Сверхпроводимость и ее квантовая теория

1911 г. нидерландский физик Камерлинг-Оннес

Жидкая ртуть при Т = 4, 2 КR ® 0

1) Сопротивление многих металлов при Т ~ 0 К ® 0

(при Ом× м, а при Ом× м – это раз!!!)

2) В 1933 г. было обнаружено, что магнитное поле при выталкивается из металла независимо от того, чем оно было создано – внешним источником или током, текущим по самому проводнику. Т. о., магнитное поле в проводнике при всегда равно нулю, т. е. при металлы становятся диамагнетиками (m < 1, m ® 0).

Это явление было названо сверхпроводимостью, а металлы в таком состоянии – сверхпроводниками.

Т. о. сверхпроводник является не только идеальным проводником, но и идеальным диамагнетиком.

При температуре выше критической () сверхпроводники становятся обычными проводниками.

Возможности использования сверхпроводников в науке и технике:

1) в электротехнике и энергетике:

- Ленц-Джоулево тепло

~ 30¸ 40 % на «отопление Вселенной»…

резкое повышение КПД установок!

2) сверхпроводящие катушки ® сильные магнитные поля ® управляемый термоядерный синтез, поезда на магнитной подвеске…

3) слабосвязанные сверхпроводники ® ЭВМ, СВЧ усилители и др. полупроводниковые устройства.

Что же сдерживает широкое использование сверхпроводников?

1) температурный барьер ® жидкий гелий К;

2) большие финансовые затраты на создание условий для сверхпроводимости.

1987 г. – немецкие химики – пластичные керамические материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого азота или жидкого кислорода.

Но причины, сдерживающие их широкое применение, остаются прежними.

В 1957 г. американскими физиками Бардиным, Купером и Шриффером было дано квантовое объяснение явления сверхпроводимости (БКШ-теория).

Электроны являются фермионами, для них спиновое квантовое число s = ½. При снижении абсолютной температуры электроны стремятся занять энергетические состояния с наименьшей энергией (принцип минимума энергии), но принцип запрета Паули не дает им занять всем самое нижнее состояние в валентной зоне. Поэтому электроны располагаются по уровням вплоть до уровня Ферми (при Т = 0 К).

Тогда даже слабое электрическое поле возбуждает электроны, а при своем движении они сталкиваются с фононами, примесями и т. п., теряют энергию и переходят на уровни с меньшей энергией.

Т. е. наличие ненулевого сопротивления говорит о том, что идеальная проводимость невозможна.

Вот если бы электроны были бозонами и могли бы «сконденсироваться» на самом нижнем энергетическом уровне.

Но у бозонов s = 1, для этого электроны нужно как-то объединить в «пары». Электроны – имеют электрический заряд, поэтому как они могут объединиться?

В БКШ-теории предполагается, что при сверхнизких температурах () положительно заряженные ионные остатки кристаллической решетки стягивают электроны, и те образуют квазичастицы с целым спином – «куперовские пары», которые накапливаются на нижнем уровне, образуя между этим уровнем и уровнем Ферми «энергетическую щель», для преодоления которой требуется дополнительная энергия ().

При достижении куперовские пары разрушаются, и сверхпроводник становится обычным проводником.