Что такое сверхпроводимость в физике
Без всякого сопротивления: что такое сверхпроводимость
Физиков конца XIX века очень интересовало, как ведет себя электропроводность металлов при сверхнизких температурах. На этот счет существовали разные теории, но применимость их вблизи абсолютного нуля выглядела сомнительной. В декабре 1910 года Камерлинг-Оннес вместе с Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Холстом приступили к экспериментам. Первым делом они измерили температурную зависимость сопротивления платиновой проволоки, охлажденной жидким гелием. Оказалось, что оно понижается вместе с температурой, но ниже 4,25 К становится постоянным. Камерлинг-Оннес считал, что химически чистый металл вблизи абсолютного нуля обязан свободно пропускать ток, и объяснял остаточное сопротивление влиянием примесей. В дальнейшем он решил воспользоваться ртутью, которую можно очистить многократной перегонкой в вакууме. Жидкую ртуть при комнатной температуре заливали в тонкие капилляры и охлаждали их в гелиевом криостате, после чего измеряли ее сопротивление. В знаменательный день 8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес всего лишь убедился, что при охлаждении от 4,3 до 3 К сопротивление ртути падает практически до нуля. В повторном эксперименте 11 мая он обнаружил, что ртуть теряет сопротивление при охлаждении до 4,2 К (на самом деле его температурная шкала была не совсем корректна, в действительности чистая ртуть становится сверхпроводником при 4,15 К).
Камерлинг-Оннес понял, что скачкообразное исчезновение электрического сопротивления ртути (или, как минимум, его падение до не поддающихся измерению значений) не имеет теоретического объяснения. Он пришел к выводу, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим (температуру такого перехода сейчас называют критической, Tc).
Позднее под руководством Камерлинг-Оннеса в Лейдене были обнаружены еще четыре сверхпроводника — олово и свинец (1912), таллий (1919) и индий (1923). Но самые интересные открытия его лаборатории состояли не в этом. Еще осенью 1911 года было замечено, что сверхпроводимость ртути разрушается при увеличении плотности тока выше определенного предела, который растет по мере снижения температуры. Дальнейшие эксперименты показали, что при сворачивании сверхпроводящего провода в спираль этот порог снижается в несколько раз. Катушки из оловянной и свинцовой проволоки, сделанные для этих опытов, стали первыми в мире сверхпроводящими магнитами.
Эти результаты позволяли предположить, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем (которое при одинаковой силе тока внутри соленоида куда сильнее, нежели в линейном проводнике). Как ни странно, Камерлинг-Оннес не подумал об этой возможности, объясняя исчезновение сверхпроводимости плохим охлаждением катушек. Однако его весьма интересовало влияние внешнего магнитного поля на поведение сверхпроводника. Начав эти исследования в 1914 году, он вскоре убедился, что поле напряженностью всего в несколько сотен эрстед приводит к таким же последствиям, как и нагревание, то есть ликвидирует сверхпроводимость. Хотя Камерлинг-Оннес однозначно сформулировал этот вывод и показал, что пороговое значение магнитного поля (в современной терминологии критическое поле Hc) возрастает с уменьшением температуры подобно пороговому значению плотности тока, он не усмотрел связи между этими явлениями. И только в 1916 году американский физик Фрэнсис Бригг Сильсби высказал гипотезу, что в обоих случаях сверхпроводимость разрушается магнитным полем независимо от его источника.
В 1914 году Камерлинг-Оннес по-новому продемонстрировал возникновение сверхпроводящего тока. При комнатной температуре катушку из свинцовой проволоки охладили в магнитном поле приблизительно до 2 К, после чего отключили поле, создаваемое электромагнитом. В катушке возник индукционный ток, который удерживал своим магнитным полем подвешенную над катушкой намагниченную иглу. Согласно наблюдениям, за те полтора часа, в течение которых катушку держали в криостате, сила тока практически не уменьшилась. Не будь она сверхпроводящей, ток, разумеется, затух бы за ничтожные доли секунды.
Сверхпроводимость и магнетизм
После Камерлинг-Оннеса лабораторию возглавили Виллем Кеезом и Вандер де Хааз. В конце 1920-х они выяснили, что сверхпроводниками становятся не только металлы, но и биметаллические соединения, причем их пороговые магнитные поля могут составлять многие тысячи эрстед, что в десятки раз выше, чем у чистых металлов. Они же доказали, что наложение внешнего магнитного поля понижает критическую температуру.
