Лекция 1 Введение. Общее введение



Скачать 106.73 Kb.
Дата17.04.2016
Размер106.73 Kb.
ТипЛекция

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

ОСНОВЫ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ


КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

Лекция 1


1. Введение.

1.1. Общее введение.

В настоящем курсе мы очень кратко рассмотрим только основы сверхпроводимости, т.е. факты, определения. Почти не будет выводов, математики. Цель – знакомство со сверхпроводимостью – одним из интереснейших явлений в физике твердого тела. Сверхпроводимость (СП) все шире входит в технику, каждый образованный человек должен иметь представление.

Время в физике сверхпроводимости такое: в 1987 г. была открыта сверхпроводимость при TN78K. Это была научная революция: за несколько месяцев рекордная температура перехода в сверхпроводящее состояние увеличилась в 4 раза (см. рис.).

До того понадобилось 75 лет, чтобы довести эту температуру до 20К. За 20 лет с 1987г. максимальная температура перехода увеличилась еще в 2 раза.

Для таких «высокотемпературных» сверхпроводников не нужен гелий – дорогой и капризный хладоагент или сложные рефрижераторы. Азот производится в огромных количествах, и существуют достаточно простые рефрижераторы для азотных температур.

1.2. Рекомендуемая литература.

Основная:

1. Линтон Э. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1971.

2. Буккель В. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975.

3. Роуз-Инс А., Родерик Е. Введение в физику сверхпроводимости. М.: Мир, 1972.

4. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Наука, 2000.

5. Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. М.: Мир, 1974.



Дополнительная:

1. Тинкхам М. Введение в физику сверхпроводимости. М.: Наука, 1980.

2. Сан-Жам Д., Сарма Г., Томас Е. Сверхпроводимость второго рода. М.: Мир, 1970.

3. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. М.: Мир, 1984.

4. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. Тт. 1-5. Под ред. Д.М.Гинзберга. М.: Мир, 1990-1995.
1.3. Причина интереса к сверхпроводимости.

1. Чем вызван интерес к сверхпроводимости?

1) Ток без затухания – годами! R=0.

2) Огромный ток (ток – враг СП) >108 A/cm2 (при НТ)! В специальных случаях (наноструктуры) >109 A/cm2! Медь – в пар.

3) Огромные магнитные поля выдерживают специальные СП материалы (в частности, ВТСП) (магнитное поле – враг СП): Н>2 млн. Э (короткий импульс, постоянных полей такого уровня просто нет).

4) Огромные объемы Н: пузырьковая камера для исследования частиц высоких энергий в ЦЕРНе (объем 70 м3) находится в СП соленоиде.

Без СП – невозможно!

5) Транспорт на магнитной (СП) подушке. «Гроб Магомета» – занимаются во многих странах. Рекорд скорости поезда (более 581 км/ч) получен для такого объекта в Японии.

6) Сверхчувствительные СП магнитометры:

-магнитограммы сердца, мозга, карта тела (видна патология);

Магнитное поле Н появляется из-за ионных токов.

-все, что можно перевести в Н:



V10-17 В,

смещение L10-17 см.

7) Сверхскоростные элементы ЭВМ: 21011 Гц.

Видите возможности для приложений (сильные токи, СП электроника). Трудности – низкие температуры.

2. Чрезвычайно интересное физическое явление. Сейчас:

Низкотемпературная сверхпроводимость (НТСП) – явление в основном понято. Точность расчета характеристик 1% (такова же точность основных уравнений);

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) – поначалу вызвали шок у теоретиков. До сих пор нет единой точки зрения. И главное – нет предсказаний (открытие ВТСП тому доказательство). Маттиас: предскажите уверенно хотя бы 1 К! Главный парадокс в том, что мы не знаем с нужной точностью свойств нормальных металлов.
1.4. История открытия и развитие.

Д.Шенберг «Сверхпроводимость», ИЛ, 1955.

1. 1908г. – ожижение гелия: Лейден (Голландия); Камерлинг-Оннес. ТНе=4.2К. Новая область «гелиевых» температур (откачка паров, T<4.2K). До того – жидкий водород: ТН=20К (откачка до Т=14К).

