|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Сверхпроводимость 2 рода |
 |
Сверхпроводимость 2 рода
Описание
Сверхпроводимость – явление, заключающееся в том, что у многих химических элементов, соединений, сплавов (наз. сверхпроводниками) при охлаждении ниже определенной критической температуры Тс или при достижении критического значения магнитного поля Нс наблюдается переход из нормального в сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом переходе структурные и оптические свойства сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства вещества в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих же свойств в нормальном состоянии или от свойств других материалов, которые при тех же температурах в сверхпроводящее состояние не переходят. Для достаточно слабых полей и в сверхпроводниках 2-го рода имеет место эффект Мейснера (выталкивания магнитного поля из объема образца) . При достижении критического поля Нс1 (<Hc), становится энергетически выгодным проникновение магнитного поля в сверхпроводник в виде одиночных вихрей, содержащих в себе по одному кванту магнитного потока. Сверхпроводник 2-го рода переходит в смешанное состояние. Проникновение магнитного поля в объем сверхпроводника приводит к тому, что в этих условиях транспортный ток распределяется равномерно по всему сечению, не занятому вихревыми нитями. Таким образом, в отличие от сверхпроводников 1 рода, в которых ток протекает по тонкому поверхностному слою, в сверхпроводниках 2 рода транспортный ток проникает во всем объеме.
В сверхпроводники 2-го рода магнитное поле также проникает в виде вихревых «ниток». Но есть существенные отличия от сверхпроводников 1-го рода.
Проникновение магнитного поля в сверхпроводник II рода происходит в виде квантовых «ниток» — абрикосовских вихрей, несущих один флюксоид. Отталкиваясь друг от друга, эти мезоскопические образования формируют в сверхпроводнике II рода треугольную вихревую решетку.
Рис.1
Первое: каждый вихрь несет в себе только один флюксоид (рис. 1). Второе: вихри отталкиваются друг от друга (чем ближе, тем сильнее), образуя т. н. вихревую треугольную решетку, которую еще называют абрикосовской (соответственно, и вихри получили имя абрикосовских). И третье: у сверхпроводников 2-го рода критических значений индукции внешнего поля два. Проникновение вихрей происходит тогда, когда значение индукции магнитного поля заключено в диапазоне (1–D)Вc1 < В < Вc2.
При В = Вc1(1–D) вихри начинают проникать в материал, а когда В достигает второй критической величины, Вc2 (которая может быть во много раз больше, чем Вc1), они полностью заполняют сверхпроводник, переводя его в нормальное состояние. Важно понимать, что, несмотря на наличие абрикосовских вихрей, в интервале (1–D)Вc1 < В < Вc2 вещество по-прежнему сверхпроводящее, хоть и содержит нормальные области. Такое состояние сверхпроводника 2-го рода называется смешанным.
Отметим, что вихревая решетка — не абстракция, а эффект, реально наблюдаемый в магнитном поле при помощи различных экспериментальных методик (рис.2).
Вихрь Абрикосова
Рис.2
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Группа сверхпроводников 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Тс, таких как V3Ga, Nb3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.
Среди сверхпроводников 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля.
Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений
| Вещество |
Критическая температура ТК, К |
Критическое поле Н0, э |
| Ниобий |
9.25 |
4000 |
| Сплав 65 БТ |
9.7 |
>>100000 |
| Сплав NiTi |
9.8 |
>>100000 |
| V3Ga |
14.5 |
>>350000 |
| Nb3Sn |
18 |
>>250000 |
| (Nb3Al)4Nb3Ge |
20 |
- |
| Nb3Ge |
23 |
- |
| GeTe |
0.17 |
130 |
| SrTiO3 |
0.2-0.4 |
>>300 |
| Pb1,0Mo5,1S6 |
>>15 |
>>600000 |
Табл.1
Реализации эффекта
Когда говорят о сверхпроводнике, в первую очередь интересуются его критической температурой Тс - температурой перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Однако для сверхпроводника не менее важны и следующие характеристики: λ0 - глубина проникновения магнитного поля; ξ0 - длина когерентности и Δ0 - энергетическая щель. (Индекс 0 у этих величин означает, что их значения берутся при абсолютном нуле температур - при Т = 0 К) Чтобы дальнейшее изложение было понятным, нам придется сначала описать физическое содержание этих трех параметров, а также рассмотреть разницу между сверхпроводниками первого и второго рода.
Сверхпроводимость - это не только нулевое электрическое сопротивление материала, но и его идеальный диамагнетизм, выражающийся в эффекте Мейснера-Оксенфельда: сверхпроводник не пропускает внутрь себя внешнее магнитное поле, экранируя его токами в очень тонком приповерхностном слое. Глубина этого слоя при Т = 0 обозначается как λ0. Т. е. хотя поле всe же проникает в сверхпроводящий материал, оно очень быстро, экспоненциальным образом, в нeм затухает - так что на глубине более λ0 от поверхности сверхпроводник уже можно считать идеальным диамагнетиком. Параметр λ0 часто называют лондоновской глубиной проникновения магнитного поля (London penetration depth) - по имени братьев Лондонов (Fritz and Heinz London), которые математически описали эффект Мейснера-Оксенфельда. По мере приближения температуры к критической глубина проникновения в сверхпроводник внешнего поля (с фиксированным значением индукции) растет. При Т = Тс внешнее магнитное поле захватывает материал полностью.
Чтобы понять, что такое длина когерентности, вспомним, что сверхпроводник представляет собой "резервуар" коллективизированных электронов проводимости, объединенных в пары (называемые куперовскими) и текущих без трения как единое целое сквозь кристаллическую решетку материала. Грубо говоря, расстояние между электронами в такой паре и есть длина когерентности ξ. Она, как и лондоновская глубина проникновения, зависит от температуры: с возрастанием температуры расстояние между электронами в куперовской паре увеличивается. При приближении температуры к критической это расстояние стремится к бесконечности, что означает температурное разрушение куперовской пары, а в макроскопическом масштабе - переход материала в нормальное (не сверхпроводящее) состояние.
Разрушить куперовскую пару можно не только путем повышения температуры, но и прикладывая к ней энергию - например, облучая инфракрасным светом. Энергия связи такой пары электронов (при нулевой температуре) равна 2Δ0 - удвоенное значение энергетической щели. С ростом температуры Δ (уже без индекса 0) уменьшается - до нуля по достижении Тс.
В 1957 году А. А. Абрикосов сформулировал критерий деления сверхпроводников на две группы, введя отношение κ = λ0/ξ0. Если κ < 1/√2, сверхпроводник первого рода, в противном случае, когда κ > 1/√2, - второго рода. К сверхпроводникам первого рода относятся все чистые элементы, за исключением ванадия и ниобия. Сверхпроводящие сплавы, интерметаллические соединения и т. п. вкупе с ванадием и ниобием - сверхпроводники второго рода.
Литература
1. Главный редактор: Прохоров А. М., редакционная коллегия: Алексеев Д. М., Балдин А. М. Физическая энциклопедия. «Большая Российская Энциклопедия»: Научное издательство, том 5 – Москва, 1998. Стр. 536 – 537.
2. Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971;
3. Де Жен П., Сверхпроводимость металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968.
.gif)
