Хэт дамжуулагчийн онолын товч тойм ба өндөр температурын хэт дамжуулалтын асуудлуудад дүн шинжилгээ хийсэн. Сургуулийн нэвтэрхий толь Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл гэж юу вэ

Хэт дамжуулалт - зарим материалын шинж чанар нь тодорхой утгаас (чухал температур) доогуур температурт хүрэх үед цахилгаан эсэргүүцэл нь хатуу тэг байх болно. Хэт дамжуулагч төлөвт хувирдаг хэдэн арван цэвэр элемент, хайлш, керамик эдлэлийг мэддэг. Хэт дамжуулалт бол квант үзэгдэл юм. Энэ нь мөн соронзон орныг хэт дамжуулагчийн эзэлхүүнээс бүрэн шилжүүлэхээс бүрддэг Мейснер эффектээр тодорхойлогддог. Энэ нөлөө байгаа нь хэт дамжуулалтыг сонгодог утгаараа хамгийн тохиромжтой дамжуулалт гэж тайлбарлах боломжгүй гэдгийг харуулж байна.

1986-1993 онд нээгдсэн. Хэд хэдэн өндөр температурын хэт дамжуулагч (HTSC) нь хэт дамжуулагчийн температурын хязгаарыг хойш тавьж, хэт дамжуулагч материалыг зөвхөн шингэн гели (4.2 К) температурт төдийгүй шингэний буцлах цэгт ашиглах боломжтой болгосон. азот (77 К), хамаагүй хямд криоген шингэн.

YouTube видео

Нээлтийн түүх

Хэт дамжуулагчийн үзэгдлийн нээлтийн үндэс нь материалыг хэт бага температурт хөргөх технологийг хөгжүүлэх явдал байв. 1877 онд Францын инженер Луи Кайетт, Швейцарийн физикч Рауль Пиктет нар хүчилтөрөгчийг бие даан шингэн төлөвт хөргөв. 1883 онд Зигмунт Вроблевски, Карол Ольшевски нар азотыг шингэрүүлсэн. 1898 онд Жеймс Дьюар шингэн устөрөгч гаргаж авч чаджээ.

1893 онд Голландын физикч Хайке Камерлингх Оннес хэт бага температурын асуудлыг судалж эхэлсэн. Тэрээр 1908 оны 7-р сарын 10-нд шингэн гели гаргаж авсан дэлхийн хамгийн шилдэг криоген лабораторийг байгуулж чадсан юм. Дараа нь тэр температурыг 1 градус Кельвин болгож чадсан. Камерлингх Оннес металлын шинж чанарыг судлах, ялангуяа тэдгээрийн цахилгаан эсэргүүцлийн температураас хамаарлыг хэмжихэд шингэн гелийг ашигласан. Тухайн үед оршин байсан сонгодог онолын дагуу эсэргүүцэл нь температур буурах тусам аажмаар буурах ёстой боловч хэт бага температурт электронууд бараг зогсч, гүйдэл бүхэлдээ зогсдог гэсэн үзэл бодол бас байдаг. Камерлингх Оннесийн туслах Корнелис Дорсман, Гиллес Холст нартай хийсэн туршилтууд нь эсэргүүцэл жигд буурсан гэсэн дүгнэлтийг анх баталжээ. Гэсэн хэдий ч 1911 оны 4-р сарын 8-нд тэрээр 3 градус Кельвин (-270 ° C) температурт мөнгөн усны цахилгаан эсэргүүцэл бараг тэг болохыг олж мэдэв. 5-р сарын 11-нд хийсэн дараагийн туршилт нь тэг хүртэл эсэргүүцлийн огцом үсрэлт нь ойролцоогоор 4.2 К температурт тохиолддог болохыг харуулсан (дараа нь илүү нарийвчлалтай хэмжилтүүд энэ температур 4.15 К болохыг харуулсан). Энэ нөлөө нь огт санаанд оромгүй байсан бөгөөд тухайн үеийн онолоор тайлбарлах боломжгүй байв.

1912 онд бага температурт хэт дамжуулагч төлөвт ордог өөр хоёр металлыг илрүүлсэн: хар тугалга, цагаан тугалга. 1914 оны 1-р сард хэт дамжуулалтыг хүчтэй соронзон орны нөлөөгөөр устгадаг болохыг харуулсан. 1919 онд талли, уран нь бас хэт дамжуулагч болохыг олж мэдсэн.

Тэг эсэргүүцэл нь хэт дамжуулалтын цорын ганц ялгах шинж чанар биш юм. Хэт дамжуулагч ба идеал дамжуулагчийн гол ялгааны нэг бол 1933 онд Уолтер Мейснер, Роберт Охсенфельд нарын нээсэн Мейснер эффект юм.

Хэт дамжуулагчийн тухай анхны онолын тайлбарыг 1935 онд Фриц, Хайнц Лондон нар өгсөн. Илүү ерөнхий онолыг 1950 онд Л.Д.Ландау, В.Л.Гинзбург нар бүтээжээ. Энэ нь өргөн тархсан бөгөөд Гинзбург-Ландау онол гэж нэрлэгддэг. Гэсэн хэдий ч эдгээр онолууд нь феноменологийн шинж чанартай байсан бөгөөд хэт дамжуулагчийн нарийвчилсан механизмыг илрүүлээгүй. Хэт дамжуулалтыг анх 1957 онд Америкийн физикч Жон Бардин, Леон Купер, Жон Шриффер нарын бүтээлд микроскопийн түвшинд тайлбарласан. Тэдний онолын BCS онол гэж нэрлэгддэг гол элемент нь Куперийн хос электронууд юм.

Хэт дамжуулагчийг хоёр том гэр бүлд хуваадаг болохыг олж мэдсэн: I төрлийн хэт дамжуулагч (ялангуяа мөнгөн ус орно) ба II төрөл (ихэвчлэн өөр өөр металлын хайлш). 1930-аад онд Л.В.Шубников, 1950-иад онд А.А.Абрикосов нарын хийсэн ажил нь II төрлийн хэт дамжуулалтыг нээхэд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн.

1950-иад онд хүчтэй соронзон орныг тэсвэрлэх чадвартай, өндөр гүйдлийн нягтыг тэсвэрлэх чадвартай хэт дамжуулагчийг нээсэн нь өндөр чадлын цахилгаан соронзонд практик хэрэглээнд ихээхэн ач холбогдолтой байв. Ийнхүү 1960 онд Ж.Кюнцлерийн удирдлаган дор 100 кА/см² хүртэлх нягттай гүйдлийг 4.2 К температурт дамжуулах чадвартай, соронзонд байрлах Nb3Sn материалыг нээсэн. талбайн 8.8 Т.

1962 онд Английн физикч Брайан Жозефсон түүний нэрийг хүлээн авсан эффектийг нээсэн.

1986 онд Карл Мюллер, Георг Беднорз нар өндөр температурын хэт дамжуулагч гэж нэрлэгддэг шинэ төрлийн хэт дамжуулагчийг нээсэн. 1987 оны эхээр лантан, стронций, зэс, хүчилтөрөгчийн нэгдлүүд (La-Sr-Cu-O) нь 36 К-ийн температурт цахилгаан дамжуулах чанар нь бараг тэг болж үсрдэг болохыг харуулсан. 1987 оны 3-р сарын эхээр хэт дамжуулагчийг олж авсан. шингэн азот (77.4 К) буцалгах температураас дээш температурт анх удаа: иттри, бари, зэс, хүчилтөрөгчийн нэгдэл (Y-Ba-Cu-O) ийм шинж чанартай болохыг олж мэдсэн. 2006 оны 1-р сарын 1-ний байдлаар дээд амжилт нь 2003 онд нээсэн керамик нэгдэл Hg-Ba-Ca-Cu-O(F)-д хамаарах бөгөөд эгзэгтэй температур нь 138 К байна. Түүнээс гадна 400 кбар даралттай үед ижил нэгдэл нь 166 К хүртэл температурт хэт дамжуулагч юм.

YouTube видео

Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих үе шат

Цэвэр дээжийн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температурын хүрээ нь Келвиний мянганы нэгээс хэтрэхгүй тул Tc-ийн тодорхой утга буюу хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температур нь утга учиртай юм. Энэ утгыг шилжилтийн чухал температур гэж нэрлэдэг. Шилжилтийн интервалын өргөн нь металлын нэг төрлийн бус байдал, юуны түрүүнд хольц, дотоод стресс байгаа эсэхээс хамаарна. Одоогоор мэдэгдэж байгаа Tc температур нь магнийн (Mg) 0.0005 К-ээс ниоби ба германий хоорондын металл нэгдлүүдийн хувьд (Nb3Ge, хальсан дээрх) 23.2 К, бага температурт хэт дамжуулагчийн хувьд магнийн диборид (MgB2) 39 К (77 К-ээс доош Tc) хооронд хэлбэлздэг. , шингэн азотын буцлах цэг), мөнгөн ус агуулсан өндөр температурт хэт дамжуулагчийн хувьд ойролцоогоор 135 К хүртэл. Одоогийн байдлаар HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) фаз нь эгзэгтэй температурын мэдэгдэж буй хамгийн өндөр утгатай - 135 К бөгөөд 350 мянган атмосферийн гадаад даралттай үед шилжилтийн температур 164 К хүртэл нэмэгдэж, энэ нь 19 К-ээр бага байна. Дэлхийн гадаргуу дээрх байгалийн нөхцөлд бүртгэгдсэн хамгийн бага температур. Ийнхүү хэт дамжуулагч нь металл мөнгөн ус (4.15К)-аас мөнгөн ус агуулсан өндөр температурт хэт дамжуулагч (164К) болж хувирав.

Бодисын хэт дамжуулагч төлөвт шилжих нь түүний дулааны шинж чанарын өөрчлөлт дагалддаг. Гэхдээ энэ өөрчлөлт нь тухайн супер дамжуулагчийн төрлөөс хамаарна. Тиймээс I хэлбэрийн хэт дамжуулагчийн хувьд Tc шилжилтийн температурт соронзон орон байхгүй үед шилжилтийн дулаан (шингээх эсвэл суллах) тэг болж, улмаар II төрлийн фазын шилжилтийн шинж чанар болох дулааны багтаамжийн үсрэлт үүсдэг. . Хэт дамжуулагчийн электрон дэд системийн дулааны хүчин чадлын энэхүү температурын хамаарал нь хэт дамжуулагчийн үндсэн төлөв ба энгийн өдөөлтийн түвшин хоорондын электронуудын тархалтад энергийн зөрүү байгааг харуулж байна. Хэт дамжуулагч төлөвөөс хэвийн төлөв рүү шилжихдээ хэрэглэсэн соронзон орныг өөрчлөх замаар дулааныг шингээх шаардлагатай (жишээлбэл, дээж нь дулаан тусгаарлагдсан бол түүний температур буурдаг). Энэ нь 1-р эрэмбийн фазын шилжилттэй тохирч байна. II төрлийн хэт дамжуулагчийн хувьд ямар ч нөхцөлд хэт дамжуулагчаас хэвийн төлөв рүү шилжих нь II төрлийн фазын шилжилт болно.

Мейснер эффект

Хэт дамжуулагчийн тэг цахилгаан эсэргүүцлээс илүү чухал шинж чанар бол соронзон урсгалыг B = 0 болгож хэт дамжуулагчаас бүрддэг Мейснер эффект юм. Энэхүү туршилтын ажиглалтаас үзэхэд хэт дамжуулагчийн дотор гаднах соронзон орны эсрэг талын дотоод соронзон орон үүсгэж, түүнийг нөхөх тасралтгүй гүйдэл байдаг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн.

Өгөгдсөн температурт хангалттай хүчтэй соронзон орон нь бодисын хэт дамжуулагч байдлыг устгадаг. Өгөгдсөн температурт бодис хэт дамжуулагч төлөвөөс хэвийн төлөв рүү шилжихэд хүргэдэг Hc эрчимтэй соронзон оронг эгзэгтэй орон гэж нэрлэдэг. Хэт дамжуулагчийн температур буурах тусам Hc-ийн утга нэмэгддэг. Температураас эгзэгтэй талбарын хамаарлыг илэрхийлэлээр сайн нарийвчлалтайгаар дүрсэлсэн

Энд Hc0 нь тэг температурт чухал талбар юм. Хэт дамжуулагч нь эгзэгтэй хэмжээнээс их нягтралтай цахилгаан гүйдлийг хэт дамжуулагчаар нэвтрүүлэхэд мөн адил алга болдог, учир нь энэ нь эгзэгтэй хэмжээнээс их соронзон орон үүсгэдэг.

Лондонгийн мөч

Эргэдэг хэт дамжуулагч нь эргэлтийн тэнхлэгтэй яг таарч тохирсон соронзон орон үүсгэдэг бөгөөд үүссэн соронзон моментийг "Лондонгийн момент" гэж нэрлэдэг. Үүнийг ялангуяа "Gravity Probe B" шинжлэх ухааны хиймэл дагуулд ашигласан бөгөөд дөрвөн хэт дамжуулагч гироскопийн соронзон орны эргэлтийн тэнхлэгийг тодорхойлоход ашигласан. Гироскопуудын роторууд нь бараг төгс гөлгөр бөмбөрцөг хэлбэртэй байсан тул Лондонгийн моментийг ашиглах нь тэдний эргэлтийн тэнхлэгийг тодорхойлох цөөхөн аргуудын нэг байв.

Хэт дамжуулагчийн хэрэглээ

Өндөр температурын хэт дамжуулагчийг олж авахад ихээхэн ахиц дэвшил гарсан. Жишээлбэл, YBa2Cu3Ox найрлагатай металл керамик дээр үндэслэн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих Tc температур нь 77 К (азотын шингэрүүлэх температур) -аас хэтэрсэн бодисыг олж авсан.

Хүчтэй гүйдэл нь хэт дамжуулагчаар дамжин өнгөрч, хүчтэй соронзон орон үүсгэх үед дулааны алдагдал байхгүй тул хэт дамжуулагчийн үзэгдлийг хүчтэй соронзон орон үүсгэхэд ашигладаг. Гэсэн хэдий ч соронзон орон нь хэт дамжуулагчийн төлөвийг устгадаг тул соронзон орон гэж нэрлэгддэг хүчийг хүчтэй соронзон орон олж авахад ашигладаг. Хэт дамжуулагч ба соронзон орон зэрэгцэн орших боломжтой II төрлийн хэт дамжуулагч. Ийм хэт дамжуулагчийн хувьд соронзон орон нь дээжинд нэвтэрч буй ердийн металлын нимгэн утаснуудын харагдах байдлыг үүсгэдэг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь соронзон урсгалын квантыг агуулдаг. Утас хоорондын бодис нь хэт дамжуулагч хэвээр байна. II төрлийн хэт дамжуулагчийн хувьд бүрэн Meissner нөлөө байхгүй тул хэт дамжуулалт нь соронзон орны Hc2-ийн илүү өндөр утгууд хүртэл байдаг.
Хэт дамжуулагч дээр суурилсан фотон илрүүлэгч байдаг. Зарим нь эгзэгтэй гүйдэл байгаа тохиолдолд тэд мөн Жозефсон эффект, Андреевын тусгал гэх мэтийг ашигладаг. Тиймээс IR мужид нэг фотоныг бүртгэх хэт дамжуулагч нэг фотон детектор (SSPD) байдаг бөгөөд эдгээр нь детекторуудаас хэд хэдэн давуу талтай байдаг. бүртгэлийн бусад аргыг ашиглан ижил төстэй хүрээний (PMTs гэх мэт).
II төрлийн хэт дамжуулагч дахь эргүүлэгийг санах ойн эс болгон ашиглаж болно. Зарим соронзон солитонууд ижил төстэй хэрэглээг аль хэдийн олсон байна. Шингэн дэх эргэлтийг санагдуулам илүү төвөгтэй хоёр ба гурван хэмжээст соронзон солитонууд байдаг бөгөөд тэдгээрийн доторх гүйдлийн шугамын үүргийг зөвхөн үндсэн соронзон (домайн) дагуух шугамууд гүйцэтгэдэг.

Метал дахь электронууд
Изотопын эффектийг нээсэн нь хэт дамжуулагч нь болор тор дахь дамжуулагч электрон ба атомуудын харилцан үйлчлэлийн улмаас үүссэн байж магадгүй гэсэн үг юм. Энэ нь хэт дамжуулалтад хэрхэн хүргэдэгийг мэдэхийн тулд металлын бүтцийг харах хэрэгтэй. Бүх талст хатуу биетүүдийн нэгэн адил металлууд нь орон зайд хатуу дарааллаар байрлуулсан эерэг цэнэгтэй атомуудаас тогтдог. Атомуудыг байрлуулах дарааллыг ханын цаас дээрх давтагдах хэв маягтай харьцуулж болох боловч загвар нь гурван хэмжээст давтагдах ёстой. Дамжуулах электронууд болорын атомуудын хооронд гэрлийн хурдаас 0.01-0.001 хурдтайгаар хөдөлдөг; Тэдний хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл юм.

Өгүүллийн агуулга

Хэт дамжуулагч чанар,Зарим хатуу цахилгаан дамжуулагч бодис бага температурт хувирдаг төлөв. Хэт дамжуулалтыг олон металл, хайлш, хагас дамжуулагч болон керамик материалуудын тоо өсөн нэмэгдэж байгааг илрүүлсэн. Бодисын хэт дамжуулагч төлөвт ажиглагдсан хамгийн гайхалтай хоёр үзэгдэл бол хэт дамжуулагч дахь цахилгаан эсэргүүцэл алга болж, соронзон урсгалыг гадагшлуулах явдал юм. см. доор) түүний эзлэхүүнээс. Эхний үр нөлөөг эртний судлаачид хязгааргүй их цахилгаан дамжуулалтын нотолгоо гэж тайлбарласан тул хэт дамжуулагч гэж нэрлэжээ.

Цахилгаан эсэргүүцэл алга болсныг хэт дамжуулагч материалын цагираг дахь цахилгаан гүйдлийг өдөөх замаар харуулж болно. Хэрэв цагиргийг шаардлагатай температурт хөргөх юм бол цагираг дахь гүйдэл нь түүнийг үүсгэсэн гүйдлийн эх үүсвэрийг арилгасны дараа ч тодорхойгүй байх болно. Соронзон урсгал нь соронзон орон үүсгэдэг хүчний соронзон шугамын багц юм. Талбайн хүч нь тодорхой эгзэгтэй утгаас доогуур байх үед урсгалыг хэт дамжуулагчаас шахаж гаргадаг бөгөөд үүнийг Зураг дээр схемээр үзүүлэв. 1.

Цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг хатуу биет бол электронууд хөдөлж чаддаг болор тор юм. Торыг геометрийн зөв дарааллаар байрлуулсан атомуудаас бүрдүүлдэг бөгөөд хөдөлж буй электронууд нь атомын гаднах бүрхүүлээс электронууд юм. Электронуудын урсгал нь цахилгаан гүйдэл тул эдгээр электронуудыг дамжуулагч электрон гэж нэрлэдэг. Хэрэв дамжуулагч хэвийн (хэт дамжуулагчгүй) төлөвт байвал электрон бүр бусдаас үл хамааран хөдөлдөг. Аливаа электрон хөдөлж, улмаар цахилгаан гүйдлийг хадгалах чадвар нь тортой, түүнчлэн хатуу биет дэх хольцын атомуудтай мөргөлдөх замаар хязгаарлагддаг. Дамжуулагчид электрон гүйдэл байхын тулд түүнд хүчдэл өгөх шаардлагатай; Энэ нь дамжуулагч нь цахилгаан эсэргүүцэлтэй гэсэн үг юм. Хэрэв дамжуулагч нь хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бол дамжуулагч электронууд нэг макроскопийн дараалсан төлөвт нэгдэж, "хамт" байдлаар ажилладаг; Бүхэл бүтэн "баг" нь гадны нөлөөнд хариу үйлдэл үзүүлдэг. Электрон ба торны хоорондох мөргөлдөөн нь боломжгүй болж, гүйдэл нь гадаад гүйдлийн эх үүсвэр (хүчдэл) байхгүй үед үүссэн тохиолдолд оршин тогтнох болно. Хэт дамжуулагч төлөв нь шилжилтийн температур гэж нэрлэгддэг температурт гэнэт үүсдэг. Энэ температураас дээш бол металл эсвэл хагас дамжуулагч нь хэвийн төлөвт, түүнээс доош - хэт дамжуулагч төлөвт байна. Өгөгдсөн бодисын шилжилтийн температур нь хоёр "эсрэг хүчний" хоорондын хамаарлаар тодорхойлогддог: нэг нь электронуудыг эмхлэх, нөгөө нь энэ дарааллыг устгах хандлагатай байдаг. Жишээлбэл, зэс, алт, мөнгө зэрэг металлыг эрэмбэлэх хандлага маш бага тул эдгээр элементүүд нь абсолют тэгээс дээш келвиний хэдхэн саяны нэгтэй тэнцэх температурт ч хэт дамжуулагч болдоггүй. Үнэмлэхүй тэг (0 К, -273.16 ° C) нь бодис бүх дулаанаа алддаг доод температурын хязгаар юм. Бусад металл ба хайлш нь 0.000325-аас 23.2 К () хооронд хэлбэлзэх температуртай байдаг. хүснэгтийг үзнэ үү). 1986 онд шилжилтийн ер бусын өндөр температуртай керамик материалаас хэт дамжуулагчийг бүтээжээ. Тиймээс керамик дээжийн хувьд YBa 2 Cu 3 O 7 шилжилтийн температур 90 К-ээс хэтэрдэг.

Физикчид хэт дамжуулагч төлөвийг макроскопийн квант механик төлөв гэж нэрлэдэг. Микроскопийн масштабаар материйн зан төлөвийг тодорхойлоход ихэвчлэн хэрэглэгддэг квант механикийг энд макроскопийн масштабаар ашигладаг. Чухамдаа энд квант механик нь бодисын макроскоп шинж чанарыг тайлбарлах боломжийг бидэнд олгодог нь хэт дамжуулалтыг ийм сонирхолтой үзэгдэл болгодог.

Нээлт.

Металлын тухай маш их мэдээлэл нь гадаад хүчдэл ба түүний үүсгэсэн гүйдлийн хоорондын хамаарлаас гардаг. Ерөнхийдөө энэ харилцаа нь тэгш байдлын хэлбэртэй байдаг В/I = Р, Хаана В- хүчдэл, I- одоогийн ба Р- цахилгаан эсэргүүцэл. Энэ хуулийн дагуу (Омын хууль) цахилгаан гүйдэл нь ямар ч утгын хүчдэлтэй пропорциональ байна Р, энэ нь пропорциональ байдлын коэффициент юм.

Эсэргүүцэл нь ихэвчлэн гүйдэлээс хамааралгүй боловч температураас хамаардаг. 1908 онд шингэн гели гарган авсны дараа Лейдений Их Сургуулийн (Нидерланд) Г.Камерлингх-Оннес шингэн гелийд дүрсэн цэвэр мөнгөн усны эсэргүүцлийг хэмжиж эхлээд (1911) шингэн гелий температурт мөнгөн усны эсэргүүцэл тэг болж буурдаг болохыг олж мэдэв. Бусад олон металл, хайлш нь бага температурт хэт дамжуулагч болдог болохыг хожим олж мэдсэн.

Дараагийн чухал нээлтийг 1933 онд Германы физикч В.Мейснер, түүний хамтран зүтгэгч Р.Охсенфельд нар хийсэн. Хэрэв цилиндр хэлбэртэй дээжийг уртааш соронзон орон дотор байрлуулж, шилжилтийн температураас доош хөргөхөд соронзон урсгалыг бүрэн гадагшлуулдаг болохыг тэд олж мэдсэн. Энэ үзэгдлийг Майснер эффект гэж нэрлэсэн нь хэт дамжуулалт нь квант механик үзэгдэл гэдгийг физикчдэд ойлгуулснаараа чухал нээлт болсон юм. Хэрэв хэт дамжуулалт нь зөвхөн цахилгаан эсэргүүцэл арилахаас бүрддэг бол үүнийг сонгодог физикийн хуулиар тайлбарлаж болно.

СУПЕР ДАМЖУУЛАГЧДЫН ШИНЖ

Физик уран зохиолд янз бүрийн нөхцөлд хэт дамжуулагч эсвэл хэт дамжуулагчгүй төлөвт байж болох бодис эсвэл материалыг ихэвчлэн хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Ижил энгийн (ижил атомуудаас бүрдэх) металл, хайлш эсвэл хагас дамжуулагч нь зарим температурын хязгаарт хэт дамжуулагч эсвэл гадаад соронзон орон байж болно; температур эсвэл илүү чухал утгын талбарт энэ нь ердийн (ихэвчлэн хэвийн гэж нэрлэдэг) дамжуулагч юм.

Мейснер эффектийг нээсний дараа хэт дамжуулагчтай олон тооны туршилт хийсэн. Судалгаанд хамрагдсан шинж чанаруудын дунд:

1) Критик соронзон орон - хэт дамжуулагч хэвийн төлөвт байгаа талбайн утга. Чухал талбарууд нь хэт дамжуулагч болон түүний металлофизикийн төлөв байдлаас хамааран хэдэн арван гауссаас хэдэн зуун мянган гаусс хүртэл хэлбэлздэг. Өгөгдсөн хэт дамжуулагчийн эгзэгтэй талбар нь температураас хамаарч өөрчлөгддөг бөгөөд нэмэгдэх тусам буурдаг. Шилжилтийн температурт эгзэгтэй талбар нь тэг, үнэмлэхүй тэг үед хамгийн их байдаг (Зураг 2).

2) Критик гүйдэл - хэт дамжуулагчийн хэт дамжуулагч төлөвийг алдалгүйгээр тэсвэрлэх хамгийн их тогтмол гүйдэл. Чухал соронзон орны нэгэн адил эгзэгтэй гүйдэл нь температураас ихээхэн хамаардаг бөгөөд нэмэгдэх тусам буурдаг.

3) Нэвтрэх гүн - соронзон урсгал нь хэт дамжуулагч руу нэвтрэх зай. Нэвтрэх гүн нь температурын функц болж хувирдаг бөгөөд янз бүрийн материалд өөр өөр байдаг: 3H 10-6-аас 2H 10-5 см-ийн хооронд соронзон урсгал нь гадаргуугийн давхаргад эргэлдэж буй гүйдлийн тусламжтайгаар хэт дамжуулагчаас гадагшилдаг. нэвтрэлтийн гүнтэй ойролцоогоор тэнцүү байна.

Соронзон урсгал яагаад шахагдаж байгааг ойлгохын тулд, i.e. Мэйснерийн эффектийг юу үүсгэдэг вэ гэвэл бүх физик системүүд хамгийн бага энергитэй төлөвт ордог гэдгийг санах хэрэгтэй. Соронзон орон нь тодорхой хэмжээний энергитэй байдаг. Хэт дамжуулагчийн энерги нь соронзон орон дээр нэмэгддэг. Гэхдээ хэт дамжуулагчийн гадаргуугийн давхаргад гүйдэл үүсдэг тул энэ нь дахин буурдаг. Эдгээр гүйдэл нь гаднаас хэрэглэж буй талбайг нөхөх соронзон орон үүсгэдэг. Хэт дамжуулагчийн энерги нь гадны соронзон орон байхгүй үеийнхээс өндөр боловч орон дотор нь нэвтрэн орох үеийнхээс бага байдаг.

Соронзон урсгалыг бүрэн гадагшлуулах нь бүх хэт дамжуулагчийн хувьд эрчим хүчний хувьд ашиг тустай байдаггүй. Зарим материалд соронзон урсгалын зарим шугам материалд хэсэгчлэн нэвтэрч, соронзон орон байхгүй хэт дамжуулагч хэсгүүдийн мозайк, нэг байгаа газарт хэвийн бүсүүд үүссэн тохиолдолд соронзон орны хамгийн бага энергийн төлөвт хүрдэг.

4) Когерентийн урт - электронууд хоорондоо харилцан үйлчилж, хэт дамжуулагч төлөвийг бий болгох зай. Когерентийн уртын доторх электронууд хоорондоо уялдаатай ("алхам" шиг) хөдөлдөг. Янз бүрийн хэт дамжуулагчийн когерентийн урт нь 5х10-7-аас 10-4 см-ийн хооронд хэлбэлздэг. Их хэмжээний когерентийн урт (10-8 см-ийн дарааллын атомын хэмжээсээс хамаагүй том) байгаа нь хэт дамжуулагчийн ер бусын шинж чанартай холбоотой юм.

5) Хувийн дулаан багтаамж - 1 г бодисын температурыг 1 К-ээр нэмэгдүүлэхэд шаардагдах дулааны хэмжээ. Хэт дамжуулагчийн хувийн дулаан багтаамж нь хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температурын ойролцоо огцом нэмэгдэж, буурах тусам маш хурдан буурдаг. температур. Тиймээс шилжилтийн мужид хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бодисын температурыг нэмэгдүүлэхийн тулд ердийн төлөвөөс илүү их дулаан шаардагддаг бөгөөд маш бага температурт эсрэгээрээ байдаг. Тусгай дулаан багтаамжийг голчлон дамжуулагч электронуудаар тодорхойлдог тул энэ үзэгдэл нь электронуудын төлөв өөрчлөгдөж байгааг харуулж байна.

Хэт дамжуулагчийн онолууд

1957 оноос өмнө туршилтын өгөгдлийг тайлбарлах оролдлого нь феноменологийн шинж чанартай байсан: тэдгээр нь хиймэл таамаглал эсвэл одоо байгаа онолын сул өөрчлөлт дээр үндэслэсэн бөгөөд туршилттай тохиролцоход чиглэгддэг. Эхний төрлийн оролдлогын жишээ бол шилжилтийн температурт дамжуулагч электронуудын зарим нь эсэргүүцэл үзүүлэхгүйгээр шилжих чадварыг олж авдаг гэсэн хоёр шингэний загвар юм. Энэхүү загвар нь эгзэгтэй талбайн температурын хамаарал, эгзэгтэй гүйдэл ба нэвтрэлтийн гүнийг тайлбарласан боловч тухайн үзэгдлийн талаар физик ойлголт өгөхөд юу ч өгдөггүй. ийм хэсэгчилсэн хэт дамжуулалтыг тайлбарлахгүй.

1935 онд онолын физикч ах дүү Ф, Г.Лондон нар хэт дамжуулалтыг макроскопийн квант эффект гэж үзэхийг санал болгосноор ахиц дэвшил гарсан. (Өмнө нь атомын хэмжүүр дээр 10-8 см-ийн дарааллаар ажиглагддаг квант эффект л мэдэгдэж байсан.) Лондончууд цахилгаан соронзонгийн сонгодог тэгшитгэлийг өөрчилсөн бөгөөд ингэснээр Мейснер эффект, хязгааргүй дамжуулалт, хязгаарлагдмал нэвтрэлтийг бий болгосон. гүн. 1950-иад оны эхээр Кембрижийн их сургуулийн А.Пиппард ийм квант төлөв нь 10-4 см хүртэлх зайг хамардаг макроскоп шинж чанартай болохыг харуулсан. Атомын радиусаас 10000 дахин их.

Эдгээр хүчин чармайлт нь чухал байсан ч хэт дамжуулалтыг удирддаг үндсэн харилцан үйлчлэлийн гол цөмд хүрч чадаагүй юм. Энэхүү харилцан үйлчлэлийн мөн чанарын зарим шинж тэмдгүүд нь 1950-иад оны эхээр ижил элементийн өөр өөр изотопоор хийсэн металлын хэт дамжуулагч шилжилтийн температур ижил биш болохыг олж мэдсэн үед гарч ирэв. Атомын масс их байх тусам шилжилтийн температур бага байх болно. (Ижил элементийн изотопууд ижил тооны электронтой боловч өөр өөр цөмийн масстай байдаг.) ​​Шилжилтийн температур нь болор торны атомуудын массаас хамаардаг тул хэт дамжуулалт нь цэвэр электрон эффект биш гэдгийг изотопын эффект харуулсан.

Метал дахь электронууд.

Изотопын эффектийг нээсэн нь хэт дамжуулагч нь болор тор дахь дамжуулагч электрон ба атомуудын харилцан үйлчлэлийн улмаас үүссэн байж магадгүй гэсэн үг юм. Энэ нь хэт дамжуулалтад хэрхэн хүргэдэгийг мэдэхийн тулд металлын бүтцийг харах хэрэгтэй. Бүх талст хатуу биетүүдийн нэгэн адил металлууд нь орон зайд хатуу дарааллаар байрлуулсан эерэг цэнэгтэй атомуудаас тогтдог. Атомуудыг байрлуулах дарааллыг ханын цаас дээрх давтагдах хэв маягтай харьцуулж болох боловч загвар нь гурван хэмжээст давтагдах ёстой. Дамжуулах электронууд болорын атомуудын хооронд гэрлийн хурдаас 0.01-0.001 хурдтайгаар хөдөлдөг; Тэдний хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл юм.

Бардин-Купер-Шриффер (BCS) онол.

1956 онд Санкт-Петербургийн их сургуулиас Л. Иллинойс электронууд бие биедээ татагдаж байвал таталцал хэчнээн сул байсан ч тэдгээр нь "конденсаци" -тай холбоотой төлөвт шилжих ёстойг харуулсан. Энэхүү холбогдсон төлөв нь эрэлхийлсэн хэт дамжуулагч төлөв гэж таамаглаж болно. Куперийн төсөөлж байсанчлан ийм таталцлыг хоёр электрон хооронд хийх боломжтой бөгөөд болор торонд хөдөлж буй холбогдсон хосууд (Куперийн хос гэж нэрлэгддэг) үүсэхэд хүргэх ёстой.

Гэвч 1950 онд Г.Фроэлич торны атомуудтай харилцан үйлчлэлцсэний улмаас электронууд бие биедээ татагдах боломжтой гэж үзсэн. Энэхүү татах механизмыг электрон-фононы харилцан үйлчлэл гэж нэрлэдэг; дараах байдалтай байна. Кристал торонд хөдөлж буй электрон түүнийг гажуудуулж байгаа мэт. Энэ нь сөрөг цэнэгтэй электронууд болон эерэг цэнэгтэй торны атомуудын харилцан үйлчлэлтэй холбоотой юм. Торон дундуур хөдөлж буй электрон атомуудаа "нэвтүүлдэг". Дараа нь хоёр дахь электрон эерэг цэнэгийн нэмэгдэж буй нөлөөгөөр "нарийн бүс" рүү татагдана. "Торны деформацид" зарцуулсан эхний электроны энерги нь Куперийн хосын хоёр дахь гишүүнд алдагдалгүйгээр шилждэг. Ийм хос нь торны дагуу хөдөлж, торны атомуудаар энерги солилцдог боловч энергийг бүхэлд нь алдагдуулдаггүй (Зураг 3).

Энэ харилцан үйлчлэл нь резинэн мембран дээрх хоёр хүнд бөмбөгний үйлдэлтэй зарим талаараа төстэй юм. Нэг бөмбөг өнхрөхөд мембраныг нугалж, хоёр дахь бөмбөг түүний араас дагалддаг. Бөмбөгнөөс ялгаатай нь ижил цэнэгтэй электронууд бие биенээ түлхэж байдаг. Гэхдээ энэ харилцан түлхэлт нь электронууд хоорондоо маш ойрхон байх үед л хүчтэй бөгөөд холдох тусам хурдан буурдаг. Тор буюу электрон-фононы харилцан үйлчлэлд электронууд бие биенээсээ нэлээд зайтай байдаг (5х10-7-10-4 см зайд). Ийм зайд электронуудын түлхэлт нь электрон-фононы харилцан үйлчлэлтэй харьцуулахад бага байдаг тул электронууд бие биедээ үр дүнтэй татагддаг. (Фонон нь болор торны чичиргээний энергийн квант юм.)

Өнөөг хүртэл бид зөвхөн нэг Купер хосыг авч үзсэн бол бодит байдал дээр 1 см 3 матерт ойролцоогоор 10 20 Купер хос байдаг. Нэг Купер хосын үүсгэсэн торны гажуудал нь бусад хосуудын таталцлыг тасалдуулж болзошгүй гэж төсөөлөхөд хялбар байдаг. 1957 онд Ж.Бардин, Л.Купер, Ж.Шриффер нар BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer) хэмээх онолыг дэвшүүлж, 1972 онд Физикийн чиглэлээр Нобелийн шагнал хүртжээ. Энэ онолын дагуу хосууд бүгд ижил импульстэй уялдаа холбоотой төлөвийг бүрдүүлдэг. Эдгээр когерент электронууд нь нэг квант төлөвт байдаг гэж хэлдэг; тэдгээр нь квант буюу хэт шингэн шингэнийг үүсгэдэг. Том хэмжээний электронуудын энэхүү уялдаа холбоо нь квантын зарчмуудын гайхалтай макроскопийн нотолгоо юм.

BCS онол нь бидний аль хэдийн хэлэлцсэн хэт дамжуулагчийн олон шинж чанарыг тайлбарладаг. Хэт дамжуулагч дахь электронууд нь боломжит энерги нь хамгийн бага байхаар хамтын төлөвт ордог. Хамтдаа хөдөлж, электрон-фононы харилцан үйлчлэлийн механизмаар дамжуулан электронууд бие биедээ татагддаг бөгөөд системийн боломжит энерги нь бие биенээ татдаггүй хоёр электронтой харьцуулахад бага болж хувирдаг. Ийм хамтын төлөвт байгаа хэт дамжуулагч нь гүйдэл эсвэл соронзон орны эрчим хүчийг нэмэгдүүлэх нөлөөг эсэргүүцэх чадвартай; Энэ нь чухал гүйдэл ба талбайн температурын хамаарлыг илэрхийлдэг. Шилжилтийн температураас дээш электронууд нь хэт их дулааны энергитэй бөгөөд "сэтгэл хөдөлдөг", i.e. бага энергитэй хэт дамжуулагч төлөвөөс хэвийн, өндөр энергитэй төлөв рүү шилжих.

Изотопын нөлөө нь хөнгөн изотопуудад тор нь бага энергитэй "сэтгэл хөдөлдөг" гэж тайлбарладаг. Илүү хүнд изотопын тор нь хэв гажилтанд илүү хэцүү байдаг тул хэт дамжуулалт руу шилжих нь бага температурт явагддаг. Зэс, алт зэрэг сайн дамжуулагч яагаад хэт дамжуулагч биш болохыг BCS онол тайлбарладаг. Эдгээр бодис дахь дамжуулагч электронууд нь атомын тороор амархан дамждаг бөгөөд түүнтэй бараг харьцдаггүй. Энэ нь ийм материалыг сайн цахилгаан дамжуулагч болгодог, учир нь тэд торны тархалтаас болж бага энерги алддаг. Хэт дамжуулагч төлөвт хүрэхийн тулд торны атом ба электронуудын хооронд хүчтэй харилцан үйлчлэл шаардлагатай. Энэ шалтгааны улмаас маш сайн цахилгаан дамжуулагч нь ихэвчлэн хэт дамжуулагч биш юм.