2. Изучение R(T) для металлов; Rост при понижении Тзависит от чистоты металла (см. рис.). Оннес считал, что идеально чистые металлы будут иметь R0 при ТНе. Надо было проверить. Ртуть – идеально подходила: хорошо можно чистить. И вот в 1911г. эксперимент при Т=4.2К.

3. Открытие сверхпроводимости.

Вот экспериментальная кривая Камерлинг-Оннеса:

Скачок R при Т=4.2К, а не плавное приближение к нулю, как думал Оннес. Ширина перехода менее 0.03К, т. е. очень резкий переход. R<10-5 Ом при Т<4.2K. Нуль их прибора. Это открытие противоречило всей колебательной теории сопротивления: R из-за движения атомов и идет к нулю плавно. В первой же работе Камерлинг-Оннес назвал это состояние металла «сверхпроводящим». А далее оказалось, что и чистота не важна. Это было неожиданное открытие нового состояния материи.

1913г. – Нобелевская премия. И лишь в 1957г. – микротеория (46 лет!)

4. Развитие.

1) Pb – 7.2K.

2)Ряд других металлов.

3) Открытие основных фактов. И т. д. до 1986г. – открытие ВТСП.



1.5. ВТСП.

1. Развивалась и теория:

-Гинзбург-Ландау (1950г.);

-Абрикосов;

-БКШ (1957г.);

-Элиашберг;

-Джозефсон (1962г.).

Солидные, фундаментальные теории.

После открытия ВТСП Гинзбург сказал: «Казалось, что мы поняли в сверхпроводимости почти всё. Оказалось – не понимаем основ». С 1986г. – огромный интерес к сверхпроводимости.

Как же начиналась ВТСП?

2. 1964г.: Литтл, затем Гинзбург – ставят проблему.

Медленный рост температуры перехода в СП состояние: 10 лет – 3К.

В 1986г. рекорд 24К. (См. рис. Тс(t)).

3. Конец 1986г. Беднорц и Мюллер (Швейцария) в соединении La2-хBaхCuO4 получают переход при 30К. Рекорд повышен сразу на .

4. Март 1987г. Поль Чу в США получает соединение YBa2Cu3O7 с переходом при 90К. Это соединение сверхпроводит в жидком азоте ТN=78K.

5. Сейчас рекорд 138К в соединении HgBa2Ca2Cu3Ox с добавкой фтора. Под давлением (300-400катм) 167К в нем же. Твердо установлено.

6. Указания на возможную сверхпроводимость при Т=250-300К и даже выше. Но может быть это и не сверхпроводимость, а иной фазовый переход.

7. Бурное развитие работ по СП, особенно в области электроники.

С 2010 г. В США переход на СП электротехническое оборудование (а это миллиарды долларов).

2. Основные факты

2.1. Идеальная проводимость.

2.1.1. R=0.

Но нулю ли?

1) Измеряем V=RI при заданном I.

2) В СП фактически мерим, что RпредVпред для аппаратуры.

3) «Нуль померить нельзя». Как же?

4) Первые опыты (Камерлинг Оннес, 1914г.): ток в кольце.

А). Если R0, то потери I2R и энергия (тока, поля Н) постепенно переходит в тепло и I0.

Б). Если R=0, то ток не затухает.

В). Схема эксперимента:

Что произойдет? Возникает ЭДС , т.е. ток (закон Ленца: сохранение Н).

В нормальном металле (R0) все то же самое, но I(t)0. Это (затухание тока) и смотрят.

I(t)=Ioexp(-Rt/L). (1)

Здесь IoI(0), L-коэффициент самоиндукции кольца.

К.Оннес, Тюин: торсионный подвес (упругая нить).



В обоих кольцах – незатухающие токи (знаем, как их завести). Эти токи (т.е. их Н) стремятся установить кольца параллельно друг другу (минимум энергии). Развернем внутреннее кольцо: нить закрутится.



Равновесие – равенство вращающих моментов токов и нити. И смотреть изменение угла закрутки. По (1) определим R.

Куин, Иттнер (1962г.), улучшив установку (Pb цилиндр с очень тонкими стенками, L=1.410-13 Гн), нашли: Н<2% за 7 ч. Откуда получили, что удельное сопротивление в СП состоянии <410-23 Омсм.

Г). В еще более точном эксперименте, который длился 2.5 года (!), найдено, что <10-23 Омсм. Сейчас (метод СКВИДа) <410-25 Омсм.

