamilə yox olana qədər bu yerli səviyyələrlə getdikcə daha çox doldurulur. Cütlük qırıldığında əmələ gələn elektronların mövcudluğu enerji boşluğunun yox olmasına gətirib çıxarır və qalan Kuper cütləri elektron müqavimətin sıfır olmasını təmin edir.

Belə bir nəticəyə gəlirik ki, özlüyündə bir boşluğun olması heç də fövqəlkeçirici dövlətin təzahürü üçün zəruri şərt deyil. Üstəlik, boşluqsuz superkeçiricilik, göründüyü kimi, o qədər də nadir bir hadisə deyil. Əsas odur ki, bağlı elektron dövlət - Cooper cütü var. Məhz bu vəziyyət enerji boşluğu olmadıqda belə super keçirici xüsusiyyətlər nümayiş etdirə bilər.

2.5 Elektron cütlərinin əmələ gəlməsi

Yarımkeçiricilərin enerji spektrində qadağan olunmuş zolaqlar elektronların qəfəslə qarşılıqlı təsiri nəticəsində yaranır ki, bu da kristalda vaxtaşırı dəyişən potensiala malik bir sahə yaradır.

Güman etmək təbiidir ki, superkeçirici vəziyyətdə olan metalın keçiricilik zolağında enerji boşluğu metalın bu vəziyyətə keçməsi zamanı meydana çıxan elektronların bəzi əlavə qarşılıqlı təsiri nəticəsində yaranır. Bu qarşılıqlı əlaqənin xarakteri aşağıdakı kimidir.

Şəbəkədə hərəkət edən və ionlarla qarşılıqlı əlaqədə olan sərbəst keçiricilik zolağı elektron onları tarazlıq mövqeyindən bir qədər uzaqlaşdırır (Şəkil 5), hərəkətinin "oyanması"nda başqa bir elektronun ola biləcəyi artıq müsbət yük yaradır. cəlb etdi. Buna görə də, bir metalda, elektronlar arasında adi Coulomb itkisinə əlavə olaraq, müsbət ionların bir qəfəsinin olması səbəbindən dolayı cəlbedici qüvvə yarana bilər. Əgər bu qüvvə itələyici qüvvədən böyük olarsa, o zaman elektronların Kuper cütləri adlanan bağlı cütlərə birləşməsi enerji baxımından əlverişli olur.

Kuper cütləri yarandıqda sistemin enerjisi cütlükdəki elektronların Eb bağlama enerjisinin miqdarı qədər azalır. Bu o deməkdir ki, əgər normal metalda T = 0 K-də keçiricilik zolağının elektronları maksimum enerjiyə malikdirsə E F , onda cüt-cüt bağlandıqları vəziyyətə keçdikdə, iki elektronun (cütlüyün) enerjisi E azalır. St, və onların hər birinin enerjisi - E st /2 ilə, çünki bu, bu cütü məhv etmək və elektronları normal vəziyyətə keçirmək üçün sərf edilməli olan enerjidir (şəkil 6a). Buna görə də, bağlanmış cütlərdəki elektronların yuxarı enerji səviyyəsi ilə normal elektronların aşağı səviyyəsi arasında E genişliyində bir boşluq olmalıdır ki, bu da superkeçiriciliyin görünməsi üçün lazım olan şeydir. Bu boşluğun mobil olduğunu, yəni dövlətlər arasında elektron paylama əyrisi ilə birlikdə xarici sahənin təsiri altında dəyişməyə qadir olduğunu yoxlamaq asandır.

Şəkildə. Şəkil 7-də Cooper cütünün sxematik modeli göstərilir. O, bir qədər helium atomunu xatırladan induksiya edilmiş müsbət yük ətrafında hərəkət edən iki elektrondan ibarətdir. Bir cütdəki hər bir elektron böyük impuls və dalğa vektoruna malik ola bilər; bütövlükdə cüt (cütlüyün kütlə mərkəzi) sıfır tərcümə sürətinə malik olaraq istirahətdə ola bilər. Bu, boşluq olduqda keçiricilik zolağının doldurulmuş hissəsinin yuxarı səviyyələrini dolduran elektronların ilk baxışdan anlaşılmaz xassəsini izah edir (Şəkil 6a). Belə elektronlar böyük (və) tərcümə sürətinə malikdirlər. Cütlüyün mərkəzi müsbət yükü hərəkət edən elektronların özləri tərəfindən induksiya edildiyindən, xarici sahənin təsiri altında Kuper cütü kristal boyunca sərbəst hərəkət edə bilər və enerji boşluğu E bütün paylanma ilə birlikdə dəyişəcəkdir. Şek. 6b. Beləliklə, bu nöqteyi-nəzərdən superkeçiriciliyin meydana çıxması şərtləri təmin edilir.

Fig.5 Şek. 7

Bununla belə, bütün keçiricilik zolağı elektronları Kuper cütlərinə bağlana bilmir. Bu proses elektronların enerjisinin dəyişməsi ilə müşayiət olunduğundan, yalnız öz enerjisini dəyişməyə qadir olan elektronlar cüt-cüt birləşə bilər. Bunlar yalnız Fermi səviyyəsinin yaxınlığında yerləşən dar bir zolaqda yerləşən elektronlardır (“Fermi elektronları”). Təxmini hesablama göstərir ki, belə elektronların sayı ümumi sayın ~ 10 -4, zolağın eni isə böyüklük sırasına görə 10 -4 təşkil edir.

Şəkildə. impuls fəzasında radiuslu Fermi sferası qurulmuşdur.

Üzərində p y oxuna nisbətən q1, q2, q3 bucaqlarında yerləşən dl enində halqalar var. vektorları verilmiş bir halqanın sahəsində bitən elektronlar demək olar ki, eyni impulslu bir qrup meydana gətirirlər. Hər bir belə qrupdakı elektronların sayı müvafiq halqanın sahəsinə mütənasibdir. μ artdıqca, üzüklərin sahəsi də müvafiq qruplardakı elektronların sayını artırır. Ümumiyyətlə, bu qruplardan hər hansı birinin elektronları cüt-cüt bağlana bilər. Cütlərin maksimum sayı daha çox olan elektronlar tərəfindən formalaşır. Və ən çox, momentləri böyüklükdə bərabər və əks istiqamətdə olan elektronlar. Belə elektronların vektorlarının ucları dar bir zolaqda deyil, bütün Fermi səthi boyunca yerləşir. Hər hansı digər elektronlarla müqayisədə bu elektronların sayı o qədər çoxdur ki, praktiki olaraq yalnız bir qrup Kuper cütləri əmələ gəlir - eyni böyüklükdə və əks istiqamətdə momentə malik elektronlardan ibarət cütlər. Bu cütlərin diqqətəlayiq xüsusiyyəti, bütün cütlərin kütlə mərkəzlərinin eyni impulsa malik olması, cütlər istirahətdə olduqda sıfıra bərabər və sıfırdan fərqli, lakin bütün cütlər üçün eyni olmasından ibarətdir. cütlər kristal boyunca hərəkət etdikdə. Bu, hər bir fərdi elektronun hərəkəti ilə cüt-cüt bağlanmış bütün digər elektronların hərəkəti arasında kifayət qədər ciddi korrelyasiyaya gətirib çıxarır.

Elektronlar "bir-birinə iplə bağlanmış alpinistlər kimi hərəkət edirlər: əgər onlardan biri relyefin qeyri-bərabərliyi səbəbindən (atomların istilik hərəkəti nəticəsində) uğursuz olarsa, qonşuları onu geri qaytarır". Bu xüsusiyyət Cooper cütlərinin səpilmələrə daha az həssas olmasını təmin edir. Buna görə də, əgər cütlər bu və ya digər xarici təsirlə nizamlı hərəkətə gətirilirsə, onda onların yaratdığı elektrik cərəyanı onu törədən amilin fəaliyyəti dayandırıldıqdan sonra da qeyri-müəyyən müddət ərzində keçiricidə mövcud ola bilər. Belə bir amil yalnız E elektrik sahəsi ola bildiyindən, bu o deməkdir ki, Fermi elektronlarının Kuper cütlərinə bağlandığı metalda həyəcanlı elektrik cərəyanı i sahənin dayanmasından sonra belə dəyişməz olaraq mövcud olmağa davam edir: E-də i=const. =0. Bu, metalın həqiqətən də ideal keçiriciliyə malik superkeçirici vəziyyətdə olduğunun sübutudur. Təxminən, elektronların bu vəziyyəti sürtünmə olmadan hərəkət edən cisimlərin vəziyyəti ilə müqayisə edilə bilər: belə cisimlər ilkin impuls alaraq onu dəyişməz saxlayaraq istədiyi qədər hərəkət edə bilər.

Yuxarıda Cooper cütünü helium atomu ilə müqayisə etdik. Ancaq bu müqayisə çox diqqətlə aparılmalıdır. Artıq qeyd edildiyi kimi, cütün müsbət yükü helium atomu kimi qeyri-sabit və ciddi şəkildə sabitdir, lakin hərəkət edən elektronların özləri tərəfindən induksiya olunur və onlarla birlikdə hərəkət edir. Bundan əlavə, bir cütdəki elektronların bağlanma enerjisi, helium atomunda onların bağlanma enerjisindən bir çox dərəcə aşağıdır. Cədvəl 1-dəki məlumatlara əsasən, Kuper cütləri üçün E işıq = (10 -2 -10 -3) eV, helium atomları üçün isə E işıq = 24,6 eV. Buna görə də, bir Kuper cütünün ölçüsü bir helium atomunun ölçüsündən çox böyükdür. Hesablama göstərir ki, cütün effektiv diametri L? (10 -7 -10 -6) m; ona koherens uzunluğu da deyilir. Cütlüyün tutduğu L 3 həcmi ~ 10 6 digər belə cütlərin kütlə mərkəzlərini ehtiva edir. Buna görə də, bu cütlər bir növ fəzadan ayrılmış "kvazimolekullar" hesab edilə bilməz. Digər tərəfdən, bütün cütlərin dalğa funksiyalarının ortaya çıxan böyük üst-üstə düşməsi elektron cütləşməsinin kvant effektini onun makroskopik təzahürünə qədər artırır.

Kuper cütləri ilə helium atomları arasında başqa və çox dərin bir bənzətmə var. Bu, bir cüt elektronun atomlar kimi tam spinli bir sistem olmasından ibarətdir. Məlumdur ki, heliumun həddindən artıq axıcılığını bozon kondensasiyasının aşağı enerji səviyyəsində spesifik təsirinin təzahürü kimi qəbul etmək olar. Bu nöqteyi-nəzərdən superkeçiriciliyi Kuper cüt elektronlarının bir növ fövqəladə axıcılığı kimi qəbul etmək olar. Bu bənzətmə daha da irəli gedir. Nüvələri yarım tam spin olan başqa bir helium izotopunun ifrat axıcılığı yoxdur. Ancaq bu yaxınlarda kəşf edilən ən diqqətəlayiq fakt budur ki, temperatur azaldıqca atomlar Kuperinkinə çox oxşar cütlər əmələ gətirir və maye həddindən artıq maye olur. İndi deyə bilərik ki, ifrat axıcılıq onun atom cütlərinin super keçiriciliyinə bənzəyir.

Beləliklə, elektron cütləşmə prosesi tipik bir kollektiv effektdir. Elektronlar arasında yaranan cəlbedici qüvvələr iki təcrid olunmuş elektronun qoşalaşmasına səbəb ola bilməz. Əslində, həm Fermi elektronlarının bütün kollektivi, həm də qəfəs atomları cütün əmələ gəlməsində iştirak edir. Buna görə də, bağlama enerjisi (boşluğun eni E w) bütövlükdə elektron və atomlar kollektivinin vəziyyətindən asılıdır. Mütləq sıfırda, bütün Fermi elektronları cüt-cüt bağlandıqda, enerji boşluğu E q maksimum eninə E q (0) çatır. Temperaturun artması ilə, səpilmə zamanı elektronlara enerji verə bilən fononlar yaranır, cütü qırmaq üçün kifayətdir. Aşağı temperaturda bu fononların konsentrasiyası aşağı olur, bunun nəticəsində elektron cütlərinin qırılması halları nadir hallarda baş verəcəkdir. Bəzi cütlərin qırılması qalan cütlərin elektronları üçün boşluğun yox olmasına səbəb ola bilməz, lakin onu bir qədər daraldır; Boşluq sərhədləri Fermi səviyyəsinə yaxınlaşır. Temperaturun daha da artması ilə fononların konsentrasiyası çox tez artır, əlavə olaraq onların orta enerjisi artır. Bu, elektron cütünün qırılma sürətinin kəskin artmasına və müvafiq olaraq, qalan cütlər üçün enerji boşluğu genişliyinin sürətlə azalmasına səbəb olur. Müəyyən bir temperaturda Tk boşluq tamamilə yox olur, onun kənarları Fermi səviyyəsi ilə birləşir və metal normal vəziyyətə keçir.

2.5 Metal fononlara görə elektronlar arasında effektiv qarşılıqlı təsir

Fröhlich göstərdi ki, elektronların fononlarla qarşılıqlı təsiri elektronlar arasında effektiv qarşılıqlı təsirə səbəb ola bilər. Aşağıda onun nəzəriyyəsinin əsas müddəalarını qeyd edəcəyik.

İdeal qəfəsdə elektronun keçiricilik zolağında hərəkəti Blox funksiyası ilə müəyyən edilir

u k (r) = u k (r+n) dövrilik şərtini ödəyən u k (r) funksiyası ilə modullaşdırılmış müstəvi dalğanı təmsil edir, burada n ızgara vektoru, k dalğa vektorudur; h y spin vəziyyətinin funksiyasıdır. Onun açıq formasına və u k (r) funksiyasının formasına daha çox ehtiyacımız olmayacaq.

V həcmində N elektron olan bütün metalın elektron dalğa funksiyası N funksiyasının q k,y antisimmetrik hasilidir. Əsas vəziyyət Fermi səthinin daxilində k - fəzasında yatan vəziyyətlərin doldurulmasına uyğundur. Fərz edək ki, bu səth zona sərhədindən uzaqda yerləşir və izotropdur, yəni k 0 radiuslu kürədir. həyəcanlanma zamanı |k| vəziyyətlərindən elektronlar< k 0 переходят в состояния k| >k 0.

Əgər е k kvazi impulslu ђk elektron vəziyyətinin enerjisidirsə, ikincili kvantlaşmanın təsvirində elektron sisteminin Hamiltonianı (sabit müddətə qədər) formaya malikdir.

burada a + kу, a kу kvazirəciklərin yaradılması və məhv edilməsinin Fermi operatorlarıdır.

Metal qəfəsin fononları ilə qarşılıqlı təsir operatorunu müəyyən etmək üçün nəzərə alırıq ki, qəfəsdə n-ci yeri tutan müsbət ion təxminən n miqdar yerdəyişdikdə elektronun qəfəslə qarşılıqlı təsir enerjisi dəyişəcək. miqdar. Buna görə də ikinci dərəcəli kvantlaşdırmanın təsvirində elektron-fonon qarşılıqlı əlaqə operatoru formada yazıla bilər.

Fermi operatorları vasitəsilə a ku və bərabərlikdən istifadə edərək Bloch funksiyaları ilə ifadə edilən operator haradadır

İon yerdəyişmə operatoru müəyyən edilmişdir, buna görə də,

Bose operatorları haradadır; s dalğa vektoruna q uyğun gələn uzununa səs dalğalarının sürətidir, çünki yalnız uzununa dalğalar töhfə verir və onlar üçün u(q) = kv.

Nəzərə alsaq ki, əgər, əgər və sıfıra bərabərdirsə, əgər, işğal ədədlərinin təsvirində elektron-fonon qarşılıqlı əlaqə operatorlarının yekun ifadəsini alırıq.

burada (1825) Fermi operatorlarının məhsullarının cəminin qısaldılmış işarəsidir; - elektron-fonon qarşılıqlı təsirini təyin edən kiçik kəmiyyət. İnteqrasiya bir elementar hüceyrə üzərində aparılır. "es" hərfləri. Ermitian konjugatı bütün əvvəlki terminlər göstərilir.

Qarşılıqlı təsir operatoru (24) elektronların spin vəziyyətindən asılı deyildir, ona görə də sonrakı hissədə spin indeksini y yazmağı buraxa bilərik. Operator (24) qəfəsdəki ionların vahid vahid kimi hərəkət etməsi, D(q)-nin yalnız q-dan asılı olması və k-dan asılı olmaması və qəfəsdəki ionların titrəyişlərinin uzununa bölünməsi ehtimalı ilə alınmışdır. və bütün q dəyərləri üçün eninədir, buna görə qarşılıqlı əlaqə yalnız uzununa fononlarla baş verir. Bu sadələşdirmələr olmadan hesablamalar çox mürəkkəbləşir. Belə bir mürəkkəblik yalnız kəmiyyət nəticələri əldə etmək lazım olduqda əsaslandırılır.