1 ба 2-р төрлийн хэт дамжуулагч.

Соронзон орон дахь үйлдлээс хамааран хэт дамжуулагчийг 1 ба 2-р төрлийн хэт дамжуулагч гэж хуваадаг. 1-р төрлийн хэт дамжуулагч нь аль хэдийн яригдаж байсан хамгийн тохиромжтой шинж чанаруудыг харуулдаг. Соронзон орон байгаа тохиолдолд хэт дамжуулагчийн гадаргуугийн давхаргад гүйдэл үүсдэг бөгөөд энэ нь дээжийн зузаан дахь гадаад талбарыг бүрэн нөхдөг. Хэрэв хэт дамжуулагч нь урт цилиндр хэлбэртэй бөгөөд түүний тэнхлэгтэй зэрэгцээ талбарт байрладаг бол эгзэгтэй талбарт хүрэх үед нэвтрэлтийн гүн нь 3х10-6 см байж болно материалд нэвтэрдэг. 1-р төрлийн хэт дамжуулагчийн чухал талбарууд нь ихэвчлэн 100-аас 800 Gas хооронд хэлбэлздэг. Хэдийгээр 1-р төрлийн хэт дамжуулагч нь гүехэн гүн нэвтрэлтийн гүнтэй боловч тэдгээр нь 10-4 см-ийн дарааллаар их хэмжээний уялдаатай байдаг.

2-р хэлбэрийн хэт дамжуулагч нь их хэмжээний нэвтрэлтийн гүн (ойролцоогоор 2 × 10-5 см), богино когерент урт (5 × 10-7 см) -ээр тодорхойлогддог. Сул соронзон орон (500 Гаусс-аас бага) байгаа тохиолдолд бүх соронзон урсгал нь 2-р төрлийн хэт дамжуулагчаас гадагшилдаг. Гэхдээ илүү өндөр Н с 1 – эхний эгзэгтэй талбар – соронзон урсгал нь хэвийн төлөвөөс бага хэмжээгээр сорьц руу нэвтэрдэг. Энэхүү хэсэгчилсэн нэвтрэлт нь хоёр дахь чухал талбар хүртэл үргэлжилнэ - Н с 2, энэ нь 100 кг-аас хэтрэх боломжтой. Том талбайтай Н с 2, урсгал нь бүрэн нэвтэрч, бодис хэвийн болно. Төрөл бүрийн хэт дамжуулагчийн шинж чанарыг хүснэгтэд үзүүлэв.

Хүснэгт: Критик температур ба талбайнууд

ЧИГЛЭЛТИЙН ТЕМПЕРАТУР БА ТАЛБАЙ
Материал	Критик температур, К	Чухал талбарууд (0 K-д), Г
1-р төрлийн хэт дамжуулагч
Родиум	0,000325	0,049
Титан	0,39	60
Кадми	0,52	28
Цайр	0,85	55
Галлиум	1,08	59
Талли	2,37	180
Индиум	3,41	280
Цагаан тугалга	3,72	305
Мөнгөн ус	4,15	411
Тэргүүлэх	7,19	803
2-р төрлийн хэт дамжуулагч		Hc 1	Hc 2
Ниоби	9,25	1735	4040
Nb3Sn	18,1	–	220 000
Nb3Ge	23,2	–	400 000
Pb 1 Mo 5.1 S 6	14,4	–	600 000
Yba 2 Cu 3 O 7	90–100	1000*	1 000 000*
* Үнэмлэхүй тэг хүртэл экстраполяци хийсэн.

Жозефсон эффект.

1962 онд Кембрижийн их сургуулийн аспирант Б.Жозефсон хоёр хэт дамжуулагчийг хэд хэдэн ангстромын зайд ойртуулах юм бол юу болох талаар бодож байхдаа Куперын хосыг "хонгилын" эффектийн улмаас нүүлгэн шилжүүлэхийг санал болгов. тэг хүчдэлийн үед нэг хэт дамжуулагчийг нөгөөд шилжүүлэх.

Хоёр гайхалтай үр нөлөөг урьдчилан таамагласан. Нэгдүгээрт, хэт дамжуулагч (тархдаггүй) гүйдэл нь хонгилын хэт дамжуулагч контактаар (диэлектрик давхаргаар тусгаарлагдсан хоёр хэт дамжуулагчаас бүрдэх уулзвар) урсаж болно. Энэ гүйдлийн чухал утга нь гадаад соронзон ороноос хамаарна. Хоёрдугаарт, хэрэв контактаар дамжих гүйдэл нь эгзэгтэй уулзварын гүйдлээс давсан бол контакт нь өндөр давтамжийн цахилгаан соронзон цацрагийн эх үүсвэр болдог. Эдгээр нөлөөллүүдийн эхнийх нь хөдөлгөөнгүй Жозефсон эффект, хоёр дахь нь хөдөлгөөнгүй нөлөө юм. Хоёр нөлөө хоёулаа туршилтаар тодорхой ажиглагддаг. Ялангуяа соронзон орон нэмэгдэж байгаа үед уулзвараар дамжих хамгийн их хэт дамжуулагч гүйдлийн хэлбэлзэл ажиглагдсан. Хэрэв гадны эх үүсвэрээс тодорхойлсон гүйдэл нь эгзэгтэй утгаас хэтэрсэн бол уулзвар дээр хүчдэл гарч ирнэ В, цаг хугацаанаас хамааран үе үе. Хүчдэлийн хэлбэлзлийн давтамж нь контактаар дамжих гүйдэл нь түүний чухал утгаас хэр их давж байгаагаас хамаарна.

Мэдээжийн хэрэг, хоёр хэт дамжуулагчийг хэд хэдэн ангстромын зайд ойртуулах боломжгүй юм. Иймээс туршилтын явцад хөнгөн цагаан зэрэг хэт дамжуулагч материалын нимгэн давхаргыг субстрат дээр цацаж, дараа нь гадаргуугаас хэд хэдэн ангстромын гүн хүртэл исэлдүүлж, дээрээс нь өөр нэг хөнгөн цагааны давхарга цацсан. Хөнгөн цагааны исэл нь диэлектрик гэдгийг санаарай. Ийм "сэндвич" нь бие биенээсээ хэд хэдэн ангстромын зайд байрладаг хоёр хэт дамжуулагчтай тэнцүү юм.

Жозефсон эффект нь хэт дамжуулагч төлөвт байгаа электронуудын хоорондын фазын хамаарлаас үүдэлтэй. Хэт дамжуулагч төлөвийн мөн чанар нь атомын тороор дамжин Куперийн хосуудын уялдаа холбоотой хөдөлгөөн юм гэж дээр хэлсэн. Хэт дамжуулагч дахь Купер хосуудын уялдаа холбоо нь хос электронууд "фазаар" хөдөлж байгаагаар тодорхойлогддог. Хоёр өөр супер дамжуулагчийн хос Купер "фазаас" хөдөлдөг. Ийнхүү жагсаж буй ротын цэрэг бүр өөрийн ротын цэрэг бүртэй хөл нийлүүлэн алхаж, харин нөгөө ротын цэргүүдтэй хөл нийлүүлэн алхдаггүй. Хэрэв хоёр хэт дамжуулагчийг ойртуулах юм бол Купер хосууд хоорондын зайг нэвтлэх боломжтой. Хонгилын үед Купер хосын үе шат өөрчлөгддөг. Хэрэв өөрчлөлт нь Купер хос хоёр дахь супер дамжуулагч дахь хосуудтай хөл нийлүүлж эхлэх юм бол хонгил хийх боломжтой. Энэ нь хөдөлгөөнгүй Жозефсон эффектэд тохиолддог зүйл юм. Соронзон орны хэмжээ нь хонгилын хосуудын олж авсан фазын шилжилтийг тодорхойлдог.

Жозефсоны түр зуурын эффект нь уулзвараар дамжин өнгөрөх гүйдэл нь тогтвортой төлөвийн Жозефсон эффектийн чухал утгаас хэтэрсэн үед үүсдэг. Хоёр хэт дамжуулагчийн хооронд хүчдэл үүсдэг бөгөөд энэ нь хоёр хэт дамжуулагч дахь фазууд цаг хугацааны явцад өөрчлөгдөхөд хүргэдэг. Энэ нь эргээд хоёр хэт дамжуулагчийн фазын зөрүүний өөрчлөлтийн дагуу хонгилын гүйдлийг хэлбэлзэхэд хүргэдэг (чиглэлээ өөрчилдөг).

ХЭРЭГЛЭЭ

1911-1986 онуудад маш олон хэт дамжуулагч металл, хайлшийг судалсан боловч шилжилтийн хамгийн өндөр хэмжсэн температур нь 23.2 К. Энэ температурт хөргөхөд үнэтэй шингэн гели (4 He) шаардлагатай байв. Тиймээс хэт дамжуулагчийн хамгийн амжилттай хэрэглээ нь их хэмжээний шингэн гели шаарддаггүй лабораторийн туршилтын түвшинд хэвээр байна.

1986 оны сүүлээр Цюрих дэх IBM-ийн судалгааны лабораторид ажиллаж байсан К.Мюллер (Швейцарь) болон Ж.Беднорц (Герман) нар лантан, бари, зэс, хүчилтөрөгчийн атомаас хийсэн керамик дамжуулагч нь температурт шилжих температуртай болохыг олж мэдэв. хэт дамжуулагч төлөв 35 К-тэй тэнцэнэ. Удалгүй дэлхийн судалгааны бүлгүүд 90-100 К-ийн шилжилтийн температуртай керамик материалыг үйлдвэрлэж, тэдгээр нь хэт дамжуулагчийг (2-р төрөл, см. илүү өндөр) 200 кГ хүртэл соронзон орон.

Керамик хэт дамжуулагч нь харьцангуй хямд шингэн азотоор хөргөх үед судалж, ашиглах боломжтой тул томоохон хэмжээний хэрэглээнд маш ирээдүйтэй байдаг.

Лабораторийн хэрэглээ.

Хэт дамжуулагчийн үйлдвэрлэлийн анхны хэрэглээ бол маш чухал талбар бүхий хэт дамжуулагч соронз бүтээх явдал байв. Хямд үнэтэй хэт дамжуулагч соронз нь 1960-аад оны дунд үе гэхэд жижиг лабораторид ч гэсэн 100 кГ-аас дээш соронзон орон авах боломжтой болсон. Өмнө нь ердийн цахилгаан соронзон ашиглан ийм талбайг бий болгоход ороомог дахь цахилгаан гүйдлийг хадгалахын тулд маш их хэмжээний цахилгаан эрчим хүч, тэдгээрийг хөргөхийн тулд асар их хэмжээний ус шаардагддаг.

Хэт дамжуулалтын дараагийн практик хэрэглээ нь мэдрэмтгий электрон төхөөрөмжүүдийн технологитой холбоотой юм. Жозефсон контакттай төхөөрөмжүүдийн туршилтын дээж нь 10-15 Вт-ын хүчдэлийг илрүүлж чаддаг. 10-9 Гауссын дарааллын соронзон орныг илрүүлэх чадвартай соронзон хэмжигчийг соронзон материалыг судлах, түүнчлэн эмнэлгийн соронзон кардиографид ашигладаг. Таталцлын хэлбэлзлийн хэт мэдрэмтгий мэдрэгчийг геофизикийн янз бүрийн салбарт ашиглаж болно.

Хэмжил зүйд хэт дамжуулалтын техник, ялангуяа Жозефсоны контактууд улам бүр нэмэгдэж байна. Жозефсон контактуудыг ашиглан 1 V стандартыг бий болгосон бөгөөд энэ нь тодорхой бодис дахь хурц шилжилтийг жишиг (тогтмол) температурын цэгүүдийг олж авахад ашигладаг криоген бүсэд зориулагдсан. Шинэ техникийг одоогийн харьцуулагч, RF-ийн хүч ба шингээлтийн коэффициент хэмжилт, давтамжийн хэмжилтэд ашигладаг. Мөн атомын бөөмсийн бутархай цэнэгийг хэмжих, харьцангуйн онолыг шалгах зэрэг суурь судалгаанд ашигладаг.

Хэт дамжуулалтыг компьютерийн технологид өргөнөөр ашиглах болно. Энд хэт дамжуулагч элементүүд нь маш хурдан сэлгэн залгах хугацаа, нимгэн хальсан элементүүдийг ашиглах үед бага хэмжээний эрчим хүчний алдагдал, өндөр эзэлхүүнтэй хэлхээний баглаа боодлын нягтыг хангаж чадна. Нимгэн хальстай Жозефсон контактуудын прототипүүдийг олон зуун логик болон санах ойн элементүүдийг агуулсан хэлхээнд боловсруулж байна.

Аж үйлдвэрийн хэрэглээ.

Хэт дамжуулагчийн үйлдвэрлэлийн хамгийн сонирхолтой боломжит хэрэглээ бол цахилгаан эрчим хүчийг үйлдвэрлэх, дамжуулах, ашиглах явдал юм. Жишээлбэл, хэдхэн инч диаметртэй хэт дамжуулагч кабель нь асар том цахилгаан дамжуулах шугамын сүлжээтэй ижил хэмжээний цахилгааныг маш бага эсвэл огт алдагдалгүйгээр тээвэрлэж чаддаг. Крио дамжуулагчийг тусгаарлах, хөргөх зардлыг эрчим хүчний дамжуулалтын үр ашгаар нөхөх ёстой. Шингэн азотоор хөргөсөн керамик хэт дамжуулагч бий болсноор хэт дамжуулагч ашиглан цахилгаан дамжуулах нь эдийн засгийн хувьд маш сонирхолтой болж байна.

Хэт дамжуулагчийн өөр нэг боломжит хэрэглээ бол хүчирхэг гүйдлийн генераторууд болон жижиг цахилгаан моторууд юм. Хэт дамжуулагч материалын ороомог нь генератор болон цахилгаан хөдөлгүүрт асар их соронзон орон үүсгэж, ердийн машинуудаас хамаагүй илүү хүчтэй болгодог. Прототипүүд эртнээс бий болсон бөгөөд керамик хэт дамжуулагч нь ийм машиныг нэлээд хэмнэлттэй болгож чаддаг. Хэт дамжуулагч соронзыг цахилгаан эрчим хүчийг хадгалах, соронзонгидродинамик, термоядролын энерги үйлдвэрлэхэд ашиглах боломжийг мөн авч үзэж байна.

Хэт дамжуулагчийн үүсгэсэн асар том соронзон орныг маглевын галт тэрэг (соронзон хөөрөлт) хийхэд хэрхэн ашиглаж болохыг инженерүүд эртнээс сонирхож ирсэн. Хөдөлгөөнт соронз ба чиглүүлэгч дамжуулагчийн гүйдэл хоёрын харилцан түлхэлтийн хүчнээс болж галт тэрэг чимээ шуугиан, үрэлтгүйгээр жигд хөдөлж, маш өндөр хурдтай явах боломжтой байв. Япон, Герман дахь туршилтын маглев галт тэрэгнүүд 300 км/цаг хурдалж байна.

Үүний тулд бид хэд хэдэн огноог санаж, 1911 онд Голландын физикч Камерлингх-Онкес Лейдений лабораторид хэт дамжуулагчийн шинэ үзэгдлийг нээсэн үеэс эхлэх хэрэгтэй болов уу. Дараа нь тэрээр хамгийн түрүүнд хэт бага температурт хүрч, гелийг хасах 269 градусын температурт шингэн болгон хувиргасан. Эцэст нь шингэн гели дэх бодисыг хөргөж, тэдгээрийн шинж чанарыг цоо шинэ, одоо хүртээмжтэй температурын мужид судлах боломжтой болсон.

Тухайн үед олон хүн (Оннес ч мөн адил үзэл бодолтой байсан) -273 градус ойртох тусам хэний ч цахилгаан эсэргүүцэл тэг болж буурах ёстой гэж итгэдэг байв. Эцсийн эцэст үүнийг шалгах нь хичнээн сонирхолтой байсан бэ! Гэвч баталгаажуулалт нь бүтсэнгүй. Магадгүй бохирдол буруутай юм болов уу? Оннес мөнгөн ус нь маш цэвэр төлөвт шинжлэгдэх тохиромжтой металл болохыг олж мэдсэн. Металлын электрон онолын таамаглаж байгаагаар мөнгөн усны эсэргүүцэл нь температур буурах тусам буурсан. Дөрвөн градус хүртэл бүх зүйл хэвийн болж, гэнэт эсэргүүцэл бүрэн арилав. Энэ нь гэнэт алга болсон, тэр даруй - гэнэт.

Гэсэн хэдий ч Омнес үүнийг нэлээд тайван хүлээж авсан. Тэрээр үүнийг цахилгаан эсэргүүцлийн онолынхоо баталгаа гэж үзээд олсон мөнгөн усны шинэ төлөвийг "хэт дамжуулагч" гэж нэрлэсэн. Гэвч удалгүй тэг хүртэл эсэргүүцэх парадокс үсрэлтийг ямар ч онолоор тайлбарлах боломжгүй бөгөөд Оннес өөрийн бодож байснаас тэс өөр зүйлийг нээсэн нь тодорхой болов.

Металд юу өөрчлөгдөж болох байсан бэ, яагаад тодорхой температурт (Оннес үүнийг чухал гэж нэрлэдэг) электронуудыг хөдөлгөхөд юу ч саад болохгүй, яагаад тэд болор торны атомуудтай харилцан үйлчлэхээ больдог, эсвэл физикчдийн хэлснээр тороор тархахаа больдог вэ? чичиргээ?

Эсвэл бодисын эсэргүүцэл хэвээр байгаа бөгөөд энэ нь зүгээр л хэмжих боломжгүй болтлоо багасч байна уу? Оннес өөрөө болон олон туршилтчид хоёулаа энэхүү үлдэгдэл эсэргүүцлийг "барих" гэж оролдсон. Тэд хэт дамжуулагч цагираг дахь цахилгаан гүйдлийн уналтаас үүсэх эсэргүүцлийн утгыг тооцоолохдоо хамгийн мэдрэмтгий аргуудыг ашигласан. Эдгээр туршилтууд тун саяхныг хүртэл үргэлжилсэн бөгөөд алдарт Коллинсын туршилтаар өндөрлөж, цахилгаан гүйдэл бүхий хэт дамжуулагч хар тугалганы цагираг шингэн гелийд гурван жил орчим хадгалагдан үлджээ.

Хамгийн мэдрэмтгий аргууд нь гүйдлийн бууралтыг илрүүлээгүй. Энэ нь зөвхөн сайн цахилгаан дамжуулах чанар биш, харин хэт дамжуулагч гэсэн үг юм. Туршилтыг үргэлжлүүлэх шаардлагагүй байсан: энэ нь хэт дамжуулагчийн "эсэргүүцэл" нь цэвэр зэсээс дор хаяж тэрбум дахин бага болохыг харуулсан.

Нэг секундын өмнө 22 жил өнгөрч, үүнээс дутуугүй гайхалтай нээлт хийгдэв. Хэт дамжуулалт нь зөвхөн "хамгийн тохиромжтой дамжуулалт" төдийгүй "хамгийн тохиромжтой диамагнетизм" юм. Диамагнит бодисууд нь соронзон оронтой "харшилтай" бодисууд гэдгийг санацгаая. Соронзон талбарт байрлуулснаар тэд үүнийг өөрөөсөө нүүлгэн шилжүүлэх хандлагатай байдаг бөгөөд орон зайд талбайн хүч хамгийн бага байх байр суурийг эзэлдэг. Тохиромжтой диамагнитийн хувьд хэт дамжуулагч нь өөрийн доторх өчүүхэн соронзон орныг тэсвэрлэдэггүй. Тиймээс 1933 онд тэг эсэргүүцэл ба тэг соронзон орон нь хэт дамжуулагч төлөвийн хоёр шинж чанар болох нь тодорхой болсон.

Аажмаар Европ, Америкийн бүх томоохон төвүүдэд хэт дамжуулагчийн ажил өрнөж эхлэв. Хамгийн томд нь - зөвхөн хамгийн хүчирхэг шинжлэх ухааны байгууллагууд үнэтэй хөргөх байгууламж, гелий шингэрүүлэх үйлдвэрүүдийг хадгалах боломжтой байсан.

Гэвч өндөр өртөг ч, шингэн гелийн хомсдол ч физикчдэд олон жилийн турш олон тооны бодит материал хуримтлуулахад саад болоогүй - олон зуун шинэ хэт дамжуулагчийг нээж, огт санаанд оромгүй бүхэл бүтэн цуврал үр нөлөөг олж илрүүлсэн. Элемент, нэгдлүүд, хайлш зэрэг мянга орчим хэт дамжуулагч бодисыг бид аль хэдийн мэддэг болсон. Тэдгээрийн дотор Менделеевийн үелэх системийн хорь гаруй элемент, байгалийн нөхцөлд дэлхий дээр байдаггүй (цөмийн реакторт зохиомлоор үйлдвэрлэдэг) металл болох технециум хүртэл байдаг. Хэт дамжуулагчийг хэт дамжуулагч элементүүдээс бүрдсэн металл хайлш ба органик бус нэгдлүүд эзэмшдэг бөгөөд хамгийн гайхалтай нь тэдгээрийг агуулаагүй нь тогтоогджээ. Удаан хугацааны туршид хамгийн өндөр эгзэгтэй температурын аварга шалгаруулах тэмцээнийг ниобий нитрид (-259 градус) зохион байгуулж, дараа нь ванадийн цахиурт -256 градусын хэт дамжуулалтыг илрүүлж, 1954 онд хамгийн өндөр температурыг тэмдэглэв: -254.8 градус. ниоби станнид (цагаан тугалгатай хайлш ниоби).

Зарим шинж чанарт үндэслэн, гол төлөв соронзон, хэт дамжуулагч бодисыг эхний болон хоёрдугаар төрлийн хэт дамжуулагч болгон хувааж эхлэв. Өндөр эгзэгтэй температуртай бүх бодисууд II төрлийн хэт дамжуулагч болж хувирав. Тэд мөн бусад чухал шинж чанаруудыг харуулсан: эгзэгтэй соронзон орны өндөр утга ба гүйдлийн чухал нягт. Энэ нь юу гэсэн үг вэ? Мэдэгдэж байсан: хэт дамжуулалтыг зөвхөн эгзэгтэй температураас дээш температурыг нэмэгдүүлэх замаар төдийгүй соронзон орон ашиглах замаар "устгаж" болно. Тиймээс эдгээр нэгдлүүдийн дээжүүд нь хэт хүчтэй соронзон орон дотор хөндлөн огтлолын нэг см квадрат тутамд сая ампер хүртэл нягттай гүйдэл дамжсан ч гэсэн хэт дамжуулагч хэвээр байв.

Тэр жилүүдэд хэт дамжуулагч нь өөр чиглэлээс хүчтэй халдлагад өртөж байв. Энд гелий дутагдалтай, тоног төхөөрөмжийн нарийн төвөгтэй байдал, өндөр өртөгтэй холбоотой гомдол гараагүй. Онолчид математикийн бусад бэрхшээлтэй тулгарсан. Хэт дамжуулагчийн нууцын шийдлийг хэн гаргаагүй вэ? 1957 он хүртэл саад бэрхшээлийг даван туулж чадсангүй.

Хэт дамжуулагчийн нээлт

Тиймээс хэт дамжуулалтын ерөнхий онол гарч ирэв. Үүний гол санаа нь энэ юм. Кулоны хуулийн дагуу ижил тэмдгийн бөөмсүүд бие биенээ түлхэх ёстой. Энэ хууль нь мэдээжийн хэрэг хэт дамжуулагчдад бас ажиглагддаг. Гэхдээ энэ харилцан үйлчлэлийн зэрэгцээ метал дотор өөр ямар нэг зүйл байж болох юм - завсрын орчинд электронуудын хооронд үүсдэг сул таталт. Энэ орчин нь металл тор өөрөө, эсвэл илүү нарийвчлалтай, түүний чичиргээ юм. Тиймээс хэрэв энэ таталцал нь түлхэх хүчнээс их байх үед нөхцөл байдал үүсвэл хэт дамжуулалт үүснэ.

Онол нь үндсэндээ хэт дамжуулалтын мөн чанарыг зөв тайлбарлаж байгаа гэдэгт одоо хэн ч эргэлзэхгүй байна. Гэхдээ энэ нь бүх асуудал шийдэгдсэн гэсэн үг үү? Онолчдоос асуу: "Яагаад цагаан тугалга 3.7 хэм, ниоби 9.2 хэмийн температуртай байдаг вэ?" Харамсалтай нь, онол ийм чухал асуултуудад автсан хэвээр байна ...

Физикийн ердийн зам: үзэгдлийг олж мэдсэн - тайлбарласан - ашиглаж сурсан. Ихэнх тохиолдолд онолын хөгжил, хэрэглээний аргын хөгжил зэрэг нь зэрэгцээ явагддаг. Мэдээжийн хэрэг, өдөр тутмын амьдралаас хол, хэт дамжуулагч гэх мэт ер бусын газарт "хэрэглээ" гэдэг үгийг ердийнхөөс арай өөрөөр ойлгох ёстой - эдгээр нь трактор эсвэл угаалгын машин биш юм. Хэрэглэх гэдэг нь өвөрмөц эффект ашиглаж, тэдгээрийг "ажиллуулах" гэсэн үг юм. Эхэндээ зөвхөн лабораторид, чимээ шуугиантай амжилт, мэдрэмжгүй ч бай.

Хэрэв бид хэт дамжуулагч соронз хийхийг оролдвол яах вэ? - энэ асуулт өнгөрсөн зууны 20-аад онд гарч ирсэн. Хамгийн хүчтэй соронзон орон нь цахилгаан соронзонгийн тусламжтайгаар үүсдэг гэдгийг мэддэг. Харьцангуй хямд суурилуулалтыг ашиглан энэ аргыг ашиглан 20 мянга хүртэлх хүч чадалтай талбайг нэлээд амжилттай олж авах боломжтой. Хэрэв танд илүү хүчтэй талбай хэрэгтэй бол - нэг зуу ба түүнээс дээш мянган эрстед үү? Соронзны хүч сая сая ватт хүртэл нэмэгддэг. Тэдгээрийг тусгай дэд станцуудаар тэжээх шаардлагатай бөгөөд соронзыг усаар хөргөхөд минут тутамд хэдэн мянган литр ус зарцуулдаг.

Соронзон орон - цахилгаан гүйдэл - эсэргүүцэл нь нэг хэлхээнд холбогддог. Эдгээр том, нарийн төвөгтэй, үнэтэй төхөөрөмжүүдийн оронд хэт дамжуулагч утсаар бяцхан ороомог хийж, шингэн гелий дотор байрлуулж, энгийн батерейгаар тэжээж, хэт хүчтэй соронзон орон олж авах нь хичнээн сонирхолтой байх бол. Энэ санаа нь нэлээд хожуу хэрэгжсэн - зөвхөн чухал талбар, гүйдэл ихтэй шинэ материалыг олж илрүүлэхэд л: эхлээд ниобий, дараа нь циркони, титантай ниобий хайлш. Эцэст нь ниобий - цагаан тугалга. Дэлхийн олон лабораторид зөөврийн хэт дамжуулагч соронз аль хэдийн ашиглагдаж байгаа бөгөөд ойролцоогоор 100 мянга орчим эрстийн талбайг үйлдвэрлэж байна. Шингэн гелий өндөр өртөгтэй хэдий ч ийм соронз нь ердийнхөөс хамаагүй илүү ашигтай байдаг.

Хэт дамжуулагчийн хэрэглээ

Хүчтэй соронзон орон нь хэт дамжуулагчийг ашиглах боломжтой, хэсэгчлэн хэрэгжсэн олон талбаруудын нэг юм. Физик туршилтын хамгийн нарийн хэрэгсэл бол хэт дамжуулагч гальванометр ба цацраг мэдрэгч, богино долгионы технологид зориулсан хэт дамжуулагч бүрээстэй резонатор ба хүнд хэсгүүдийн шугаман хурдасгуур, электрон төхөөрөмжүүдийн соронзон линз, үрэлтгүй хэт дамжуулагч холхивч дээрх цахилгаан мотор, трансформатор, алдагдалгүй дамжуулах шугамууд. дэлгэц, эрчим хүчний батерей, эцэст нь компьютерийн бяцхан, өндөр хурдны "санах ойн эсүүд" - энэ бол өнөөгийн хэрэглэгдэж буй хэт дамжуулалтын асуудлуудын маш багассан жагсаалт юм.

Хэрэв цахилгаан гүйдлийн ердийн дамжуулагч дээр биш, харин хэт дамжуулагч материал дээр баригдсан бол бүх сонгодог цахилгаан инженерчлэлийг "дахин зохион бүтээх" боломжтой гэж тэд аль хэдийн хэлж байна.

За, та жаахан мөрөөддөг бол яах вэ? Эцсийн эцэст, сансарт хэт дамжуулагч төхөөрөмжийг ажиллуулах хамгийн тохиромжтой нөхцөл, хэт дамжуулагчийн хамгийн тохиромжтой нөхцөл байдаг. Сансар огторгуйн вакуумд биеийг зөвхөн цацраг туяанаас (жишээлбэл, нарнаас) гаднаас нь халааж болно. Хэрэв тийм бол ямар ч тунгалаг дэлгэц хангалттай бөгөөд сансарт байгаа аливаа объект бүрэн дулаан тусгаарлагдсан байна. Мөн бидний төсөөлж буй машины элементүүд нь өөрөө хэт дамжуулагч бөгөөд тэдгээрээр гүйдэл эсэргүүцэлгүйгээр урсдаг тул тэдгээрт дулаан үүсдэггүй. Шингэн гелий бараг байхгүй тул төхөөрөмж тодорхойгүй хугацаагаар ажиллах боломжтой болно. Бараг гурван жилийн турш жолооны хүрд нь гүйдэл хадгалсан Коллинсын туршлагыг санаарай.

Сарны тойрог замд дэлхийн эдийн засаг, шинжлэх ухаан, тээврийн салбарт үйлчилдэг нэг төрлийн криоген компьютер байдаг гэж та төсөөлж байна уу? Хэт дамжуулагч соронзыг яах вэ - магадгүй тэдгээр нь ирээдүйн термоядролын реактор дахь плазмыг барих чадвартай байх болов уу? Эсвэл цахилгаан эрчим хүчийг хэдэн арван мянган километрийн зайд ямар ч алдагдалгүй дамжуулах боломжтой хөргөсөн цахилгаан кабель уу?

Энэ уран зөгнөл мөн үү? Энд хэлсэн бүх зүйл зарчмын хувьд боломжтой. Тиймээс үүнийг хийх болно. Гэвч хэзээ?

Энэ бол төсөөлөл, гүнзгий онол, туршилтын ажилд маш сайн газар юм.

Энэ хооронд ниоби-цагаан тугалганы хайлш нь хасах 254.8 хэмийн хамгийн их эгзэгтэй температуртай цорын ганц бодис хэвээр байгаа бөгөөд байгаль түүнийг бусад олон мянган органик бус бодисуудаас ямар давуу талтайгаараа ялгаж салгасныг хэн ч ойлгохгүй байна. Бусад элементүүдийг нэмээгүй, энэ хайлшийн дотоод бүтцэд ямар ч өөрчлөлт оруулахгүй байх нь түүний чухал температурыг нэмэгдүүлэх боломжгүй юм. Бусад ижил төстэй, давхар, гурвалсан хайлшийг хайж олох нь бас амжилтгүй болсон - хэн ч энэ илбэдсэн тооноос дээш гарч чадаагүй - хасах 254.8 градус. Тэд энэ температур нь санамсаргүй биш байсан бололтой, үүнийг давж гарах боломжгүй гэж хэлж эхлэв. Үлдсэн зүйл бол энэ баримтын онолын үндэслэлийг олох, өндөр температурт металлын системд хэт дамжуулалт байж болохгүй шалтгааныг олох явдал юм.

1. Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл

2. Хэт дамжуулагчийн шинж чанар

3. Хэт дамжуулагчийн хэрэглээ

Ном зүй

1. Хэт дамжуулагчийн үзэгдэл

Хэт дамжуулагч нь цахилгаан дамжуулах өндөр чадвартай тусгай бүлгийн материалыг төлөөлдөг. Бага температурт (одоогоор дор хаяж 18 ° К-ээс бага) зарим металл ба хайлш нь мэдэгдэхүйц эсэргүүцэлгүйгээр гүйдэл дамжуулах чадварыг олж авдаг; ийм хатуу бодис гэж нэрлэдэг хэт дамжуулагч.

Энэ үзэгдлийг 1911 онд шингэн гелийн температурт мөнгөн ус дахь ийм төлөвийг ажигласан Камерлингх Оннес нээсэн юм. Хүснэгт 1-д одоогоор мэдэгдэж байгаа зарим хэт дамжуулагчийн жагсаалт ба тэдгээрийн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температурыг харуулав. Tk.Шилжилт нь ихэвчлэн маш огцом явагддаг: эсэргүүцэл нь ердийн утгаас 0.05 ° К орчимд тэг болж буурдаг.

Зураг 1 - Металлын цахилгаан эсэргүүцлийн өөрчлөлт (М)болон хэт дамжуулагч (M sv)бага температурын мужид

Температур буурах тусам бүх металлын цахилгаан эсэргүүцэл нь монотоноор буурдаг (Зураг 1). Гэсэн хэдий ч эгзэгтэй температурт цахилгаан эсэргүүцэл нь тэг болж огцом буурдаг металл ба хайлш байдаг - материал нь хэт дамжуулагч болдог.

Хэт дамжуулалтыг 30 элемент, 1000 орчим хайлшаас илрүүлсэн. Хэт дамжуулагч шинж чанар нь захиалгат хатуу уусмал ба завсрын үе шат (o-фаз, Лавсын үе шат гэх мэт) бүтэцтэй олон хайлшаар илэрдэг. Энгийн температурт эдгээр бодисууд өндөр цахилгаан дамжуулах чадваргүй байдаг.

Хүснэгт 1 – Хэт дамжуулагч ба тэдгээрийн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температур (ºK)

2. Хэт дамжуулагчийн шинж чанар

Хэт дамжуулагчийн хамгийн ерөнхий шинж чанар бол хэт дамжуулагчийн эгзэгтэй температур Tc байх ба түүнээс доош бол бодисын цахилгаан эсэргүүцэл нь багасдаг. Сүүлийн үеийн тооцоогоор бол хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бодисын цахилгаан эсэргүүцлийн дээд хязгаар (өөрөөр хэлбэл түүнээс доош температурт). Т к) нь 10-26 Ом м байна.

Зарим элементүүд нь өндөр даралтын нөлөөн дор (хэдэн арван мянган атмосферийн дарааллаар) аллотропийн өөрчлөлтөд орж болно. Үүссэн талстографийн өөрчлөлтүүд (өндөр даралтын үе гэж нэрлэгддэг) нь хөргөх үед хэт дамжуулагч төлөвт хувирдаг боловч энгийн даралтанд эдгээр элементүүд нь хэт дамжуулагч биш юм. Жишээлбэл, хэт дамжуулагч нь 56,000 атмосфер, BiII (25 мянган атмосфер, Т к= 3.9 К), BiIII (27 мянган атмосфер, Т к=7.2 К). Өндөр даралтыг арилгасны дараа ч GaII ба SbII өндөр даралтын фазууд нь хэт дамжуулагч хэвээр байх бөгөөд атмосферийн даралтад эдгээр фазуудын хэт дамжуулагч шилжилтийн эгзэгтэй температур нь хэвийн төлөвт 7.2 ба 2.6 К байна хэт дамжуулагч биш, харин нимгэн хальс хэлбэрээр субстрат дээр тунаснаар ийм болдог. Уурын фазаас хальслах үед хэт дамжуулагчийн илрэл нь Ce, Pr, Nd, Eu, Yb-д мөн ажиглагдсан.

Өрөөний температурт цахилгаан гүйдлийг сайн дамжуулдаг IA, IB, IIA дэд бүлгийн металлууд нь хэт дамжуулагч биш (нимгэн хальсан төлөвт бериллийг эс тооцвол) нь онцлог юм. Төмрийн ба антиферросоронзон элементүүд нь хэт дамжуулагч биш юм.

Олон элементийн хэт дамжуулагч шинж чанар, ялангуяа Mo, Ir, W нь металлын цэвэр байдалд маш мэдрэмтгий байдаг нь метал цэвэршүүлэх арга техникийг хөгжүүлснээр бусад зарим элементүүдэд хэт дамжуулагч шинж чанарууд илрэх болно гэдгийг харуулж байна.

Хэвийн төлөвөөс (тэг бус цахилгаан эсэргүүцэлтэй) хэт дамжуулагч төлөв рүү шилжих нь зөвхөн цэвэр элементүүдэд төдийгүй хайлш, металл хоорондын нэгдлүүдэд ажиглагддаг. Одоогийн байдлаар мянга гаруй хэт дамжуулагчийг мэддэг. Б.Матиас хэт дамжуулагчийн оршихуйг валент Z-тэй холбосон дүрмийг боловсруулсан.

1. Хэт дамжуулалт нь зөвхөн 2-т байдаг< Z < 8.

2. Шилжилтийн металлуудад тэдгээрийн хайлш ба нэгдлүүд at З = 3, 5 эсвэл 7-д хэт дамжуулагч төлөвт шилжих хамгийн их температур ажиглагдаж байна (2-р зургийг үз).

3. Өгөгдсөн утга бүрийн хувьд Зтодорхой болор торыг илүүд үздэг (хамгийн их Т j) ба Т кхэт дамжуулагчийн атомын эзэлхүүнээр хурдацтай нэмэгдэж, атомын масс нэмэгдэх тусам буурдаг.

Зураг 2 - Шилжилтийн болон энгийн металлын хэт дамжуулалт ба T байгаа эсэх

Техникийн хэрэглээний үүднээс авч үзвэл хамгийн ирээдүйтэй нь өндөр температуртай хэт дамжуулагч юм. Шилжилтийн металлууд болох ниоби ба ванадийн хайлш ба нэгдлүүд нь хамгийн өндөр Tc-тэй байдаг. Эдгээр хэт дамжуулагч материалыг гурван бүлэгт хуваадаг: 1) бие төвтэй куб тортой хайлш (хатуу уусмал) - Nb-Ti, Nb-Zr. TK ~ 10 К ба түүнээс дээш; 2) чулуулгийн давсны тортой нэгдлүүд, жишээлбэл NbN ба Nb (C, N), Tc ~ 18K; 3) хөнгөн цагаан ба цахиурын дэд бүлгийн элементүүдтэй ниоби ба ванадийн нэгдлүүд, β-W төрлийн болор тортой, стехиометрийн томъёо A 3 B, A -Nb эсвэл V, B нь ShB эсвэл IVB элемент юм дэд бүлэг, жишээ нь V 3 Si, Nb 3 Sn , Nb 3 (Al, Ge), T K ~ 21 K ба түүнээс дээш.

А 3 В нэгдлүүдийн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих эгзэгтэй температур болон бусад хэт дамжуулагч шинж чанаруудыг доор авч үзэх нь стехиометрийн жижиг хазайлт, дээжийн бүтцийн төлөв байдалд (бусад фазын тархсан тоосонцор байгаа эсэх) маш мэдрэмтгий байдаг. ), болор бүтэц дэх согогууд, урт хугацааны дарааллын зэрэг. Энэ нь Nb 8 Al, Nb 3 Ga, Nb 8 (Al, Ge) нэгдлүүдийн Tc-ийн өсөлтийг өндөр температурт бөхөөж, дараа нь зөөлрүүлсний дараа хэд хэдэн градусаар тайлбарлаж байгаа бололтой. Тодруулбал, хурц бөхөөлтийн үр дүнд Nb 3 Ge нэгдлийн Tk нь 11-ээс 17 К хүртэл нэмэгдсэн. Шүрших замаар олж авсан нимгэн хальсан Nb 3 Ge дээж дээр дараах утгыг олж авав. Т к= 22 К ба 23 К. Хатуу уусмал дээр суурилсан хэт дамжуулагч материалууд нь илүү уян хатан чанараараа A 3 B төрлийн нэгдлүүдээс тодорхой давуу талтай байдаг.

Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бодисууд нь тодорхой соронзон шинж чанартай байдаг. Энэ нь юуны түрүүнд хэт дамжуулагчийн эгзэгтэй температурын гадаад соронзон орны хүчнээс хамааралтайгаар илэрдэг. Гадны соронзон орон байхгүй үед чухал температур хамгийн их байх ба талбайн хүч нэмэгдэх тусам буурдаг. Тодорхой гадаад талбайн хүч чадалд N км, эгзэгтэй Tk = 0 гэж нэрлэдэг. Өөрөөр хэлбэл, N км-тэй тэнцүү буюу түүнээс их талбарт ямар ч температурт бодист хэт дамжуулагч төлөв үүсдэггүй. Хэт дамжуулагчийн энэ зан үйлийг H-ээс (T) муруйгаар дүрсэлсэн (Зураг 3). Энэ муруйн цэг бүр нь өгөгдсөн T температур дахь чухал гадаад талбайн Hc утгыг өгдөг< 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.

Зураг 3 - Хэт дамжуулагчийн критик талбайн температураас хамаарах хамаарал

Хэт дамжуулагчийн өөр нэг чухал соронзон шинж чанар бол диамагнетизм юм. Соронзон талбарт байрлуулсан хэт дамжуулагчийн дотор индукц нь тэг байна. Хэрэв хэт дамжуулагчийг соронзон орон дотор эгзэгтэй температураас дээш температурт байрлуулсан бол түүнээс доош хөргөх үед Т ксоронзон орон нь хэт дамжуулагчаас "түлхэгдсэн" бөгөөд энэ тохиолдолд түүний индукц нь тэг болно.

Гадны соронзон орны хэт дамжуулалтыг устгах, хэт дамжуулагчийн хамгийн тохиромжтой диамагнетизм нь хэт дамжуулагч төлөвийг хадгалахын тулд электронуудын нийт импульс (кинетик энерги) тодорхой утгаас бага байх ёстойтой холбоотой юм. Үүнээс болж тодорхой хязгаарлагдмал (чухал) гүйдлийн нягт байдаг j cтүүнээс дээш хэт дамжуулалт задарч, хязгаарлагдмал цахилгаан эсэргүүцэл үүснэ. Хэт дамжуулагчийн хамгийн тохиромжтой диамагнетизмыг хэрэглэсэн соронзон орон нь хэт дамжуулагчийн гадаргуу дээр эсэргүүцэл үзүүлэхгүй гүйдлийг өдөөдөгтэй холбон тайлбарладаг. Эдгээр гүйдэл нь хэт дамжуулагчийн доторх соронзон урсгалыг устгах замаар эргэлддэг. Тиймээс гадны соронзон орон нь хэт дамжуулагч руу 10 -8 -10 -9 м-ийн дарааллын маш бага гүнд (нэвтрэх гүн гэж нэрлэгддэг) нэвтэрдэг хэт дамжуулагчийн диамагнетизмыг хадгалахын тулд. Хэрэв гадаад талбай хангалттай хүчтэй байвал гүйдэл нь маш чухал утгад хүрч, бодис хэвийн байдалдаа орно. Хамгаалах гүйдэл алга болж, соронзон орон нь бодис руу нэвтэрдэг. Соронзон орны нэвтрэлтийн гүн (тогтмол талбарт) температурын хувьд нэмэгдэж, хязгааргүй байх хандлагатай байдаг. Т→ T k, энэ нь хэвийн төлөвт шилжихтэй тохирч байна.

Гүехэн нэвтрэлтийн гүнтэй (гадаргуугийн ойролцоо соронзон орны огцом уналт) хэт дамжуулагчийг зөөлөн хэт дамжуулагч буюу I төрлийн хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Мөн хатуу хэт дамжуулагч буюу II төрлийн хэт дамжуулагч байдаг. II төрлийн хэт дамжуулагч нь эгзэгтэй талбайн өндөр утгууд, хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температурын бүсийн өргөнөөр тодорхойлогддог. Зөөлөн хэт дамжуулагчийн (цагаан тугалга, мөнгөн ус, цайр, хар тугалга) хэт дамжуулагч төлөвт шилжих температурын хүрээ ойролцоогоор 0.05 К, харин хатуу хэт дамжуулагчийн хувьд (ниоби, рений, β-W бүтэцтэй нэгдлүүд) температурын хүрээ хэт дамжуулагч шилжилт нь ойролцоогоор 0.5 К.

Оршил

1-р бүлэг Хэт дамжуулалтын үзэгдлийн нээлт

1.2 Хэт дамжуулагч бодис

1.3 Meissner эффект

1.4 Изотопын нөлөө

2-р бүлэг Хэт дамжуулалтын онол

2.1 BCS онол

2.4 Электрон хос үүсэх

2.5 Фононуудын улмаас электронуудын хоорондын үр дүнтэй харилцан үйлчлэл

2.6 Боголюбовын каноник хувиргалт

2.7 Завсрын төлөв

2.8 II төрлийн хэт дамжуулагч

2.9 Хэт дамжуулагчийн термодинамик

2.10 Туннелийн контакт ба Жозефсон эффект

2.11 Соронзон урсгалын квантчлал (макроскопийн нөлөө)

2.12 Рыцарийн ээлж

2.13 Өндөр температурын хэт дамжуулалт

Бүлэг 3. Хэт дамжуулалтыг шинжлэх ухаан, технологид хэрэглэх

3.1 Хэт дамжуулагч соронз

3.2 Хэт дамжуулагч электрон хэрэгсэл

3.3 Хэт дамжуулалт ба эрч хүч

3.4 Соронзон дүүжлүүр ба холхивч

Дүгнэлт

Ном зүй

Оршил

Ихэнх металл ба хайлшийн хувьд Кельвин хэдхэн градусын температурт эсэргүүцэл нь гэнэт тэг болж хувирдаг. Хэт дамжуулагч гэж нэрлэгддэг энэ үзэгдлийг Камерлингх Оннес 1911 онд анх нээжээ. Энэ үзэгдэлтэй бодисыг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг. 1957 онд Ж.Бардин, Л.Купер, Ж.Шриффер нар хэт дамжуулагчийн микроскопийн онолыг боловсруулсан нь энэ үзэгдлийг үндсээр нь ойлгох боломжтой болгосон. BCS онол нь хэт дамжуулалтын талбарт үндсэн баримтуудыг (эсэргүүцэл байхгүй, изотопын массаас Tc хамаарал, хязгааргүй дамжуулалт (E ​​= 0), Мейснерийн эффект (B = 0), экспоненциал хамаарлыг тайлбарлав. электрон дулааны багтаамж ойролцоо T = 0 гэх мэт). Хэд хэдэн онолын дүгнэлтүүд нь туршилттай сайн тоон тохирч байгааг харуулж байна. Олон асуудлыг (хэт дамжуулагч металлын үечилсэн систем дэх тархалт, хэт дамжуулагч нэгдлүүдийн найрлага, бүтцээс Tc-ийн хамаарал, шилжилтийн хамгийн өндөр температуртай хэт дамжуулагчийг авах боломж гэх мэт) боловсруулах шаардлагатай хэвээр байна. Туршилтын болон онолын судалгааны амжилт нь энэхүү физик үзэгдлийг эзэмших ажлыг эхлүүлэх бодит боломжийг олгосон юм. Бараг 100 жилийн турш энэ чиглэлээр бүтээн байгуулалт өрнөж, шинэ хэт дамжуулагч материалууд нээгдэж, өндөр температурт хэт дамжуулагчийг хайх ажил үргэлжилж байна. Сүүлийн жилүүдэд ялангуяа хэт дамжуулагчийн онолыг бий болгосны дараа техникийн хэт дамжуулалт эрчимтэй хөгжиж байна.

Хамааралтай байдал. Өнөөдөр хэт дамжуулалт нь физикийн хамгийн их судлагдсан салбаруудын нэг бөгөөд инженерийн практикт ноцтой хэтийн төлөвийг нээж өгдөг үзэгдэл юм. Хэт дамжуулагчийн үзэгдэлд суурилсан төхөөрөмжүүд өргөн тархсан бөгөөд орчин үеийн электроник ч, анагаах ухаан ч, сансрын нисгэгчид ч тэдэнгүйгээр хийж чадахгүй.

Зорилтот. Хэт дамжуулалтын үзэгдэл, түүний шинж чанар, практик хэрэглээг илүү нарийвчлан авч үзэх, BCS онолыг судлах, мөн физикийн энэ салбарын хөгжлийн хэтийн төлөвийг олж мэдэх.

1) Хэт дамжуулалт гэж юу болох, түүний үүсэх шалтгаан, бодис хэвийн төлөвөөс хэт дамжуулагч руу шилжих нөхцөлийг олж мэдээрэй.

2) Хэт дамжуулагч төлөвийг устгахад нөлөөлж буй шалтгааныг тайлбарла.

3) Хэт дамжуулагчийн шинж чанар, хэрэглээг илчлэх.

Объект. Энэхүү курсын ажлын объект нь хэт дамжуулагч, хэт дамжуулагчийн үзэгдэл юм.

Зүйл. Энэ сэдэв нь хэт дамжуулагчийн шинж чанар ба тэдгээрийн хэрэглээ юм.

Практик хэрэглээ. Хэт дамжуулагчийн үзэгдлийг хүчтэй соронзон орон үүсгэхэд ашигладаг хэт дамжуулагчийг компьютер бүтээх, модулятор, шулуутгагч, унтраалга, персистор ба персистрон, хэмжих хэрэгсэл үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Судалгааны аргууд. Шинжлэх ухааны уран зохиолын дүн шинжилгээ.

Бүлэг 1. Хэт дамжуулагчийн үзэгдлийн нээлт

1.1 Анхны туршилтын баримтууд

1911 онд Лейден хотод Голландын физикч Х.Камерлингх Оннес анх удаа хэт дамжуулагчийн үзэгдлийг ажиглажээ. Энэ асуудлыг өмнө нь судалж үзсэний дүнд температур буурах тусам металлын эсэргүүцэл буурч байгааг харуулсан. Түүний бага температурын чиглэлээр хийсэн анхны судалгааны нэг нь мөнгөн усны хэлхээний туршилтын явцад цахилгаан эсэргүүцлийн температураас хамаарах хамаарлыг судлах явдал байв. Мөнгөн усыг нэрэх замаар олж авч болох хамгийн цэвэр металл гэж үздэг байв. Hg-ийн цахилгаан эсэргүүцлийн температурын өөрчлөлтийг судалж үзээд 4.2 0 К-ээс доош температурт мөнгөн ус бараг эсэргүүцлээ алддаг болохыг олж мэдэв. Энэ туршилтанд тэрээр урвуу холбогдсон 0.005 мм 2 хөндлөн огтлолтой долоон U хэлбэрийн хөлөг онгоцноос бүрдсэн аппарат (Зураг 1) ашигласан. Энэ хэлбэрийн савнууд нь мөнгөн усны урсгалын тасралтгүй байдлыг зөрчихгүйгээр мөнгөн усыг чөлөөтэй шахаж, тэлэх шаардлагатай байв. 1 ба 2-р цэгүүдэд 3 ба 4-р хоолойгоор гүйдэл өгч, мөнгөн усны хэлхээний хэсгүүдийн хүчдэлийн уналтыг хэмжсэн.

Түүний мөнгөн устай хийсэн туршилтын үр дүнг 2-р зурагт үзүүлэв. Эсэргүүцэл тэг болж буурсан температурын хүрээ маш нарийн гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.

Цагаан будаа. 2. Платин ба мөнгөн усны эсэргүүцлийн температураас хамаарах хамаарал.

Графикаас харахад 4.2 0 К температурт мөнгөн усны цахилгаан эсэргүүцэл огцом алга болсон. Цахилгаан эсэргүүцэл нь тэг байх дамжуулагчийн энэ төлөвийг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ төлөвт байгаа бодисыг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Бодисын хэт дамжуулагч төлөвт шилжих нь маш нарийн температурын хязгаарт (зууны нэг градус) явагддаг тул шилжилт нь тухайн бодисын хэт дамжуулагч руу шилжих эгзэгтэй температур гэж нэрлэгддэг тодорхой Tc температурт явагддаг гэж үздэг. муж.

Хэт дамжуулалтыг туршилтаар хоёр аргаар ажиглаж болно.

1) гүйдэл гүйдэг ерөнхий цахилгаан хэлхээнд хэт дамжуулагч холбоосыг оруулах замаар. Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих мөчид энэ холбоосын төгсгөлд боломжит зөрүү тэг болно;

2) хэт дамжуулагчийн цагиргийг түүнд перпендикуляр соронзон орон дээр байрлуулах замаар. Дараа нь цагиргийг Tc-ээс доош хөргөсний дараа талбайг унтраа. Үүний үр дүнд цагирагт тасралтгүй цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Ийм цагирагт гүйдэл хязгааргүй эргэлддэг.

Камерлинг - Оннес үүнийг Лейденээс Кембриж хүртэл гүйдэл дамжуулдаг хэт дамжуулагч цагиргийг зөөвөрлөж харуулсан. Хэд хэдэн туршилтаар нэг жил орчим хугацаанд хэт дамжуулагч цагираг дахь гүйдлийн уналт байхгүй байсан нь ажиглагдсан. 1959 онд Коллинз хоёр жил хагасын хугацаанд гүйдэл буураагүй гэж мэдэгджээ. .

Туршилтаар хэт дамжуулагчаас битүү гогцоонд гүйдэл үүсгэсэн бол энэ гүйдэл нь EMF-ийн эх үүсвэргүйгээр эргэлддэг болохыг харуулсан. Хэт дамжуулагч дахь Фукогийн гүйдэл нь маш удаан үргэлжилдэг бөгөөд Жоулийн дулааны дутагдалаас болж бүдгэрдэггүй (300А хүртэл гүйдэл олон цаг дараалан урссаар байна). Хэд хэдэн өөр дамжуулагчаар дамжин гүйдэл дамжих судалгаа нь хэт дамжуулагчийн хоорондох контактуудын эсэргүүцэл мөн тэгтэй тэнцүү болохыг харуулсан. Хэт дамжуулалтын өвөрмөц шинж чанар нь Холл үзэгдэл байхгүй байх явдал юм. Энгийн дамжуулагчийн хувьд соронзон орны нөлөөн дор метал дахь гүйдэл шилждэг бол хэт дамжуулагчийн хувьд энэ үзэгдэл байдаггүй. Хэт дамжуулагчийн гүйдэл нь байрандаа тогтсон байдаг.

Хэт дамжуулалт нь дараах хүчин зүйлсийн нөлөөн дор алга болдог.

1) температурын өсөлт;

Температур нь тодорхой Tk хүртэл өсөхөд мэдэгдэхүйц омын эсэргүүцэл бараг гэнэт гарч ирдэг. Хэт дамжуулалтаас цахилгаан дамжуулах чанар руу шилжих шилжилт нь илүү эгц бөгөөд дээж нь нэгэн төрлийн байх тусам мэдэгдэхүйц байдаг (хамгийн эгц шилжилт нь дан талстуудад ажиглагддаг).

2) хангалттай хүчтэй соронзон орны үйлдэл;

Хэт дамжуулагч төлөвөөс хэвийн төлөв рүү шилжихдээ соронзон орныг эгзэгтэй Tc-ээс доош температурт нэмэгдүүлэх замаар гүйцэтгэнэ. Хэт дамжуулагчийг устгах хамгийн бага Bc талбарыг эгзэгтэй соронзон орон гэж нэрлэдэг. Критик талбайн температураас хамаарах хамаарлыг эмпирик томъёогоор тодорхойлно.

Энд B 0 нь үнэмлэхүй тэг температурт экстраполяцилагдсан чухал талбар юм. Зарим бодисын хувьд Т-ээс нэгдүгээр зэрэглэлийн хамааралтай байдаг. Хэрэв бид гаднах талбайн хүчийг нэмэгдүүлж эхэлбэл түүний эгзэгтэй утгаараа хэт дамжуулалт нурах болно. Температурын эгзэгтэй цэг рүү ойртох тусам хэт дамжуулалтын нөлөөг устгахын тулд гадны соронзон орны хүч бага байх ёстой бөгөөд эсрэгээр үнэмлэхүй тэгтэй тэнцүү температурт хүч чадал нь бусад тохиолдлуудтай харьцуулахад хамгийн их байх ёстой. ижил нөлөө. Энэ хамаарлыг дараах графикаар харуулав (Зураг 3).

Хэрэв бид гаднах талбайн хүчийг нэмэгдүүлж эхэлбэл түүний эгзэгтэй утгаараа хэт дамжуулалт нурах болно. Температурын эгзэгтэй цэг рүү ойртох тусам хэт дамжуулалтын нөлөөг устгахын тулд гадны соронзон орны хүч бага байх ёстой бөгөөд эсрэгээр үнэмлэхүй тэгтэй тэнцүү температурт хүч чадал нь бусад тохиолдлуудтай харьцуулахад хамгийн их байх ёстой. ижил нөлөө. Соронзон орон нь хэт дамжуулагч дээр ажиллах үед тусгай төрлийн гистерезис ажиглагддаг, тухайлбал, соронзон орныг нэмэгдүүлснээр хэт дамжуулалт устаж (H - талбайн хүч, H - талбайн хүч нэмэгддэг):

дараа нь талбайн эрчмийг бууруулснаар талбайн доор хэт дамжуулалт дахин гарч ирэх бөгөөд дээжээс дээжинд харилцан адилгүй бөгөөд ихэвчлэн Hc 10% байна.

3) дээж дэх хангалттай өндөр гүйдлийн нягт;

Гүйдлийн хүч нэмэгдэх нь хэт дамжуулалт алга болоход хүргэдэг, өөрөөр хэлбэл Tk буурдаг Температур бага байх тусам гүйдлийн хамгийн их хүч нь ik бөгөөд хэт дамжуулалт нь ердийн дамжуулалт руу шилждэг.

4) гадаад даралтын өөрчлөлт;

Гаднах даралтын p-ийн өөрчлөлт нь Tk-ийн шилжилтийг үүсгэж, соронзон орны хүчийг өөрчлөхөд хүргэдэг бөгөөд энэ нь хэт дамжуулалтыг устгадаг.

1.2 Хэт дамжуулагч бодис

Хожим нь зөвхөн мөнгөн ус төдийгүй бусад металл, хайлшийг хангалттай хөргөхөд цахилгаан эсэргүүцэл тэг болдог болохыг тогтоожээ.

Цэвэр бодисуудын дунд ниобиум (9.22 0 К) хамгийн их чухал температуртай, иридиум хамгийн бага (0.14 0 К) байна. Чухал температур нь зөвхөн бодисын химийн найрлагаас гадна талстын бүтцээс хамаарна. Жишээлбэл, саарал цагаан тугалга нь хагас дамжуулагч, цагаан тугалга нь 3.72 0 К-ийн температурт хэт дамжуулагч төлөвт шилждэг металл юм. Лантаны хоёр талст өөрчлөлт (b-La ба b-La) нь шилжилтийн өөр өөр чухал температуртай байдаг. хэт дамжуулагч төлөв (b -La T k =4.8 0 K, c-La T k =5.95 0 K-ийн хувьд). Тиймээс хэт дамжуулалт нь бие даасан атомуудын өмч биш, харин бүхэл бүтэн дээжийн бүтэцтэй холбоотой хамтын нөлөө юм.

Сайн дамжуулагч (мөнгө, алт, зэс) ийм шинж чанартай байдаггүй, харин ердийн нөхцөлд маш муу дамжуулагч бусад олон бодисууд эсрэгээрээ байдаг. Энэ нь судлаачдын хувьд гэнэтийн зүйл болж, энэ үзэгдлийн тайлбарыг улам хүндрүүлэв. Хэт дамжуулагчийн дийлэнх хэсэг нь цэвэр бодис биш, харин тэдгээрийн хайлш, нэгдлүүд юм. Түүнээс гадна хоёр хэт дамжуулагч бус бодисын хайлш нь хэт дамжуулагч шинж чанартай байж болно. I ба II төрлийн хэт дамжуулагч байдаг.

I төрлийн хэт дамжуулагч нь нийтдээ 20 гаруй байдаг бөгөөд өрөөний температурт сайн дамжуулагч металлууд байдаггүй, харин эсрэгээр нь тасалгааны температурт харьцангуй муу дамжуулагч металлууд (мөнгөн ус, хар тугалга); , титан гэх мэт).

Хоёрдахь төрлийн хэт дамжуулагч нь химийн нэгдлүүд ба хайлшууд бөгөөд эдгээр нь цэвэр хэлбэрээрээ нэгдүгээр төрлийн хэт дамжуулагч болох металлын нэгдэл эсвэл хайлш байх албагүй. Жишээлбэл, MoN, WC, CuS нэгдлүүд нь II төрлийн хэт дамжуулагч боловч Mo, W, Cu, ялангуяа N, C, S хэт дамжуулагч биш юм. II төрлийн хэт дамжуулагчийн тоо хэдэн зуун бөгөөд нэмэгдсээр байна. .

Удаан хугацааны туршид янз бүрийн металл ба нэгдлүүдийн хэт дамжуулагч төлөвийг зөвхөн маш бага температурт олж авах боломжтой бөгөөд энэ нь шингэн гелийн тусламжтайгаар хүрч болно. 1986 оны эхээр эгзэгтэй температурын хамгийн их ажиглагдсан утга аль хэдийн 23 0 К байсан.

1.3 Meissner эффект

1933 онд Мейснер, Охсенфельд нар хэт дамжуулалтын үзэгдлийн ард хамгийн тохиромжтой дамжуулалт, өөрөөр хэлбэл тэг эсэргүүцэлээс илүү зүйл нуугдаж байгааг тогтоожээ. Гадны эх үүсвэр эсвэл хэт дамжуулагчаар дамжин урсах гүйдлийн нөлөөгөөр үүссэн эсэхээс үл хамааран соронзон орон нь хэт дамжуулагчаас гадагш түлхэгддэг болохыг олж мэдсэн (Зураг 4). Соронзон орон нь хэт дамжуулагч дээжийн зузаан руу нэвтэрдэггүй болох нь тогтоогдсон.

Зураг 4. Хэт дамжуулагчаас соронзон индукцийн урсгалыг түлхэж буй байдал.

Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих эгзэгтэй температураас өндөр температурт ямар ч металлын нэгэн адил гаднах соронзон оронд байрлуулсан дээжинд соронзон орны индукц нь тэгээс ялгаатай байна. Хэрэв гадаад соронзон орныг унтраалгүйгээр температур аажмаар буурч байвал хэт дамжуулагч төлөвт шилжих үед соронзон орон нь дээжээс шахагдаж, доторх соронзон орны индукц тэг болно (B = 0). ). Энэ нөлөөг Meissner эффект гэж нэрлэдэг.

Мэдэгдэж байгаагаар ферромагнетээс бусад металууд нь гадны соронзон орон байхгүй үед тэг соронзон индукцтэй байдаг. Энэ нь материалд үргэлж байдаг энгийн гүйдлийн соронзон орон нь тэдгээрийн байршлын бүрэн санамсаргүй байдлаас шалтгаалан харилцан нөхөгддөгтэй холбоотой юм.

Гадны соронзон орон дээр байрлуулсан бөгөөд тэдгээр нь соронзлогддог, i.e. дотор нь соронзон орон "өдөөгдөж" байна. Гадны соронзон орон руу нэвтрүүлсэн бодисын нийт соронзон орон нь гадны болон дотоод соронзон орны индукцийн векторын нийлбэртэй тэнцүү соронзон индукцаар тодорхойлогддог. . Энэ тохиолдолд нийт соронзон орон нь соронзон орноос их эсвэл бага байж болно.

Индукцийн аргаар соронзон орон үүсгэхэд бодисын оролцооны түвшинг тодорхойлохын тулд индукцийн утгын харьцааг олно. μ коэффициентийг бодисын соронзон нэвчилт гэж нэрлэдэг. Гадны соронзон орон үүсэхэд үүссэн дотоод орон нь гаднах соронзон орон дээр нэмэгддэг (μ > 1) бодисыг парамагнет гэж нэрлэдэг. Коэффициент >1 үед дээж дэх гадаад орон багасна.

диамагнит бодисуудад (<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.

Хөдөлгөөнгүй хэт дамжуулагч гүйдэл байгаа нь дараах туршилтаар илэрсэн: хэрвээ хэт дамжуулагч бөмбөрцгийг металл хэт дамжуулагч цагираг дээр байрлуулсан бол түүний гадаргуу дээр тасралтгүй хэт дамжуулагч гүйдэл үүсдэг. Энэ нь цагираг ба бөмбөрцөг хооронд диамагнит нөлөө үзүүлж, түлхэх хүч үүсэхэд хүргэдэг бөгөөд үүний үр дүнд бөмбөрцөг нь цагирагнаас дээш хөвөх болно. Дээжинд талбайн нэвтрэлтийн гүн нь хэт дамжуулагчийн гол шинж чанаруудын нэг юм. Ихэвчлэн нэвтрэлтийн гүн нь ойролцоогоор 100...400E байна. Температур нэмэгдэхийн хэрээр соронзон орны нэвтрэлтийн гүн нь хуулийн дагуу нэмэгддэг.

Соронзон орны хэт дамжуулагч руу нэвтрэх гүнийг хамгийн энгийн тооцооллыг ах дүү Фриц, Ханс Лондон нар өгсөн. Энэ тооцоог танилцуулъя. Бид цаг хугацааны явцад аажмаар өөрчлөгддөг салбаруудтай харьцаж байна гэж таамаглах болно. Хэт дамжуулагч нь ферросоронзон биш тул бид хоёрын ялгааг үл тоомсорлож, электродинамикийн үндсэн тэгшитгэлийг хэлбэрээр бичиж болно.

Түүнээс гадна бид хэсэгчилсэн болон нийт деривативуудын цаг хугацааны ялгааг үл тоомсорлох болно. Зөвхөн хэт дамжуулагч электронуудын хөдөлгөөнөөр гүйдэл үүсдэг гэж үзвэл ийм электронуудын концентраци хаана байгааг бид цааш бичих болно. Цаг хугацааны хувьд ялгасны дараа бид дараахь зүйлийг олж авна. Хэрэв соронзон орны нөлөөллийг үл тоомсорловол электроны хурдатгалыг тэгшитгэлээс олж болно. Дараа нь

тэмдэглэгээг хаана нэвтрүүлсэн

(4) ба (5) тэгшитгэлийн хэмжигдэхүүнийг хасч эхний тэгшитгэлийг (4) ялгасны дараа бид олж авна.

Энэ тэгшитгэл хангагдсан боловч ийм шийдэл нь Мейснерийн эффекттэй нийцэхгүй, учир нь хэт дамжуулагч дотор байх ёстой. Гаргах явцад цаг хугацааны хувьд ялгах үйлдлийг хоёр удаа ашигласан тул нэмэлт шийдлийг олж авсан. Энэ шийдлийг автоматаар арилгахын тулд лондончууд сүүлчийн тэгшитгэлд деривативыг вектор өөрөө солих ёстой гэсэн таамаглал дэвшүүлсэн. Энэ өгдөг

Хэт дамжуулагч руу соронзон орны нэвтрэлтийн гүнийг тодорхойлохын тулд сүүлийнх нь түүний нэг талд хавтгайгаар хязгаарлагддаг гэж үзье. Хэт дамжуулагчийн хэвийн тэнхлэгийг түүний хил рүү чиглүүлье. Соронзон орон тэнхлэгтэй параллель байг, тэгэхээр. Дараа нь

Мөн тэгшитгэл (8) өгдөг

Үед алга болох энэ тэгшитгэлийн шийдэл нь хэлбэртэй байна

Интеграцийн тогтмол нь хэт дамжуулагчийн гадаргуу дээрх талбайг өгдөг. Урт хугацааны туршид соронзон орон нэг дахин багасдаг. Энэ утгыг талбайн метал руу нэвтрэх гүний хэмжүүр болгон авдаг.

Тоон тооцоог гаргахын тулд бид металлын атом бүрт нэг хэт дамжуулагч электрон байна гэж тооцож, см -3 гэж үзнэ. Дараа нь (6) томъёог ашиглан бид см-ийг олдог бөгөөд энэ нь шууд хэмжилтээр олж авсан утгуудын дарааллаар давхцдаг.

Хэт дамжуулагчийн гадаргуугийн давхарга нь соронзон орны тэгээс ялгаатай хүч чадалтай холбоотой онцгой шинж чанартай байдаг. Эдгээр шинж чанарууд нь өндөр эгзэгтэй талбар бүхий хэт дамжуулагчийг үйлдвэрлэхэд маш чухал нөлөө үзүүлдэг.

Гадаргуугийн гүйдэл нь ихэвчлэн хамгаалалтын гүйдэл гэж нэрлэгддэг тул хэрэглэсэн талбар нь соронзон урсгалыг дээж рүү нэвтрүүлэхээс сэргийлдэг. Хэрэв гадны орон дахь бодисын доторх соронзон урсгал тэг байвал энэ нь хамгийн тохиромжтой диамагнетизмыг харуулдаг гэж үздэг. Хэрэглэсэн талбайн нягт нь тэг болж буурах үед дээж нь соронзон бус төлөвт үлддэг. Өөр нэг тохиолдолд шилжилтийн температураас дээш дээжинд соронзон орон хэрэглэх үед эцсийн зураг мэдэгдэхүйц өөрчлөгдөнө. Ихэнх металлын хувьд (ферромагнетаас бусад) харьцангуй соронзон нэвчилт нь нэгдмэл байдалд ойр байдаг. Тиймээс дээж доторх соронзон урсгалын нягт нь хэрэглэсэн талбайн урсгалын нягттай бараг тэнцүү байна. Хөргөлтийн дараа цахилгаан эсэргүүцэл алга болох нь соронзлолд нөлөөлөхгүй бөгөөд соронзон урсгалын тархалт өөрчлөгддөггүй. Хэрэв бид одоо хэрэглэж буй талбарыг тэг болгож бууруулбал хэт дамжуулагчийн доторх соронзон урсгалын нягт нь дээжийн гадаргуу дээр гарч ирэхгүй, соронзон урсгалыг хадгалах; Үүний үр дүнд дээж нь үргэлж соронзлогдсон хэвээр байна. Тиймээс хамгийн тохиромжтой дамжуулагчийн соронзлол нь гадаад нөхцөл байдлын өөрчлөлтийн дарааллаас хамаарна.

Хэт дамжуулагчаас соронзон орныг шахах нөлөөг соронзлолын талаархи санаануудын үндсэн дээр тайлбарлаж болно. Хэрэв гадаад соронзон орныг бүрэн нөхдөг скрининг гүйдэл нь дээжинд соронзон момент m өгдөг бол соронзлолт M нь дараахь харьцаагаар илэрхийлэгдэнэ.

Энд V нь дээжийн эзэлхүүн юм. Хамгаалах гүйдэл нь хасах нэгтэй тэнцэх соронзон мэдрэмжтэй хамгийн тохиромжтой ферромагнетийн соронзлолд тохирсон соронзлол үүсэхэд хүргэдэг гэж бид хэлж чадна.

Мейснерийн эффект ба хэт дамжуулалтын үзэгдэл нь хоорондоо нягт холбоотой бөгөөд уг үзэгдлийг нээснээс хойш хагас зуун гаруй жилийн дараа бий болсон хэт дамжуулагчийн онолоор тогтоосон ерөнхий хэв маягийн үр дагавар юм.

1.4 Изотопын нөлөө

1950 онд Э.Максвелл, С.Рейнольдс нар изотопын эффектийг нээсэн нь орчин үеийн хэт дамжуулалтын онолыг бий болгоход чухал ач холбогдолтой байв. Мөнгөн усны хэд хэдэн хэт дамжуулагч изотопуудыг судлах нь хэт дамжуулагч төлөвт шилжих эгзэгтэй температур ба изотопуудын массын хооронд хамаарал байгааг харуулсан. Изотопын M масс 199.5-аас 203.4 болж өөрчлөгдөхөд эгзэгтэй температур 4.185-аас 4.14 К болж өөрчлөгдсөн. Энэхүү хэт дамжуулагч химийн элементийн хувьд хангалттай нарийвчлалтай зөвтгөсөн томъёог тогтоов.

Const нь элемент бүрийн хувьд тодорхой утгатай байна.

Изотопын масс нь болор торны шинж чанар юм, учир нь үүнд гол хувь нэмэр нь металлын ионууд юм. Масс нь торны олон шинж чанарыг тодорхойлдог. Торны чичиргээний давтамж нь масстай холбоотой болохыг мэддэг.

Металлын электрон системийн шинж чанар болох хэт дамжуулалт нь изотопын эффектийг нээсэнтэй холбоотойгоор болор торны төлөвтэй холбоотой болж хувирдаг. Иймээс хэт дамжуулагчийн эффект үүсэх нь электронуудын металл тортой харилцан үйлчлэлцсэнтэй холбоотой юм. Энэ харилцан үйлчлэл нь металын хэвийн төлөвт байгаа эсэргүүцлийг хариуцдаг. Тодорхой нөхцөлд энэ нь эсэргүүцэл алга болох, өөрөөр хэлбэл хэт дамжуулалтын нөлөөнд хүргэх ёстой.

1.5 Хэт дамжуулалтын онолыг бий болгох урьдчилсан нөхцөл

Хэт дамжуулагчийн шинж чанарыг нэлээд амжилттай тодорхойлсон анхны онол бол 1935 онд дэвшүүлсэн Ф.Лондон, Г.Лондон нарын онол юм.Лондончууд онолдоо хэт дамжуулагчийн хоёр шингэний загварт үндэслэсэн. Хэт дамжуулагч дотор концентрацитай "хэт дамжуулагч" электронууд ба концентрацитай "хэвийн" электронууд байх үед нийт дамжуулалтын концентраци хаана байна гэж үздэг байсан). Хэт дамжуулагч электронуудын нягт нь ихсэх тусам буурч, цагт тэг болно. Энэ нь бүх электронуудын нягтралд хандах үед. Хэт дамжуулагч электронуудын гүйдэл дээжээр эсэргүүцэлгүйгээр урсдаг.

Лондон Максвеллийн тэгшитгэлээс гадна ийм хэт дамжуулагч дахь цахилгаан соронзон орны тэгшитгэлийг олж авсан бөгөөд үүний үндсэн шинж чанар нь тогтмол гүйдлийн эсэргүүцэлгүй ба хамгийн тохиромжтой диамагнетизм юм. Гэсэн хэдий ч Лондончуудын онол нь феноменологийн шинж чанартай байсан тул "хэт дамжуулагч" электрон гэж юу вэ гэсэн гол асуултад хариулсангүй. Нэмж дурдахад энэ нь хэд хэдэн дутагдалтай байсан бөгөөд үүнийг В.Л. Гинзбург болон Л.Д. Ландау.

Гинзбург-Ландаугийн онолд хэт дамжуулагчийн шинж чанарыг тодорхойлохын тулд квант механикийг ашигласан. Энэ онолд хэт дамжуулагч электронуудын бүхэл бүтэн багцыг нэг орон зайн координатын долгионы функцээр тодорхойлсон. Ерөнхийдөө хатуу биет дэх электронуудын долгионы функц нь координатын функц юм. Функцийг нэвтрүүлснээр бүх хэт дамжуулагч электронуудын уялдаа холбоотой, тууштай зан төлөвийг тогтоосон. Үнэн хэрэгтээ, хэрэв бүх электронууд яг адилхан, тууштай ажилладаг бол тэдгээрийн зан төлөвийг тодорхойлоход нэг электроны зан төлөвийг тодорхойлоход ижил долгионы функц хангалттай, өөрөөр хэлбэл. нэг хувьсагчийн функцууд.

А.А.Абрикосовын бүтээлүүдэд улам боловсронгуй болсон Гинзбург-Ландау онол нь хэт дамжуулагчийн олон шинж чанарыг тодорхойлсон боловч микроскопийн түвшинд хэт дамжуулагч үзэгдлийн талаар ойлголт өгч чадаагүй юм.

Энэ бүлэгт хэт дамжуулагчийн үзэгдлийн нээлт, анхны туршилтын баримтууд, анхны онолууд, түүнчлэн хэт дамжуулагчийн зарим шинж чанарыг авч үзэх болно.

Дээр дурдсан зүйлсийг задлан шинжилж үзвэл дараахь дүгнэлтийг гаргаж болно.

1) Цахилгаан эсэргүүцэл нь тэг байх дамжуулагчийн төлөвийг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ төлөвт байгаа бодисыг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг.

2) Хэт дамжуулагч дахь Фукогийн гүйдэл нь маш удаан үргэлжилдэг ба Жоулийн дулааны дутагдалаас болж бүдгэрдэггүй (300А хүртэл гүйдэл олон цаг дараалан урссаар байдаг).

3) Хэт дамжуулалт нь дараах хүчин зүйлсийн нөлөөн дор алга болдог: температурын өсөлт, хангалттай хүчтэй соронзон орны нөлөө, дээжинд хангалттай өндөр гүйдлийн нягтрал, гадаад даралтын өөрчлөлт.

4) Соронзон орон нь энэ талбар хэрхэн үүссэнээс үл хамааран хэт дамжуулагчаас шахагдана - гадны эх үүсвэр эсвэл хэт дамжуулагчаар дамжин урсах гүйдэл.

5) Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих эгзэгтэй температур ба изотопын массын хооронд холбоо байдаг бөгөөд үүнийг изотопын эффект гэж нэрлэдэг.

6) изотопын эффект нь хэт дамжуулагчийг бий болгоход торны чичиргээ оролцдог болохыг харуулж байна.

Бүлэг 2. Хэт дамжуулалтын онол

2.1 BCS онол

1957 онд Бардин, Купер, Шриффер нар материйн хэт дамжуулагч төлөвийн тууштай онолыг (BCS онол) бүтээжээ. Ландаугаас нэлээд өмнө гелий II-ийн хэт шингэний онолыг бий болгосон. Хэт шингэн нь макроскопийн квант эффект болох нь тогтоогдсон. Гэсэн хэдий ч Ландаугийн онолыг хэт дамжуулагчийн үзэгдэл рүү шилжүүлэхэд тэг ээрэх гелийн атомууд Бозе-Эйнштейний статистикт захирагдаж байсан нь саад болж байв. Хагас эргэлттэй электронууд Паули зарчим болон Ферми-Диракийн статистикт захирагддаг. Ийм бөөмсийн хувьд хэт шингэн үүсэхэд шаардлагатай Бозе-Эйнштейний конденсаци боломжгүй юм. Эрдэмтэд электронууд нь тэг спинтэй, Bose бөөмс шиг ажилладаг хосуудад хуваагддаг гэж үздэг. Тэднээс үл хамааран 1958 онд Н.Н. Боголюбов хэт дамжуулалтын онолын илүү дэвшилтэт хувилбарыг боловсруулсан.

BCS-ийн онол нь металын бүтцийн онцлогийг бүрэн устгасан идеалилагдсан загварыг хэлдэг. Металлыг Фермигийн статистикт нийцсэн электрон хийгээр дүүргэсэн боломжит хайрцаг гэж үздэг. Кулоны түлхэлтийн хүч нь атомын цөмийн талбайн нөлөөгөөр ихээхэн суларсан электронуудын хооронд ажилладаг. Хэт дамжуулагчийн изотопын нөлөө нь торны дулааны чичиргээтэй (фононтой) электронуудын харилцан үйлчлэл байгааг харуулж байна.

Метал дотор хөдөлж буй электрон нь цахилгаан хүчний нөлөөгөөр дээжийн болор торыг гажуудуулж, туйлшруулдаг. Үүний улмаас үүссэн торны ионуудын шилжилт нь нөгөө электроны төлөв байдалд тусгагдсан байдаг, учир нь энэ нь одоо үечилсэн бүтэцээ бага зэрэг өөрчилсөн туйлширсан торны талбарт оршдог. Тиймээс болор тор нь электрон харилцан үйлчлэлийн завсрын үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь түүний тусламжтайгаар электронууд бие биедээ таталцлыг мэдэрдэг. Өндөр температурт хангалттай эрчимтэй дулааны хөдөлгөөн нь бөөмсийг бие биенээсээ холдуулж, таталцлын хүчийг үр дүнтэй бууруулдаг. Гэхдээ бага температурт татах хүч нь маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.

Хоосон орон зайд байгаа хоёр электрон бие биенээ түлхэнэ. Хүрээлэн буй орчинд тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийн хүч нь дараахь байдалтай тэнцүү байна.

Энд e нь орчны диэлектрик тогтмол юм. Хэрэв орчин нь тийм бол<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.

Металлыг T = 0 0 K үед авч үзье. Түүний болор тор нь "тэг" чичиргээнд өртдөг бөгөөд тэдгээрийн оршин тогтнох нь квант-механик тодорхойгүй байдлын хамааралтай холбоотой байдаг. Кристалд хөдөлж буй электрон нь чичиргээний горимыг эвдэж, торыг өдөөгдсөн төлөвт шилжүүлдэг. Өмнөх энергийн түвшин рүү буцах шилжилт нь өөр электроноор баригдаж, түүнийг өдөөж буй энерги ялгаруулалт дагалддаг. Кристал торны өдөөлтийг дууны квант-фононоор дүрсэлсэн тул дээр дурдсан процессыг нэг электрон фонон ялгаруулж, өөр электрон шингээх гэж илэрхийлж болох бөгөөд болор тор нь дамжуулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Фононуудын солилцоо нь тэдний харилцан таталцлыг тодорхойлдог.

Бага температурт хэд хэдэн бодисын энэхүү таталцал нь электронуудын Кулоны түлхэлтийн хүчнээс давамгайлдаг. Энэ тохиолдолд цахим систем нь холбогдсон нэгдэл болж хувирдаг бөгөөд үүнийг өдөөхийн тулд тодорхой хэмжээний хязгаарлагдмал энерги зарцуулах шаардлагатай болдог. Энэ тохиолдолд цахим системийн энергийн спектр тасралтгүй үргэлжлэхгүй - өдөөгдсөн төлөв нь үндсэн төлөвөөс эрчим хүчний цоорхойгоор тусгаарлагддаг.

Металлын хэвийн төлөв нь Ферми гадаргуугийн ойролцоох электронуудын энергийн спектрийн шинж чанараараа хэт дамжуулагч төлөвөөс ялгаатай болохыг одоо тогтоосон. Бага температурт хэвийн төлөвт электрон өдөөлт нь электроныг анх эзэлсэн төлөвөөс () руу шилжүүлэхтэй тохирдог.<к F) под поверхностью Ферми в свободное состояние к (>to F) Ферми гадаргуугаас дээш. Бөмбөрцөг Ферми гадаргуугийн хувьд ийм электрон нүхний хосыг өдөөхөд шаардагдах энерги нь тэнцүү байна.

Учир нь k ба k 1 нь Фермигийн гадаргуутай нэлээд ойрхон байрладаг.

Хэт дамжуулагч дахь электрон системийг холбогдсон хос электрон (Күүпер хос), өдөөлтийг хосын эвдрэл гэж илэрхийлж болно. Электрон хосын хэмжээ нь ойролцоогоор ~10 -4 см, торны үеийн хэмжээ нь 10 -8 см, өөрөөр хэлбэл хос дахь электронууд асар их зайд байрладаг.

Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа металлын хамгийн онцлог шинж чанар нь хосын өдөөх энерги нь тодорхой 2D хэмжээнээс үргэлж давж гардаг бөгөөд үүнийг хосолсон энерги гэж нэрлэдэг. Өөрөөр хэлбэл бага энергитэй тал дээр өдөөх энергийн спектрийн цоорхой байна. Жишээлбэл, Hg, Pb, V, Nb металлын хувьд 2D утга нь 18 0 К, 29 0 К, 18 0 К, 30 0 К температурт дулааны энергитэй тохирч байна.

Хосолсон энергийн хэмжээг шууд туршилтаар хэмждэг: цахилгаан соронзон цацрагийн шингээлтийг судлахдаа зөвхөн ђш = 2Д давтамжтай цацрагийг шингээдэг, дууны унтаралтын экспоненциал өөрчлөлтийг судлах гэх мэт.

Хэрэв энергийн спектрийн цоорхой байгаа бол системийн квант шилжилт үргэлж боломжгүй байдаг. Цахим систем бага хурдтайгаар өдөөгддөггүй тул электронуудын хөдөлгөөн нь үрэлтгүйгээр явагдах бөгөөд энэ нь эсэргүүцэл байхгүй гэсэн үг юм. Тодорхой эгзэгтэй гүйдлийн үед электрон систем дараагийн эрчим хүчний түвшинд шилжих боломжтой бөгөөд хэт дамжуулалт сүйрэх болно.

2.2 Эрчим хүчний спектрийн зөрүү

Хэт дамжуулагчийн электрон дулаан багтаамжийн задралын экспоненциал хуулиас эрчим хүчний цоорхой байгаагийн анхны шинж тэмдгүүдийг олж авсан.

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

Хэт дамжуулагчийн энергийн цоорхойг туршилтаар шууд ажигладаг бөгөөд зөвхөн спектрийн цоорхой байгаа эсэхийг баталгаажуулаад зогсохгүй түүний хэмжээг хэмждэг. Хэвийн болон хэт дамжуулагч хальсыг тусгаарлах ~10E зузаантай нимгэн дамжуулагч бус давхаргаар электрон шилжилтийг судалсан. Саад байгаа тохиолдолд электрон саадыг дамжин өнгөрөх магадлал хязгаарлагдмал байдаг. Энгийн металлд бүх энергийн түвшин хамгийн их e F хүртэл, хэт дамжуулагч металлд e F -D хүртэл дүүрдэг. Энэ тохиолдолд гүйдэл дамжуулах боломжгүй болно.

Хэт дамжуулагч дахь энергийн цоорхой байгаа нь шилжилтийн харгалзах төлөв байхгүй болоход хүргэдэг. Шилжилтийг бий болгохын тулд системийг гадаад цахилгаан талбарт байрлуулах ёстой. Талбайд түвшний бүх дүр зураг өөрчлөгддөг. Хэрэглэсэн гадаад хүчдэл нь D/e-тэй тэнцүү бол үр нөлөө нь боломжтой болно. Тунелийн гүйдэл нь eU нь эрчим хүчний зөрүүтэй тэнцүү байх үед хязгаарлагдмал хүчдэлийн U дээр гарч ирдэг. Дурын бага хүчдэлд хонгилын гүйдэл байхгүй байгаа нь эрчим хүчний цоорхой байгаагийн нотолгоо юм.

Одоогоор ийм цоорхойг илрүүлэх, түүний өргөнийг хэмжих хэд хэдэн аргыг боловсруулсан. Тэдний нэг нь хэт улаан туяаны бүс дэх цахилгаан соронзон долгионыг металлаар шингээх чадварыг судлахад үндэслэсэн болно. Аргын санаа нь дараах байдалтай байна. Хэрэв цахилгаан соронзон долгионы урсгалыг хэт дамжуулагч руу чиглүүлж, тэдгээрийн давтамж u тасралтгүй өөрчлөгдвөл энэ цацрагийн квантуудын энерги нь E w зайны өргөнөөс бага хэвээр байвал (мэдээж хэрэв байгаа бол). цацрагийн энергийг хэт дамжуулагч шингээж болохгүй. ђш к = Е ь давтамжтай зк давтамжтай үед цацрагийн эрчимтэй шингээлт эхэлж, ердийн металл дахь утга хүртэл нэмэгдэх ёстой. Shk хэмжсэнээр та E sh цоорхойн өргөнийг тодорхойлж болно.

Туршилтууд нь мэдэгдэж байгаа бүх супер дамжуулагчийн дамжуулагч электронуудын энергийн спектрийн цоорхой байгааг бүрэн баталсан. Жишээ болгон хүснэгтэд хэд хэдэн металлын хувьд T = 0 0 K дахь цоорхойн өргөн E w, тэдгээрийн хэт дамжуулагч төлөвт шилжих эгзэгтэй температурыг харуулав. Энэ хүснэгтийн өгөгдлөөс харахад E завсар нь маш нарийн ~ 10 -3 -10 -2 эВ байна; Цоорхойн өргөн ба шилжилтийн эгзэгтэй температур Tc хооронд шууд холбоо байдаг: Tc өндөр байх тусам Ec зөрүү ихсэх болно. онол

BCS нь T k-г E sh (0)-тэй холбоотой дараах ойролцоо илэрхийлэлд хүргэдэг:

E sh (0) = 3.5 кТ k, (17)

Энэ нь туршлагаар маш сайн батлагдсан.

Хэт дамжуулалтын онолын хувьд ихэнх үр дүнг изотроп загварын хувьд авсан. Бодит металууд нь үнэндээ анизотроп шинж чанартай байдаг нь олон туршилтаас харагддаг. Өргөн хүрээний таамаглалаар бид дараах томъёог олж авах боломжтой.

импульсийн p чиглэл дэх нэгж вектор хаана байна; ба гадаргуугийн Ферми радиус вектор ба түүн дээрх хурдууд юм. Хэмжээ нь чиглэлээс хамаарна. Туршилтын мэдээллээс харахад өөрчлөлт. Үүний зэрэгцээ температурын хамаарал нь бүх чиглэлд ижил байна, i.e. .

Хүснэгт 1.

Бодис
E sh (0),10 -3 эВ
E = 3.5 кТ к

Дулааны багтаамжийн онолын болон туршилтын өгөгдлийг харьцуулах үед анизотропи аль хэдийн харагдаж байна. Бага температурт

хамгийн бага зөрүү хаана байна, онолын муруйн дагуу (изотроп загварын хувьд) зарим дундаж зөрүү хаана байна. Тиймээс, дүрмээр бол онолын муруй нь туршилтынхаас доогуур байна.

Цоорхой анизотропийг илүү нарийвчилсан тодорхойлох янз бүрийн аргууд байдаг. Тиймээс нэг талст нэг судалтай хэт дамжуулагчийн дулаан дамжилтын илтгэлцүүрийг хэмжих нь хамгийн бага цоорхой нь үндсэн тэнхлэгийн чиглэлд байрладаг эсвэл суурь хавтгайд байрладаг эсэхийг тодорхойлох боломжтой болгодог. Хэрэв хэт дамжуулагчийн аль нэг нь дан болор байвал хонгилын контакттай туршилтаар цоорхой анизотропийн мөн чанарыг тодорхойлж болно. Анизотропийн талаархи хамгийн сонирхолтой үр дүнг дуу шингээх туршилтаас олж авсан. Хэрэв дууны давтамж нь хосуудын холболтын энерги юм бол бага температурт шингээлт нь зөвхөн өдөөлтөөр явагддаг, өөрөөр хэлбэл. пропорциональ. Гэсэн хэдий ч дуу шингээх механизм нь урвуу Черенковын нөлөө гэдгийг бид анхаарч үзэх хэрэгтэй. Энэ нь дууны тархалтын чиглэл рүү чиглэсэн хурд нь дууны хурдтай давхцаж байгаа электронууд л дууг шингээдэг гэсэн үг юм. . Харин металл дахь электронуудын хурд см/сек, дууны хурд см/сек; энэ нь гэсэн үг, i.e. перпендикуляр, өөрөөр хэлбэл, перпендикуляр хавтгайтай Ферми гадаргуугийн огтлолцлын үр дүнд үүссэн контур дээр байрлах электронууд дуу чимээг шингээдэг. Үүнийг харгалзан бага температурт дуу чимээ шингээх чадварыг энэ контур дээрх цоорхойн хамгийн бага утгаар тодорхойлно. Дууны тархалтын чиглэлийг өөрчилснөөр та цоорхойн талаар нэлээд дэлгэрэнгүй мэдээлэл авах боломжтой.

Цоорхойн анизотропи нь хэт дамжуулагчийн согогийг нэвтрүүлэхэд термодинамик хэмжигдэхүүний өөрчлөлт нь изотроп загвартай харьцуулахад илүү их байдагт илэрдэг. Жишээлбэл, (цэвэр металлын хувьд) -тай харьцуулахад бууралттай, i.e. дундаж квадрат анизотроптой пропорциональ.

2.3 Цоорхойгүй хэт дамжуулалт

BCS онолыг бий болгосноос хойшхи эхний жилүүдэд электрон спектрт энергийн цоорхой байгаа нь хэт дамжуулалтын шинж тэмдэг гэж тооцогддог байсан боловч эрчим хүчний цоорхойгүй хэт дамжуулалтыг бас мэддэг - цоорхойгүй хэт дамжуулалт.

Анх A.A-ийн үзүүлсэн шиг. Абрикосов ба Л.П. Горков, соронзон хольцыг нэвтрүүлэхэд чухал температур үр дүнтэй буурдаг. Соронзон хольцын атомууд нь спинтэй байдаг тул эргэлтийн соронзон момент байдаг. Энэ тохиолдолд хосын ээрэх нь хольцын зэрэгцээ ба параллель эсрэг соронзон орон дотор байгаа мэт харагдана. Хэт дамжуулагч дахь атом ба соронзон хольцын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр хосуудын тоо нэмэгдэж, үүний дагуу энергийн цоорхойн өргөн багасах болно. Тодорхой концентраци n үед 0.91n cr (n cr нь хэт дамжуулагч төлөв бүрэн алга болох концентрацийн утга) энергийн зөрүү тэгтэй тэнцүү болно.

Цоорхойгүй хэт дамжуулагчийн харагдах байдал нь хольцын атомуудтай харилцан үйлчлэх үед зарим хосууд түр зуур тасардагтай холбоотой гэж үзэж болно. Энэхүү хосын түр зуурын задрал нь эрчим хүчний цоорхой доторх орон нутгийн энергийн түвшний харагдах байдалтай тохирч байна. Бохирдлын агууламж нэмэгдэхийн хэрээр цоорхой бүрэн арилах хүртэл эдгээр орон нутгийн түвшинд улам бүр дүүрдэг. Хос тасрах үед үүссэн электронууд байгаа нь энергийн цоорхойг арилгахад хүргэдэг бөгөөд үлдсэн Cooper хосууд нь электрон эсэргүүцэл нь тэг байх болно.

Өөртөө цоорхой байх нь хэт дамжуулагч төлөв байдлыг илэрхийлэх зайлшгүй нөхцөл биш гэсэн дүгнэлтэд хүрч байна. Түүнээс гадна цоорхойгүй хэт дамжуулалт нь тийм ч ховор үзэгдэл биш юм. Хамгийн гол нь холбогдсон электрон төлөв байдал - Cooper хос. Энэ төлөв нь эрчим хүчний цоорхой байхгүй байсан ч хэт дамжуулагч шинж чанарыг харуулж чаддаг.

2.5 Электрон хос үүсэх

Хагас дамжуулагчийн энергийн спектрийн хориотой зурвасууд нь тортой электронуудын харилцан үйлчлэлийн улмаас үүсдэг бөгөөд энэ нь талст дотор үе үе өөрчлөгддөг потенциалтай талбар үүсгэдэг.

Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа металлын дамжуулалтын зурвас дахь энергийн цоорхой нь металыг энэ төлөвт шилжүүлэх явцад үүсдэг электронуудын зарим нэмэлт харилцан үйлчлэлийн улмаас үүсдэг гэж үзэх нь зүйн хэрэг юм. Энэ харилцан үйлчлэлийн мөн чанар нь дараах байдалтай байна.

Чөлөөт дамжуулалтын зурвасын электрон нь тороор дамжин хөдөлж, ионуудтай харилцан үйлчлэлцэж, тэдгээрийг тэнцвэрийн байрлалаас бага зэрэг "татаж" (Зураг 5) хөдөлгөөний "сэрэх" үед илүүдэл эерэг цэнэгийг бий болгож, өөр электрон үүн рүү шилжих боломжтой. татагдсан. Тиймээс металлд электронуудын хоорондох ердийн Кулоны түлхэлтээс гадна эерэг ионуудын тор байгаа тул шууд бус татах хүч үүсч болно. Хэрэв энэ хүч нь түлхэх хүчнээс их байвал Куперийн хос гэж нэрлэгддэг электронуудыг холбосон хосууд болгон нэгтгэх нь энергийн хувьд таатай болно.