Н.Б.Брант. Соросовский журнал, 1996г.

У меди =10-9 Омсм при НТ. Т.е. R=0. Итак сверхпроводник – идеальный проводник. И это дает главное применение сверхпроводимости.

Д). Парадокс с классической теорией электропроводности:

1) Перенос тока электронами.

2) Рассеяние электронов на дефектах и колебаниях атомов (фононах) дает R.

3) С понижением Т сопротивление падает, т.к. уменьшается амплитуда колебаний атомов.

Нельзя понять, почему R падает резко при Т0. Т.е. сверхпроводимость – квантовый эффект. Но этого мало: рассеяние электронов-волн также не отвечает на вопрос, почему R падает резко при Т0. Т.е. сверхпроводимость – коллективный эффект. Ответ: резко меняется состояние системы электронов из-за их взаимодействия. Рассуждение о СП кольце и атоме:

1) СП кольцо напоминает атом.

2) Электроны в атоме не затухают – Боровские орбиты.

3) При этом целое число длин волн частиц, переносящих ток, укладывается на длине орбиты.

Точно также в СП кольце.

2.1.2. Критическая температура Тс.

Введем первый критический параметр СП.

Вы уже видели переход в СП состояние (кривая Камерлинг Оннеса). По изменению сопротивления.

Это фазовый переход. Конечно, он не может быть бесконечно узким. В чистых металлах его ширина Т составляет 10-3 К. Неоднородности, флуктуации (особенно в тонких СП пленках), примеси, дефекты расширяют переход. Нарисуем его в большом масштабе.



Критическая температура является функцией ряда параметров: Тс=f(P,H,концентрации примесей). Магнитные примеси (Fe) очень резко понижают Тс в обычных сверхпроводниках (доли процента могут подавить переход). Nb Тс=9.25 K (максимум у элементов при нормальном давлении). Родий (Rh) Тс=310-4 K=0.3 мК (пока самая низкая у чистых элементов).

J.E.Hirsh. Обзор 1997г.

2.1.3. Изотоп-эффект.

Пример одной из интересных зависимостей Тс. Тс зависит от массы атома сверхпроводника.

Открыт в 1950 г. двумя группами: 1) Е.Максвелл; 2) Рейнольдс, Серин, Райт, Несбит.

Очень важный факт для теории СП: роль кристаллической решетки (т.е. то, из чего она состоит) существенна. Намек на механизм сверхпроводимости.


Tc=Const/M1/2
Эксперимент:


Sn

Разные изотопы.

Из работ:

1. Максвелл

2. Локк и др.

3. Серин и др.


Позже найдены нарушения: Тс~M-, где 0.5 (объяснения позже). В ВТСП ~0:





2.2. Идеальный диамагнетизм.

2.2.1. Эффект Мейснера-Оксенфельда.

«Выталкивание магнитного поля» из массивного сверхпроводника. Это происходит независимо от условий эксперимента. Т.е. в массивном сверхпроводнике всегда В=0.

Мейснер, Оксенфельд – 1933 год.

Второй фундаментальный факт: эффект Мейснера-(Оксенфельда).

1. Наблюдают по изменению индуктивности L катушки при переходе образца в СП состояние (аналог изменения L катушки с магнитным сердечником).

Меняют Т.


Н от внешнего соленоида
2. Диамагнетизм сверхпроводника:

B=H+4M,

здесь М-намагниченность. Единицы CGS, Гаусс.



В=0, т.е. M=–(1/4)H. M=H, -восприимчивость.
Т.е. =–1/4. Это диамагнетик (знак минус, намагничивается против поля).

Это идеальный (!) диамагнетик, т.к. =max.

Полностью компенсирует приложенное к нему поле.
3. Физика явления – незатухающие токи. В сверхпроводнике возникают диамагнитные незатухающие токи, которые полностью компенсируют внешнее поле. Это явление не следует (хотя связано) из идеальной проводимости. Т.е. В=0 – фундаментальное свойство СП-ков.

Итак, СП=идеальный проводник (R=0) + идеальный диамагнетик (=–1/4).

Это два самых «главных» свойства СП-ков, другие – кратко.

Но сначала – другие критические параметры: оказывается, есть и другие, кроме Тс.