К тому времени исследованием сверхпроводимости занимались не только в Голландии. Второй комплекс по ожижению гелия запустили в Университете Торонто в 1923 году, третий — спустя два года в криогенной лаборатории Имперского физико-технического центра в берлинском пригороде Шарлоттенбурге. С 1928 по 1930 год там выявили сверхпроводимость тантала, тория и ниобия. А в 1933-м директор лаборатории Вальтер Мейсснер и его ассистент Роберт Оксенфельд нашли у сверхпроводников парадоксальную особенность, которую ныне почитают более фундаментальной, чем способность без помех пропускать электрический ток.
Как должны вести себя в магнитном поле идеальные проводники? Возьмем металлический образец с простой геометрией (шар или тонкий длинный цилиндр) и поместим его в постоянное однородное магнитное поле при комнатной температуре. Как известно из школьного курса физики, поле проникнет внутрь образца на всю его толщину. Снизим температуру ниже критической, чтобы образец перешел в состояние идеального проводника. Такой переход никоим образом не влияет на магнитное поле, которое по-прежнему пронизывает образец. После отключения поля внутри идеального проводника благодаря появлению индукционных токов сохраняется магнетизм (вспомним правило Ленца), но наружное поле, естественно, изменяется.
Теперь выполним аналогичные операции в обратном порядке — сначала охладим образец, а потом включим магнитне поле. Идеальный проводник полностью вытолкнет магнитные силовые линии и породит на своей поверхности экранирующие индукционные токи. Однако после того, как мы поднимем температуру и превратим идеальный проводник в обычный металл, магнитное поле вновь проникнет внутрь образца.
Мейсснер и Оксенфельд в экспериментах с оловянными и свинцовыми цилиндрами обнаружили, что этот прогноз выполняется лишь наполовину. Во второй версии опыта сверхпроводник действительно ведет себя, как положено идеальному проводнику. Однако первая версия (охлаждение в постоянном магнитном поле) приводит к совершенно неожиданному результату. После перехода в сверхпроводящее состояние образец полностью выталкивает магнитный поток, так что магнитная индукция внутри него оказывается равной нулю. Дело выглядит так, что и в этом случае на поверхности сверхпроводника возникают незатухающие токи, которые экранируют его внутреннюю часть от внешнего магнитного поля. Экспериментаторы обнаружили также, что при последующем отключении поля образец теряет свою намагниченность. Отсюда следует, что токи исчезают, хотя у идеального проводника они должны сохраниться.
Эффект Мейсснера-Оксенфельда, как и сверхпроводимость, был открыт случайно. В те времена сверхпроводники воспринимали лишь как идеальные проводники с нулевым сопротивлением. В 1925 году Гертруда де Хааз-Лоренц (жена Вандера де Хааза и дочь великого голландского физика Хендрика Лоренца) теоретически вывела, что в подобных материалах электрические токи текут лишь в поверхностном слое толщиной порядка 50 нм (оценка оказалась чрезвычайно точной — к примеру, для свинца этот показатель составляет 40 нм). Через несколько лет сходные результаты получили и немецкие физики. Мейсснер пожелал проверить эту теорию экспериментом. Поскольку внутрь сверхпроводника заглянуть невозможно, он решил изучить магнитные поля, порождаемые сверхпроводящими токами. Здесь его ожидал сюрприз. Оказалось, что сверхпроводники взаимодействуют с магнитным полем совсем не так, как должны взаимодействовать с ним идеальные проводники (см. врезку выше). Эксперименты Мейсснера и Оксенфельда показали, что внутри сверхпроводника магнитное поле становится нулевым, то есть переход в сверхпроводящее состояние порождает идеальный диамагнетизм (вещества, внутри которых внешнее магнитное поле ослабляется, называют диамагнетиками). Эти результаты выглядели совершенно парадоксальными. Неоднократные повторные эксперименты подтверждали, что слабые магнитные поля не проникают внутрь сплошных сверхпроводников, хотя проходят сквозь кольца и полые цилиндры.
Сверхпроводимость
По классической теории электронной проводимости удельное сопротивление металлов должно уменьшаться при снижении температуры, но при всех температурах являться конечным. Зависимость сопротивления прослеживается в эксперименте только при наличии высокой температуры. При температуре, равной несколько кельвинов, такая зависимость претерпит изменения. Удельное сопротивление становится независимым от температуры и стремится к некоторому определенному значению. Оно отлично как для веществ, так и их образцов. Опытным путем установили, что остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл и меньше структурных дефектов в образце.
При большем понижении температуры некоторые вещества характеризуются явлением сверхпроводимости. Оно было открыто Камерлинг-Онессом в 1911 году. Удельное сопротивление характеризовалось уменьшением в виде скачка при определенном значении температуры. Переход в сверхпроводящее состояние возможно при сниженных температурах.
Сверхпроводимостью обладают такие чистые вещества, как алюминий, кадмий, цинк, индий, галлий. Ее свойство связано со структурой кристаллической решетки.
Наличие сверхпроводимости возможно в соединениях или сплавах. Элементы, входящие в состав соединения, могут не являться сверхпроводниками.
Уменьшение сопротивления длится быстро в интервале нескольких сотых градуса.
Свойства сверхпроводников
В сверхпроводниках один раз возбужденный электрический ток может существовать без источника тока длительное время. Сопротивление отсутствует, поэтому время затухания имеет большое значение.
Внутри вещества в сверхпроводящем состоянии магнитная индукция равняется нулю. При охлаждении тела сверхпроводника произъодит переход в сверхпроводящее состояние. Если включить внешнее магнитное поле, индукция будет равняться:
При наличии магнитного поля в сверхпроводнике появляются индукционные токи, продолжающие дополнительную индукцию, то есть:
Линии результирующей индукции во внешнем пространстве будут выталкиваться из тела, огибать его.
Магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Если значение напряженности магнитного поля растет выше определенного значения, то можно наблюдать разрушение сверхпроводимости. Сверхпроводник теряет свои свойства и становится проводником, а магнитное поле входит внутрь вещества. Критическим полем называют такое магнитное поле, при котором происходят данные процессы. Чем ниже температура сверхпроводника и больше разрыв между температурой перехода в состояние сверхпроводимости и температурой вещества в данный момент, тем больше магнитное поле, при котором происходит исчезновение сверхпроводимости. Если имеется значение температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то критическое магнитное поле равняется нулю.
Разрушение сверхпроводимости в сверхпроводнике возможно при помощи наличия магнитного поля тока.
В 1935 году братья Лондоны обнаружили, что магнитное поле Н проходит внутрь сверхпроводника и падает в зависимости от значения глубины по закону:
λ L = m c c 2 4 π n s q e 2 обозначается в качестве глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, n S – концентрацией электронов проводимости. Чистые металлы обладают глубиной проникновения, равной λ L
Классификация сверхпроводников
Поверхностная энергия связана с наличием границ раздела между нормальной и сверхпроводящей фазами. Значение поверхностной энергии может быть положительным и отрицательным. Если оно больше нуля, то сверхпроводники получают название сверхпроводников первого рода, если меньше нуля – сверхпроводники второго рода.
Для определения «нижнего» B k 1 и «верхнего» B k 2 критических полей изображают границы между областями. T k 0 – это значение критической температуры переходит в сверхпроводящее состояние при равном нулю внешнем магнитном поле.
Сверхпроводники второго рода могут применяться как соленоиды, которые служат для получения сильных магнитных полей. Сверхпроводники же первого рода использовать нельзя из-за низких критических магнитных полей.
Когда тело имеет форму бесконечно длинного цилиндра, то определение напряженности магнитного поля внешнего пространства идет при помощи значения полной силы тока:
Рисунок 2 показывает изменение индукции. Расстояние λ L от поверхности, при котором индукция магнитного поля уменьшается в е раз, получило название глубинного проникновения. Ее увеличение происходит за счет повышения температуры.
Произвести описание физической природы сверхпроводимости.
Главной особенностью поведения сверхпроводника считается свободное движение внутри вещества носителей заряда. Эффект является квантовым.
По закону Кулона между электронами металла действуют силы отталкивания. Этот процесс может быть ослаблен при помощи экранирующего действия ионов кристаллической решетки. Электроны движутся к ионам, даже при незначительном притяжении, но при наличии определенных условий притяжение превосходит отталкивание. Это характеризуется образованием пар электронов с нулевым спином. Они являются носителями тока в сверхпроводниках. Размер таких пар огромен, так как может достигать порядка микрон.