Купер хосууд үүсэх үед системийн энерги нь хос дахь электронуудын Eb холбох энергийн хэмжээгээр буурдаг. Энэ нь хэвийн металлд T = 0 K дахь дамжуулалтын зурвасын электронууд хамгийн их энергитэй байсан гэсэн үг юм. St, мөн тус бүрийн энерги нь - E st /2, учир нь энэ хосыг устгаж, электронуудыг хэвийн төлөвт шилжүүлэхийн тулд яг ийм энерги зарцуулагдах ёстой (Зураг 6а). Тиймээс, холбогдсон хос электронуудын энергийн дээд түвшин ба хэвийн электронуудын доод түвшний хооронд E sv өргөнтэй зай байх ёстой бөгөөд энэ нь хэт дамжуулагчийг бий болгоход зайлшгүй шаардлагатай зүйл юм. Энэ цоорхой нь хөдөлгөөнт, өөрөөр хэлбэл муж улсуудын хооронд электрон тархалтын муруйтай хамт гадаад талбайн нөлөөн дор шилжих чадвартай эсэхийг шалгахад хялбар байдаг.

Зураг дээр. Зураг 7-д Cooper хосын бүдүүвч загварыг үзүүлэв. Энэ нь өдөөгдсөн эерэг цэнэгийн эргэн тойронд хөдөлж буй хоёр электроноос бүрддэг бөгөөд энэ нь гелийн атомыг санагдуулдаг. Хос дахь электрон бүр том импульс ба долгионы вектортой байж болно; Хос бүхэлдээ (хос массын төв) 0 орчуулгын хурдтай тайван байж болно. Энэ нь завсар байгаа үед дамжуулалтын зурвасын дүүрсэн хэсгийн дээд түвшинг дүүргэх электронуудын үл ойлгогдох шинж чанарыг анх харахад тайлбарлаж байна (Зураг 6a). Ийм электронууд асар их (болон) хөрвүүлэх хурдтай байдаг. Хосуудын төвийн эерэг цэнэгийг хөдөлж буй электронууд өөрсдөө өдөөдөг тул гадаад талбайн нөлөөн дор Купер хос талст даяар чөлөөтэй хөдөлж, энергийн цоорхой Е бүхэлдээ тархалтын дагуу шилжинэ. Зураг. 6б. Тиймээс энэ үүднээс авч үзвэл хэт дамжуулагчийн харагдах нөхцөл хангагдсан байна.

5-р зураг. 7

Гэсэн хэдий ч бүх дамжуулалтын зурвасын электронууд Купер хосыг холбох чадваргүй байдаг. Энэ процесс нь электронуудын энергийн өөрчлөлт дагалддаг тул зөвхөн энергийг өөрчлөх чадвартай электронууд хосоороо холбогдож чаддаг. Эдгээр нь зөвхөн Ферми түвшний ойролцоо байрлах нарийн зурваст байрладаг электронууд юм ("Ферми электронууд"). Ойролцоогоор ийм электронуудын тоо нийт тооны ~ 10 -4, туузны өргөн нь магнитудын дарааллаар 10 -4 байна.

Зураг дээр. Импульсийн орон зайд радиустай Ферми бөмбөрцөг бүтээгдсэн.

Үүн дээр p y тэнхлэгтэй харьцуулахад q1, q2, q3 өнцгөөр байрладаг dl өргөнтэй цагиргууд байдаг. Тухайн цагирагийн талбайд векторууд нь дуусдаг электронууд бараг ижил импульстэй бүлэг үүсгэдэг. Ийм бүлэг тус бүрийн электронуудын тоо нь харгалзах цагирагийн талбайтай пропорциональ байна. μ нэмэгдэх тусам цагирагийн талбай нь тэдгээрийн харгалзах бүлгүүдийн электронуудын тоог нэмэгдүүлдэг. Ерөнхийдөө эдгээр бүлгүүдийн аль нэгний электронууд хосоороо холбогдож болно. Хамгийн их хос электронууд нь илүү олон электронуудаас бүрддэг. Мөн ихэнх электронууд нь моментууд нь тэнцүү, эсрэг чиглэлд байдаг. Ийм электронуудын векторуудын төгсгөлүүд нь нарийн туузан дээр биш, харин Фермигийн бүх гадаргуугийн дагуу байрладаг. Бусад электронуудтай харьцуулахад эдгээр электронууд маш олон тул Куперийн хосуудын нэг бүлэг буюу ижил хэмжээтэй, эсрэг чиглэлтэй момент бүхий электронуудаас бүрдэх хосууд үүсдэг. Эдгээр хосуудын гайхалтай онцлог нь тэдний импульсийн эрэмбэлэгдсэн байдал бөгөөд бүх хосын массын төвүүд ижил импульстэй, хосууд тайван байх үед тэгтэй тэнцүү, тэгээс ялгаатай боловч бүх хосын хувьд ижил байдаг. хосууд болорын дагуу хөдөлж байх үед. Энэ нь электрон тус бүрийн хөдөлгөөн болон хос хосоор холбогдсон бусад бүх электронуудын хөдөлгөөний хооронд нэлээд хатуу хамааралд хүргэдэг.

Электронууд "олсоор холбогдсон уулчид шиг хөдөлдөг: хэрэв тэдгээрийн аль нэг нь газар нутгийн тэгш бус байдлаас (атомуудын дулааны хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй) бүтэлгүйтвэл хөршүүд нь буцааж авчирдаг." Энэ шинж чанар нь Куперын хосуудыг тархалтанд бага өртөмтгий болгодог. Тиймээс, хэрэв хосууд нэг буюу өөр гадны нөлөөгөөр эмх цэгцтэй хөдөлгөөнд автсан бол тэдгээрийн үүсгэсэн цахилгаан гүйдэл нь түүнийг үүсгэсэн хүчин зүйлийн үйлчлэл зогссон ч гэсэн дамжуулагч дотор тодорхойгүй хугацаагаар байж болно. Ийм хүчин зүйл нь зөвхөн цахилгаан орон E байж болох тул энэ нь ферми электронууд Купер хосуудад холбогдсон металлд өдөөгдсөн цахилгаан гүйдэл i нь орон зогссоны дараа ч өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна гэсэн үг юм: i=const E үед. =0. Энэ нь метал нь үнэхээр супер дамжуулагч төлөвт байгаагийн нотолгоо бөгөөд хамгийн тохиромжтой дамжуулалтыг эзэмшдэг. Товчхондоо электронуудын энэ төлөвийг үрэлтгүйгээр хөдөлж буй биетүүдийн төлөвтэй харьцуулж болно: ийм биетүүд анхны импульсийг хүлээн авснаар хүссэн хэмжээгээрээ хөдөлж, өөрчлөгдөхгүй хэвээр үлддэг.

Дээр бид Куперын хосыг гелийн атомтай харьцуулсан. Гэхдээ энэ харьцуулалтыг маш болгоомжтой хийх хэрэгтэй. Өмнө дурьдсанчлан, хосын эерэг цэнэг нь гелий атомынх шиг тогтворгүй бөгөөд хатуу тогтсон боловч хөдөлж буй электронууд өөрсдөө өдөөгдөж, тэдэнтэй хамт хөдөлдөг. Нэмж дурдахад хос дахь электронуудын холболтын энерги нь гелийн атом дахь тэдгээрийн холболтын энергиээс хэд дахин бага байдаг. Хүснэгт 1-ийн өгөгдлөөс харахад Куперын хосуудын хувьд Е гэрэл = (10 -2 -10 -3) эВ, гелийн атомын хувьд Е гэрэл = 24.6 эВ байна. Тиймээс Куперын хосын хэмжээ нь гелийн атомын хэмжээнээс хэд дахин том байна. Тооцоолол нь хосын үр дүнтэй диаметр нь L гэдгийг харуулж байна? (10 -7 -10 -6) м; үүнийг когерентийн урт гэж бас нэрлэдэг. Хосуудын эзэлдэг L 3 эзэлхүүн нь ~ 10 6 бусад хосуудын массын төвүүдийг агуулдаг. Иймээс эдгээр хосыг ямар нэгэн орон зайн хувьд тусгаарлагдсан "квази молекулууд" гэж үзэх боломжгүй юм. Нөгөөтэйгүүр, бүх хосуудын долгионы функцүүдийн асар том давхцал нь электрон хосолсон квант нөлөөг макроскопийн илрэл болгон сайжруулдаг.

Куперын хос ба гелийн атомуудын хооронд өөр нэг зүйрлэл байдаг бөгөөд маш гүнзгий байдаг. Энэ нь хос электрон нь атомуудын нэгэн адил бүхэл тоо ээрэх систем байдагт оршино. Гелийн хэт шингэнийг энергийн доод түвшинд бозоны конденсацийн өвөрмөц нөлөөний илрэл гэж үзэж болох нь мэдэгдэж байна. Энэ үүднээс авч үзвэл хэт дамжуулалтыг Купер хос электронуудын нэг төрлийн хэт шингэн чанар гэж үзэж болно. Энэ зүйрлэл бүр цаашилна. Цөм нь хагас бүхэл тоо ээрэх өөр нэг гелийн изотоп нь хэт шингэн чанаргүй байдаг. Харин саяхан нээсэн хамгийн гайхалтай баримт бол температур буурах тусам атомууд Куперийнхтэй төстэй хосуудыг үүсгэж, шингэн нь хэт шингэн болдог. Одоо бид хэт шингэн нь түүний хос атомын хэт дамжуулалттай адил гэж хэлж болно.

Тиймээс электрон хослох үйл явц нь ердийн хамтын нөлөө юм. Электронуудын хооронд үүсэх татах хүч нь хоёр тусгаарлагдсан электроныг хослуулахад хүргэж чадахгүй. Үндсэндээ Ферми электронуудын бүхэл бүтэн нэгдэл ба торны атомууд хоёулаа хос үүсэхэд оролцдог. Иймээс холболтын энерги (цоорхойн өргөн E w) нь бүхэлдээ электрон ба атомуудын нэгдлийн төлөв байдлаас хамаарна. Үнэмлэхүй тэг үед бүх Ферми электронууд хос хосоороо холбогдсон үед энергийн зөрүү E q хамгийн их өргөн E q (0) хүрнэ. Температур нэмэгдэхийн хэрээр тархалтын үед электронуудад энерги өгөх чадвартай фононууд гарч ирдэг бөгөөд энэ нь хосыг таслахад хангалттай юм. Бага температурт эдгээр фононуудын концентраци бага байдаг тул электрон хос тасрах тохиолдол ховор болно. Зарим хосуудын эвдрэл нь үлдсэн хосуудын электронуудын цоорхойг арилгахад хүргэж чадахгүй, гэхдээ үүнийг арай нарийсгана; цоорхойн хил нь Ферми түвшинд ойртдог. Температур нэмэгдэх тусам фононуудын концентраци маш хурдан нэмэгдэж, үүнээс гадна тэдний дундаж энерги нэмэгддэг. Энэ нь электрон хосын эвдрэлийн хурд огцом нэмэгдэж, үүний дагуу үлдсэн хосуудын энергийн цоорхойн өргөн хурдацтай буурахад хүргэдэг. Тодорхой температурт Tk цоорхой бүрэн алга болж, түүний ирмэгүүд нь Ферми түвшинтэй нийлж, металл хэвийн төлөвт ордог.

2.5 Металл фононуудын улмаас электронуудын хоорондын үр дүнтэй харилцан үйлчлэл

Фрохлих электронуудын фононтой харилцан үйлчлэлцэх нь электронуудын хооронд үр дүнтэй харилцан үйлчлэлд хүргэж болохыг харуулсан. Доор бид түүний онолын үндсэн заалтуудыг тоймлон харуулав.

Тохиромжтой торонд дамжуулах зурвас дахь электроны хөдөлгөөнийг Блох функцээр тодорхойлно

u k (r) = u k (r+n) үечилсэн байдлын нөхцөлийг хангах u k (r) функцээр модуляцлагдсан хавтгай долгионыг төлөөлдөг, энд n нь сараалжтай вектор, k нь долгионы вектор; h y нь эргэх төлөвийн функц юм. Цаашид бидэнд түүний тодорхой хэлбэр, функцийн хэлбэр u k (r) хэрэггүй болно.

V эзлэхүүн дэх N электрон агуулсан бүхэл металлын электрон долгионы функц нь q k,y N функцийн тэгш хэмийн эсрэг үржвэр юм. Үндсэн төлөв нь Ферми гадаргуугийн доторх k - орон зайд байрлах төлөвүүдийн дүүргэлттэй тохирч байна. Энэ гадаргуу нь бүсийн хилээс хол оршдог бөгөөд изотроп, өөрөөр хэлбэл k 0 радиустай бөмбөрцөг гэж бид таамаглах болно. өдөөх үед |к| төлөвөөс электронууд< k 0 переходят в состояния k| >k 0.

Хэрэв е k нь квази импульс бүхий электрон төлөвийн энерги ђk бол хоёрдогч квантчлалын дүрслэлд электрон системийн Гамильтониан (тогтмол гишүүн хүртэл) хэлбэртэй байна.

Энд a + kу, a kу нь хагас бөөмсийг үүсгэх, устгах Ферми операторууд юм.

Металл торны фононуудтай харилцан үйлчлэх операторыг тодорхойлохын тулд торонд n-р байр эзэлдэг эерэг ионыг ойролцоогоор n-ээр нүүлгэх үед электроны тортой харилцан үйлчлэх энерги дараах байдлаар өөрчлөгдөнө гэдгийг харгалзан үзнэ. хэмжээ. Иймд хоёрдогч квантчлалын дүрслэлд электрон-фононы харилцан үйлчлэлийн операторыг хэлбэрээр бичиж болно.

тэгш байдлыг ашиглан Fermi операторуудаар a ku болон Bloch функцээр илэрхийлсэн оператор хаана байна

Ионы шилжилтийн оператор тодорхойлогдсон тул

Bose операторууд хаана байна; s нь q долгионы векторт харгалзах уртааш дууны долгионы хурд, учир нь зөвхөн уртааш долгионууд хувь нэмэр оруулах ба тэдгээрийн хувьд u(q) = кв.

Хэрэв, нийлбэр нь тэгтэй тэнцүү бол, хэрэв, бид электрон фонон харилцан үйлчлэлийн операторуудын эцсийн илэрхийлэлийг мэргэжлийн тоогоор илэрхийлнэ.

Энд (1825) нь Ферми операторуудын бүтээгдэхүүний нийлбэрийн товчилсон тэмдэглэгээ юм; - электрон-фононы харилцан үйлчлэлийг тодорхойлдог жижиг утга. Интеграци нь нэг үндсэн үүрэн дээр явагддаг. "es" үсэг. Өмнөх бүх зүйлтэй Hermitian conjugate нэр томъёог зааж өгсөн болно.

Харилцан үйлчлэлийн оператор (24) нь электронуудын эргэлтийн төлөвөөс хамаардаггүй тул дараагийн зүйлд y spin индексийг бичихгүй байж болно. Торны ионууд нэг нэгжээр хөдөлдөг, D(q) нь зөвхөн q-аас хамаарах ба k-ээс хамааралгүй, торны ионуудын чичиргээ нь уртааш чиглэлд хуваагддаг гэсэн таамаглалаар оператор (24)-ийг авсан. ба q-ийн бүх утгуудын хувьд хөндлөн байдаг тул харилцан үйлчлэл нь зөвхөн уртааш фононуудад тохиолддог. Эдгээр хялбарчлахгүйгээр тооцоолол нь маш төвөгтэй болдог. Ийм хүндрэл нь зөвхөн тоон үр дүнг авах шаардлагатай тохиолдолд л зөвтгөгддөг.

Үүнтэй төстэй баримт бичиг

Соронзон урсгалын квантчлал. Хэт дамжуулалтын термодинамикийн онол. Жозефсон эффект нь хэт дамжуулагч квант үзэгдэл юм. Хэт дамжуулагч квант хөндлөнгийн детекторууд, тэдгээрийн хэрэглээ. Сул соронзон орныг хэмжих төхөөрөмж.

туршилт, 2012 оны 09-р сарын 2-нд нэмэгдсэн


Хэт дамжуулалтын тухай ойлголт, мөн чанар, түүний практик хэрэглээ. 1 ба 2-р төрлийн хэт дамжуулагчийн шинж чанарын шинж чанарууд. Хэт бага температурт металлын хэт дамжуулалтын үзэгдлийг тайлбарладаг "Бардин-Купер-Шрифферийн онол" (BCS) -ийн мөн чанар.

хураангуй, 2010-01-12 нэмэгдсэн


Хэт дамжуулагчийн нээлт, Мейснер эффект, өндөр температурын хэт дамжуулалт, хэт дамжуулагч тэсрэлт. Өндөр температурт хэт дамжуулагчийн нийлэгжилт. Хэт дамжуулагч материалын хэрэглээ. Диэлектрик, хагас дамжуулагч, дамжуулагч ба хэт дамжуулагч.

курсын ажил, 2016-04-06 нэмэгдсэн


1911 онд мөнгөн усны эсэргүүцлийн өөрчлөлтийн онцлогийг нээсэн. Олон дамжуулагчийн шинж чанар бүхий хэт дамжуулалтын үзэгдлийн мөн чанар. Хэт дамжуулагчийн хамгийн сонирхолтой үйлдвэрлэлийн хэрэглээ. "Мохаммедын авс" дээр туршилт хий.

танилцуулга, 2010 оны 11/22-нд нэмэгдсэн


Диракийн монополийн таамаглал. Хэт дамжуулалтын нөхцөлд ажиглагдсан соронзон урсгалын кванттай ижил электроны соронзон цэнэг. Соронзон урсгалын квантчлалын нөлөөний шинжилгээ. Кулоны хууль: цахилгаан ба соронзон цэнэгийн харилцан үйлчлэл.

нийтлэл, 2010 оны 12-р сарын 09-нд нэмэгдсэн


Тогтмол гүйдлийн цахилгаан эсэргүүцлийг тэг болгож бууруулж, соронзон орныг эзэлхүүнээс нь гадагшлуулна. Хэт дамжуулагч материалын үйлдвэрлэл. Хэт дамжуулалтыг гүйдлийн нөлөөгөөр устгах завсрын төлөв. Нэг ба хоёр дахь төрлийн хэт дамжуулагч.

курсын ажил, 2010 оны 07-р сарын 24-нд нэмэгдсэн


Хэт дамжуулагч материалын шинж чанар. Соронзон бус завсарын цахилгаан эсэргүүцэл ба соронзон нэвчих чадварыг тодорхойлох. Соронзон орны хүчийг талбайгаар нь бууруулах. Төхөөрөмжийг ажиллуулах нөхцөл. Meissner эффектийн хэрэглээ ба түүний шинэ бүтээл.

шинжлэх ухааны ажил, 2010 оны 04-р сарын 20-нд нэмэгдсэн


Хэт дамжуулагчийн онол, практик дээр ажиллаж алдартай болсон агуу физикчид. Бага температурт бодисын шинж чанарыг судлах. Хэт дамжуулагчийн хольцод үзүүлэх урвал. Хэт дамжуулалтын физик шинж чанар, түүнийг практикт ашиглах хэтийн төлөв.

танилцуулга, 2015/04/11 нэмсэн


Хэт дамжуулагчийг нээсэн түүх, тэдгээрийн ангилал. Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих үе шат. Энэ үзэгдлийг тайлбарласан шинжлэх ухааны онолууд, түүнийг харуулсан туршилтууд. Жозефсон эффект. Хэт дамжуулагчийг хурдасгуур, анагаах ухаан, тээврийн хэрэгсэлд ашиглах.

курсын ажил, 2014/04/04 нэмэгдсэн


Төслийг зөвтгөх шинжлэх ухаан, онолын дэмжлэг нь одоо онолын физикийн анхан шатны мэдлэг гэж тооцогддог зүйл дээр суурилдаг. Энэ бол зарим нэг шалтгааны улмаас өнөөг хүртэл ашиглагдаагүй олон тооны хууль тогтоомж, гайхалтай үр нөлөөний цуврал нээлтүүд юм.