Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — физическое явление, состоящее в том, что у некоторых веществ, при охлаждении ,которых ниже определенной (критической) температуры Tt, обращается в нуль сопротивление постоянному току.

Проведенные исследования сверхпроводников позволили обнаружить у них ряд интересных свойств. Считается, что электрический ток в сверхпроводнике продолжает течь и после того, когда отключается напряжение. Магнитик, падающий на сверхпроводящую пластину, зависает в воздухе и продолжает висеть до тех пор, пока сверхпроводящая пластина охлаждена до температуры, ниже критической. Сверхпроводимость может разрушаться внешним магнитным полем, а также в том случае, когда по образцу пропускают достаточно большой ток.

Природа явления сверхпроводимости долго оставалась неяс- ной. И только в 1957 году американские физики Дж. Бардин, JI. Купер' и Дж. Шриффер создали теорию, которая получила название по начальным буквам их фамилий — БКШ. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1977 год. В последние годы в разработку теории сверхпроводимости внесли свой вклад BJL Гинзбург, А.А. Абрикосов, Энтони Дж. Леггетт, которые за «пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести» тоже получили Нобелевскую премию по физике за 2003 год.

Как же объясняет современная теория явление сверхпроводимости? По законам квантовой механики ток в проводнике может быть незатухающим только в том случае, если все переносчики заряда будет описывать единая волновая функция.

ны иметь целый (в том числе нулевой) спин. Бозоны — коллективисты. Они стремятся объединиться не только с ближайшими соседями, образуя «бозе-конденсат», но и присоединить к себе «свободных» соседей из ближайшего окружения. Образуется как бы «коллективная частица», состоящая из большого числа отдельных бозонов. Такое образование, двигаясь как одно целое сквозь кристалл, не будет реагировать ни на микроскопические дефекты решетки, ни на ионы в ее узлах.

Ho электроны принадлежат к классу фермионов, так как они имеют спин S = 1/2, а его проекция может иметь только два значения: -1/2 и +1/2. Фермионы являются индивидуалистами, и каждый из них, имея свою волновую функцию, взаимодействует поодиночке со всеми окружающими их частицами. Поэтому они не могу образовывать “бозе- конденсат”. В теории БКШ и последующих теориях дается “обоснование” возможности объединения электронов в пары, несмотря на куло- новское отталкивание друг от друга.

В 1956 году Л. Купер выдвинул гипотезу, что электроны, при определенных условиях, могут “слипаться” в пары. При этом их спины должны быть антипараллельны, т.е. объединяться могут электроны со спинами -1/2 и +1/2. Суммарный спин у этой пары будет равен нулю, и она становится бозоном. Такие пары электронов стали называть “ку- перовскими парами”.

Дж. Бардин предложил гипотезу, объясняющую природу сил притяжения между электронами при их объединении в куперовские пары. По этой гипотезе, ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, являются квантовой системой, и в этой системе имеются квазичастицы, соответствующие колебаниям решетки, которые называются фонона- ми. Электроны, обмениваясь фононами, испытывают притяжение друг к другу, сила которого превышает силу кулоновского отталкивания.

Куперовские пары имеют конечный размер порядка 1(Н- 10~5 см, а среднее расстояние между электронами в металле около 10-* см (этот парадокс является проявлением квантовых свойств вещества).

Таким образом, при разработке теории явления сверхпроводимости основные усилия ученых были направлены на раскрытие механизма взаимодействия между электронами при их объединении в куперовские пары, в котором главную роль якобы играют разного рода квазичастицы (фононы, плазмоны, магноны). Ho подобные частицы — это реальность или миф? Экспериментально это доказать невозможно, т.к. квазичастицы существовать вне тела не могут. Поэтому попытку объяснения явления сверхпроводимости с помощью куперовских пар нельзя считать удачной.

Существующие научные представления об электрическом токе, как направленном, упорядоченном движении электррнов по проводнику, на наш взгляд, не позволяют разработать удовлетворительную теорию, объясняющую механизм проявления многих свойств сверхпроводников. Хорошая теория должна дать ответы на такие вопросы, как, например, почему у ртути, олова, свинца и таллия наблюдается сверхпроводимость, а у хороших проводников из серебра, золота и меди нет? Почему у некоторых монокристаллических сверхпроводников сопро-. тивление поперек слоя в десятки раз превышает сопротивление вдоль них? Почему у многих сверхпроводников при нормальной температуре удельное сопротивление в десятки раз выше, чем у меди?

Однако, несмотря на то, что с разработкой теории явления сверхпроводимости дела обстоят неважно, экспериментаторы практически «вслепую» получили многочисленные классы высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Структура всех этих сверхпроводниковых сплавов соответствует так называемым слоистым перовскитам, характерной особенностью которых является чередование в их слоях элементарных ячеек с фиксированными сторонами. В частности, отметим, что ВТСП на основе теллура и висмута в своем составе не содержат элементов, которые сами являются сверхпроводниками.

Итак, что же определяет проявление сверхпроводимости у металлов и рплавов? Скорее всего, все те основные факторы, которые влияют и на величину электрического сопротивления проводников при обыч

ной температуре: строение электронных оболочек атомов, форма кристаллической решетки, температура (рис. 5.8.1).

