Сверхпроводимость

В 1911 г Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути при температуре 4,15 К скачкообразно обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью было затем обнаружено и для других металлов и их соединений, Температура, при которой начинается сверхпроводимость, называется критической температурой – Т_k .

В последние 35 лет был обнаружен ряд высокотемпературных сверхпроводников на основе металлооксидной керамики (соединения типа La-Ba-Cu-O и Y-Ba-Cu-O ) с критической температурой выше 100 К .

Для сверхпроводника характерно то, что магнитное поле не проникает в его толщу (эффект Мейсснера). Формально можно сказать, что сверхпроводник обладает нулевой магнитной проницаемостью ( μ = 0 ) т.е. является идеальным диамагнетиком.

18-3

Достаточно сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Значение магнитной индукции, при котором это происходит, называется критическом и обозначается – B_k .

Если усиливать ток, текущий через сверхпроводник, включённый в общую цепь, то при значении плотности тока j_k сверхпроводящее состояние разрушается. Значение j_k зависит от температуры подобно зависимости B_k .

Сверхпроводимость представляет собой явление, в котором, как и в сверхтекучести, квантово-механические эффекты обнаруживаются в макроскопических масштабах. Но электроны являются ферми-частицами, а сверхтекучесть может наблюдаться только в системе бозе-частиц.

Электроны в металле кроме кулоновского отталкивания испытывают особый вид взаимного притяжения, которое в сверхпроводящем состоянии преобладает над отталкиванием. В результате электроны проводимости объединяются в так называемые куперовские пары . Электроны каждой такой пары имеют противоположно направленные спины. Спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон. Бозоны находятся в основном состоянии, из которого их трудно перевести в возбуждённое состояние. Следовательно, куперовские пары, придя в согласованное движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго.

Возбуждённое состояние электронной системы, находящейся в сверхпроводящем состоянии, отделено от основного состояния энергетической щелью ширины Е_св . Поэтому квантовые переходы этой системы не всегда будут возможными. При малых скоростях своего движения (отвечающих плотности тока, меньшей j_k ) электронная система не будет возбуждаться, а это и означает движение без потерь энергии, т.е. без электрического сопротивления.

Ширина энергетической щели Е_св с ростом температуры уменьшается и обращается в нуль при критической температуре T_k . Все куперовские пары разрушаются, и вещество переходит в нормальное состояние.