2.2.2. Критическое магнитное поле Нс.
1) Экспериментальный факт: при росте Н (Tc) SN.

Т.е. при Н=Нс равновесие S и N фаз.


2) В термодинамике при равновесии фаз равны их термодинамические потенциалы Гиббса, т.е.

GN(Hc)=GS(Hc).

Здесь G=G(T,p,H) = функция Гиббса = свободная энергия Гиббса = термодинамический потенциал Гиббса. Это энергия.

Формула для единицы объема; N=нормальная фаза, S=сверхпроводящая фаза. Устойчива та фаза, у которой меньше G.

3) Вывод из вышеуказанного факта:



GN(H=0) - GS(H=0)=Нс2/8 (2)

Действительно, энергия единицы объема магнитного поля есть Н2/8. При H>Hc энергетически не выгодно существование сверхпроводника (который вытесняет из себя поле). Т.е. при Н=Нс член Н2/8 компенсирует разницу GN и GS:



GN(H)=GN(0),

GS(H)=GS(0)+Н2/8 (Hc).

Формула (2) – основное термодинамическое соотношение для сверхпроводников. Отсюда название: Нс-термодинамическое критическое магнитное поле.

4) Нсс(Т).

Фазовая диаграмма:



Эмпирический закон:

НсНс(0){1-(T/Tc)2}.

Примеры:


2000Э Nb max для элементов

Нс(0)= 800Э Pb

1.1Э W (поле Земли 0.5Э).

2.2.3. Критический ток Ic (критическая плотность тока jc=Ic/S).

Факт:


Разная чувствительность приборов. Договор: V=1 мкВ/см.



Правило Силсби: Ic – тот ток, когда Нповерхнс. Не всегда справедливо (для СП 1го рода). Критический ток зависит от температуры Ic=Ic(T).

Итак мы ввели критические параметры: Тс, Hс, Ic. Можно переходить к следующим фактам.



2.3. Электронная теплоемкость.

1. С=dE/dT.

2. В N-металле

Cn=Cen+Cgn=T+(T/)3, здесь  и  - коэффициенты,  - температура Дебая.

3. Обычно строят С/T=+(T2/3)=f(T2):

Для сверхпроводника:



Считается: Cgs=Cgn, т.е. резко меняется Ce. В обычных СП это верно.

Величина скачка теплоемкости C=1/43 (теория+эксперимент).

2.4. Теплопроводность.

1. Тепло в металлах переносят электроны и решетка (колебания атомов, фононы):

Q=KST/l.

Это количество тепла (Q) через стержень сечением S, длиной l, при разности температур T за единицу времени. Здесь K – коэффициент теплопроводности. Величина T считается малой. K=K(T).

2. В обычных СП (Sn):

Объяснение: «сверхпроводящие» электроны («пары») тепла не переносят, они «вымораживаются». При Т<c тепло переносит только решетка (фононы).



3. Отсюда «тепловой ключ» при достаточно НТ (в Pb при 1К KN/KS=100). В N-состояние переводят с помощью Н. Бывает и обратная картина (ВТСП-аномалии): рассеяние фононов уменьшается, если электронов мало.




Каталог: Data-IRBIS -> book-mephi -> UMKD Golovashkin Osnovy sverhprovodimosti 2008 -> konspekt
konspekt -> Конспекты лекций лекция 2 в прошлый раз
book-mephi -> Конспекты лекций лекция 11,12 11. Сквид сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. 11 Теория пт-сквида
book-mephi -> Конспекты лекций лекциb 5,6 Рассмотрим некоторые зависимости для слабых связей (без выводов)
book-mephi -> Банк тестовых заданий по темам календарного плана курса «Базы данных»
book-mephi -> Лекция 1 (db l01. ppt) Введение в Автоматизированные информационные системы (аис) и Базы данных (БД). Определение бд и банков данных (БнД). Компоненты банка данных. Цели, задачи и структура курса
book-mephi -> Тесты по курсу: «Маркетинг и маркетинговые исследования» (часть 6)
book-mephi -> Лекция 11. Лингвистическое обеспечение ис. Состав лингвистического обеспечения ис. Знаковые системы. Частотные словари, словари предметной области. Кодификаторы, классификаторы, тезаурусы, онтологии. Информационно-поисковые языки
book-mephi -> 1 Понятие информационной системы


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©psihdocs.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница