1.10. Сверхпроводники

Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Камерлинг-Оннесом, обнаружившем, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4,4 К), полностью теряет электрическое сопротивление. Позже было установлено, что сверхпроводимость возможна в олове, свинце и других металлах. К настоящему времени известно 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений различных элементов, обладающих сверхпроводимостью.

Возникновение сверхпроводящего состояния связывается с тем, что при температурах ниже точки перехода электрон локально искажает решетку, создавая область притяжения для другого электрона, при этом силы притяжения между ними будут превосходить силы отталкивания. Такие электронные пары будут находиться в одном квантовом состоянии. Результатом коллективного поведения пар является рассеяние отдельного электрона на примесях и переход в сверхпроводящее состояние. У чистых монокристаллов переход в состояние зависит от структуры кристаллической решетки. Например, белое олово обладает сверхпроводимостью, серое — нет. Среди чистых веществ, сверхпроводимость наблюдается в алюминии, кадмии, индии, галлии.

Сверхпроводящее состояние разрушается магнитным полем, когда магнитная индукция превосходит некоторое критическое значение, зависящее от материала сверхпроводника и температуры. Экспериментально обнаружено, что критическое поле (Нкр) достаточно хорошо аппроксимируется параболами типа:

Нкр≈Но·[1-(Т/Ткр)²] (1.9)

где Но— критическое поле при абсолютном нуле, Ткр — температура сверхпроводящего перехода.

Зависимость критического поля от температуры по сути представляет собой фазовую диаграмму сверхпроводника (рис. 1.4). Металл будет находиться в сверхпроводящем состоянии при любой комбинации температуры и приложенного магнитного поля, например в точке А. Так как суммарный импульс сверхпроводящих электронов не должен превышать некоторого определенного значения для любого сверхпроводника существует критическая плотность тока Iкр, выше которой сверхпроводимость разрушается. Например, если через цилиндрическую проволоку радиуса “а” в отсутствии внешнего поля пропускать ток I, на ее поверхности возникнет магнитное поле напряженностью H₁, тогда ток I=2πaH₁, а критический ток .Iкр=2πaНкр.

Зависимость критического тока 1кр от напряженности магнитного поля Н при продольном приложении поля к проводнику, показана на рис. 1.5.

рис. 1.4 рис. 1.5

Эффект Мейсснера,обнаруженный в 1933 г., состоит в вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводящего тела или проводника.Поверхностный ток,занимая тонкий слой вблизи поверхности сверхпроводника, создает магнитное поле, уничтожающее внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. Поэтому формально сверхпроводник ведет себя как идеальный диамагнетик.Сверхпроводники первого, второго и третьего рода.Сверхпроводники первого рода — это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Мейсснера (поля меньшие 10⁵А/м). Сверхпроводники второго рода—это вещества, в которых эффект Мейсснера проявляется частично (поля большие, чем 10⁷—10 А/м). Магнитное поле в них распределено в виде отдельных нитей, а сопротивление равно нулю, как и у сверхпроводников 1-го рода. К сверхпроводникам второго рода относятся в основном сплавы (из чистых металлов только ниобий, ванадий и технеций). Сверхпроводники третьего рода — это “жесткие” сверхпроводники в основном сплавы и химические соединения сверхпроводников 2-го рода, содержащие дефекты структуры, служащие местами закрепления вихрей. Вихрь—это область сверхпроводника, в которую проникает внешнее магнитное поле. Каждый вихрь — это элементарный квант магнитного потока. Вихри образуют симметричную решетку, которая при жестком закреплении, обеспечивает у сверхпроводников 3-го рода возможность получения больших критических токов. Например, в проводнике из станнида ниобия Nb₃Sn в полях с В=10 Тл плотность тока может быть более 10⁹А/м. Сверхпроводники 1-го рода могут существовать в сверхпроводящем или нормальном состоянии, а сверхпроводники 2-го рода в одном из трех состояний — в сверхпроводящем, смешанном или нормальном.

рис. 1.6

На рис. 1.6 показано смешанное состояние в сверхпроводнике. Сверхпроводящие вихри окружают сердцевины с нормальной проводимостью. Вертикальные линии—пронизывающие сердцевины магнитный поток. Поверхностный ток обеспечивает общий диамагнетизм сверхпроводника.

рис 1.7

На рис. 1.7 показаны фазовые диаграммы сверхпроводников 1 и 2-го рода. На рис. 1.7б Н_кр характеризует эквивалентный сверхпроводник 1-го рода, т. е. с той же температурой перехода. В табл. 1.3 сопоставлены верхнее критическое поле Н_кр2 и В_крпри 4,2К и температура Т_кр станнида ниобия — сверхпроводника 2-го рода и свинца—сверхпроводника 1-го рода.

Таблица 1.3

Примеры сверхпроводников 1-го рода приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Температуры перехода некоторых сплавов и химических соединений приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Приведем также примеры критических плотностей тока некоторых сверхпроводниковых сплавов: в ниобии Iкр=8·10⁸А/м²при В=0,5Тл; в молибден- рениевых сплавах (Мо₃Rе), используемых для изготовления проволоки диаметром меньше 0,01 мм,Iкр=10⁸А/м²в поле сB=1,5Тл; в ниобий- титановых сплавах для проволоки с 20% ниобия при 4,2 КIкр=10⁹ А/м²при В=3Тл; в ленте из Nb₃Sn на подложке из стали с медным покрытием при 4,2 КIкр=(2—2,7)·10⁸А/м²при В=10Тл; в ванадий- галлиевом сплавеV₃Gа на лентах из ванадия при 4,2 К

Iкр =4,3·10⁹A/M²при В=14Тл.