|
Реферат: Сверхпроводимость и низкие температуры (Физика)
Содержание:
1. Вступление
2. Сверхпроводящие вещества
3. Эффект Мейснера
4. Теплоемкость сверхпроводника
5. Изотропический эффект
6. Теория сверхпроводимости
7. Конечные температуры
8. Щель в энергетическом спектре
9. Сверхпроводимость в полупроводниках
10. Эффекты Джозефсона
11. Электромагнитные свойства сверхпроводников
12. Заключение
13. Библиография
Вступление
В 1908 г. в Лейденском университете под руководством Камерлинг-
Оннеса был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой
температурой кипения (4,21К), и поэтому его сжижение позволило изучать
свойства веществ при температурах, ранее не доступных.
1911 г. был отмечен открытием явления сверхпроводимости. Открыл
его все тот же Камерлинг-Оннес в Лейденском университете, в
лаборатории низких температур. Изучение этого явления составляет одно
из важнейших направлений в физике твердого тела. При проведении
экспериментов оказалось, что при низкой температуре сопротивление
многих металлов обращается в нуль. Для первого исследованного
вещества—ртути этот барьер составил 4К.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического
сопротивления при конечной температуре, отличной от нуля.
Приблизительное сопротивление сверхпроводника: 10-23 ом*см. По
проводнику, находящемуся в сверхпроводящем состоянии ток будет
циркулировать бесконечно. Также у сверхпроводников наблюдается резкая
аномалия магнитных, тепловых и других свойств.
Сверхпроводящие вещества
Самой высокой критической температурой среди чистых веществ
обладает ниобий (9,22К), а наиболее низкой иридий (0,14К). Критическая
температура зависит не только от химического состава вещества, но и от
структуры самого кристалла. Например, серое олово—полупроводник, а
белое может превращаться в сверхпроводящий металл. Поэтому
сверхпроводимость является свойством не отдельных атомов, а
представляет собой эффект структуры самого образца.
Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не
обладают этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных
условиях проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для
исследователей это явилось полной неожиданностью и еще больше
осложнило объяснение этого явления. Основную часть сверхпроводников
составляют не чистые вещества, а их сплавы и соединения. Причем сплав
двух несверхпроводящих веществ может обладать сверхпроводящими
свойствами.
Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1К).
Однако в 1967 г. был создан Nb3Al0,75Ge0,25 (20,1К). В 1973 создали
пленку Nb3Ge (22,3К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из
оксидов металлов, критическая температура у которых выше температуры
сжижения азота и приближается к комнатной.
Эффект Мейсснера
В 1933 Мейсснером и Оксенфедьдом было открыто одно из наиболее
фундаментальных свойств сверхпроводимости—эффект Мейсснера. Оказалось,
что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца. Если
мы исследуем образец при t>Tk, то в образце напряженность при
помещении в магнитное поле будет больше нуля. Не выключая внешнего
поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что
магнитной поле будет постепенно вытолкнуто из сверхпроводника.
Как известно, металлы, за исключением ферромагнетиков в
отсутствие внешнего магнитного поля обладают нулевой магнитной
индукцией. Это связано с тем, что магнитные поля элементарных токов,
которые всегда имеются в веществе, взаимно компенсируются вследствие
полной хаотичности их расположения.
При коэффициенте (>1 (парамагнитные вещества) происходит
уменьшение внешнего поля в образце. В диамагнитных веществах ((0 по экспоненте. При Т=Тк
теория предсказывает скачок теплоемкости:
Щель ?(Т) с ростом температуры уменьшается. Для Тк:
где р--константа связи электронов. Отсюда следует: Тк~?, то есть
,то
таким образом, объясняется изотропический эффект.
Разность энергий нормальной и сверхпроводящей фаз на единицу
объема составляет
(Нк—критическое поле)
При Н=Нк металл переходит в нормальное состояние.
Щель в энергетическом спектре
Энергетическая щель в сверхпроводниках непосредственно
наблюдается на опыте. При этом не только подтверждается существование
щели в спектре, но и измеряется ее величина. Исследовался переход
электронов через тонкий непроводящий слой толщиной ~10Е, разделяющий
нормальную и сверхпроводящую пленки. При наличии барьера имеется
конечная вероятность прохождения электрона через барьер. В нормальном
металле заполнены все уровни энергии, вплоть до максимального ?f, в
сверхпроводящем же до ?f-?. Прохождение тока при этом невозможно.
Наличие энергетической щели в сверхпроводнике приводит к отсутствию
соответствующих состояний, между которыми происходил бы переход. Для
того чтобы переход мог произойти, необходимо поместить систему во
внешнее электрическое поле. В поле вся картина уровней смещается.
Эффект становится возможным, если приложенное внешнее напряжение
становится равным ?/e. На графике видно, что туннельный ток появляется
при конечном напряжении U, когда eU равно энергетической щели.
Отсутствие туннельного тока при сколь угодно малом приложенном
напряжении является доказательством существования энергетической щели.
Величины: ?(0)/kT
| Величина | Al | In | Sn | Pb | Теория |
|2?(0)/kTk | 3,37 | 3,45 | 3,47 | 4,26 | 3,52 |
Другой метод, позволяющий сделать выводы, связан с эффектом
прохождения инфракрасного электромагнитного излучения через тонкие
сверхпроводящие пленки. При частотах, удовлетворяющих условию ??=2?
наблюдается пик в поглощении длинноволнового электромагнитного
излучения, что позволяет определить величину щели. При меньших
частотах наблюдается сверхпрозрачность образцов. Опыты такого рода
были проведены, однако они являются менее надежными по сравнению с
туннельными экспериментами. Некоторые результаты этих опытов
представлены в таблице.
Определить величину энергетической щели можно также, изучая
поглощение ультразвука в сверхпроводниках. Оно определяется по
следующей формуле:
Где v—коэффициент поглощения ультразвука. Данная формула справедлива
при условии w | |