Oxşar sənədlər

Maqnit axınının kvantlaşdırılması. Superkeçiriciliyin termodinamik nəzəriyyəsi. Cozefson effekti superkeçirici kvant fenomeni kimi. Superkeçirici kvant müdaxilə detektorları, onların tətbiqi. Zəif maqnit sahələrini ölçmək üçün cihaz.

test, 02/09/2012 əlavə edildi


Superkeçiriciliyin anlayışı və təbiəti, onun praktik tətbiqi. 1-ci və 2-ci tip superkeçiricilərin xassələrinin xüsusiyyətləri. Ultra aşağı temperaturda metalların superkeçiriciliyi fenomenini izah edən “Bardin-Kuper-Şriffer nəzəriyyəsi”nin (BCS) mahiyyəti.

mücərrəd, 12/01/2010 əlavə edildi


Superkeçiricilərin kəşfi, Meysner effekti, yüksək temperaturlu superkeçiricilik, superkeçirici bumu. Yüksək temperaturlu superkeçiricilərin sintezi. Superkeçirici materialların tətbiqi. Dielektriklər, yarımkeçiricilər, keçiricilər və superkeçiricilər.

kurs işi, 06/04/2016 əlavə edildi


1911-ci ildə civə müqavimətinin dəyişməsinin xüsusiyyətlərinin kəşfi. Çox keçiricilərə xas olan superkeçiricilik fenomeninin mahiyyəti. Superkeçiriciliyin mümkün olan ən maraqlı sənaye tətbiqləri. "Məhəmmədin tabutu" ilə təcrübə.

təqdimat, 22/11/2010 əlavə edildi


Dirac monopol hipotezləri. Superkeçiricilik şəraitində müşahidə olunan maqnit axını kvantına eyni olan elektronun maqnit yükü. Maqnit axınının kvantlaşdırılmasının təsirinin təhlili. Coulomb qanunu: elektrik və maqnit yükünün qarşılıqlı təsiri.

məqalə, 12/09/2010 əlavə edildi


Düz cərəyana qarşı elektrik müqavimətinin sıfıra endirilməsi və maqnit sahəsinin həcmdən çıxarılması. Superkeçirici materialın istehsalı. Superkeçiricilik cərəyanla məhv edildikdə aralıq vəziyyət. Birinci və ikinci növ superkeçiricilər.

kurs işi, 24/07/2010 əlavə edildi


Superkeçirici materialların xassələri. Qeyri-maqnit boşluqlarının elektrik müqavimətinin və maqnit keçiriciliyinin təyini. Sahəyə görə maqnit sahəsinin gücünün azalması. Cihazın işləmə şərtləri. Meissner effektinin tətbiqi və onun ixtirası.

elmi iş, 04/20/2010 əlavə edildi


Superkeçiriciliyin nəzəriyyəsi və praktikası üzərində işləməklə məşhurlaşan böyük fiziklər. Aşağı temperaturda maddənin xassələrinin öyrənilməsi. Superkeçiricilərin çirklərə reaksiyası. Superkeçiriciliyin fiziki təbiəti və onun praktiki tətbiqi perspektivləri.

təqdimat, 04/11/2015 əlavə edildi


Superkeçiricilərin kəşf tarixi, onların təsnifatı. Superkeçirici vəziyyətə faza keçidi. Bu hadisəni təsvir edən elmi nəzəriyyələr və onu nümayiş etdirən təcrübələr. Josephson effekti. Süperkeçiriciliyin sürətləndiricilərdə, tibbdə və nəqliyyatda tətbiqi.

kurs işi, 04/04/2014 əlavə edildi


Layihənin əsaslandırılması üçün elmi və nəzəri dəstək hazırda nəzəri fizikanın elementar bilikləri hesab edilənlərə əsaslanır. Bu, bir çox hallarda nədənsə bu günə qədər istifadə olunmayan qanunların və diqqətəlayiq təsirlərin bir sıra kəşfləridir.