Рассмотрим явление сверхпроводимости с позиции эфирной природы электрического тока. Электрический ток — это направленное волнообразное движение эфитонов под воздействием электрического поля. Сопротивление движению эфитонов определяется двумя основными факторами: величиной межатомных расстояний и силой электромагнитного взаимодействия с эфитонами межатомного эфирного пространства, которые, свою рчередь, зависят от формы кристаллической решетки вещества, электронной конфигурации атомной оболочки и температуры.

Таблица 5.8.1.

Сверхпроводимость—это свойство не отдельных атомов, а всего их коллектива, атомной структуры образца. Она возникает тогда, когда межатомные расстояния, хотя бы по одному из направлений кристаллической решетки, позволяют эфитонам тока беспрепятственно двигаться по ней, а их взаимодействие с эфитонами межатомного эфирного поля должно быть сведено к нулю.

Межатомные расстояния определяются формой кристаллической решетки, особенностями строения электронных оболочек атомов (сортов атомов), а также температурой. Наибольший «вклад» в величину межатомных расстояний вносит форма кристаллической решетки. Об этом свидетельствует слоистость структуры ВТСП, полученных на основе лантана, иттрия, теллура, висмута и ртути. У всех этих сплавов форма кристаллической решетки тетрагональная или ромбическая. В первой элементарная ячейка имеет Вид правильной четырехгранной призмы с фиксированными сторонами (а = б ~ 3,85 А, с ~ 12,5 - 36 А), а во вто

рой — прямоугольного параллелепипеда с произвольными сторонами.

У чистых металлов явление сверхпроводимости также очень сильно зависит от формamp; решетки. В частности, серое олово — полупроводник, а белое олово — сверхпроводник, у которого Tit =

= 3,72 К, а две кристаллические модификации лантана имеют разные значения Тк.

При понижении температуры тела происходит снижение амплитуды колебаний эфитонов в электронных оболочках атомов, в результате чего объем каждого атома уменьшается, а межатомные расстояния в решетке, несмотря на сокращение размера тела в целом, могут возрастать. Вместе с тем, изменение межатомных расстояний по сторонам элементарной ячейки, особенно в сплавах, происходит неодинаковым образом. В большей степени будет расти та: сторона, где расстояния между атомами были больше. Это объясняется тем, что при меньшем расстоянии между атомами сила межатомного взаимодействия всегда сильнее и поэтому противодействие увеличению расстояния между ними тоже будет сильнее. В свою очередь, возрастание межатомных расстояний приводит к снижению плотности эфитонов в межатомном эфирном поле.

Неравномерность изменения межатомных расстояний по различным граням кристаллической решетки при понижении температуры вызывает смещение атомов из положения их равновесия и изменение периодичности структуры самой решетки. Резкое изменение формы кристаллической решетки в веществе, по-видимому, наступает при понижении температуры до Tt, равной отрицательной точке Кюри.

Быстрое изменение формы кристаллической решетки вызывает такое увеличение межатомных расстояний по отдельным ее граням, что плотность межатомного эфирного поля в них снижается до кри

тической величины. Кроме того, при низкой температуре амплитуда колебаний эфитонов значительно уменьшается. При такой плотности межатомного эфирного поля и малой амплитуде его колебаний под воздействием направленного движения эфитонов в нем происходят своеобразные «разрывы» в виде ударной волны, которые позволяют току беспрепятственно двигаться по кристаллической решетке, если сила электромагнитного взаимодействия эфитонов тока с эфитонами межатомного эфирного поля будет сведено к нулю. Величина этой силы зависит как от электронной конфигурации атомов, так и от температуры сверхпроводника.

Как видно из таблицы 5.8.2, все сверхпроводники по электронной конфигурации атомов могут быть сгруппированы в две группы. К первой группе относятся в основном элементы 3-5 групп периодической системы, а ко второй группе — элементы 12-14 групп.

Таблица 5.8.2

Общим правилом для всех сверхпроводников является то, что заполнение последнего внутреннего слоя заканчивается электронами, находящимися в состоянии d (в полном или неполном составе), т.е. в их электронных оболочках отсутствуют электроны с состояниями fag.

У сверхпроводников первой группы характерной особенностью электронной конфигурации является то, что во внешнем слое электронной оболочки атома находятся в основном 2 электрона в состоянии s (у ниобия I электрон), а в ближайшем внутреннем слое до его полного заполнения не хватает 6-9 электронов (в состоянии d). При этом, заполнение электронами (в состоянии s) внешнего слоя начинается тогда, когда в предыдущем слое еще отсутствуют электроны в состоянии d. А это означает, что в результате взаимодействия между электронами энергия электрона в состоянии s внешнего слоя оказывается меньше, чем энергия любого электрона в состоянии d предыдущего слоя, т.е. у сверхпроводников первой группы энергия электронов внешнего слоя оказывается незначительной. И еще, магнитные моменты двух электронов, находящиеся во внешнем электронном слое атома, под воздействием “спин- вращающих” сил стремятся занять противоположные направления.

Примечания. В таблице не приведены химические элементы уран (92U 5 f3/6dl/7s2 — период 7, группа 6) и иридий (77Ir 5d7/6s2 — период 6, группа9), которые также являются сверхпроводниками. Данные о строении электронной оболочки содержат атомный номер элемента, символ элемента, электронную конфигурацию. Так, для лантана: 57 — атомный номер, La — символ элемента, 5dl/6s2 — электронная конфигурация (в 5-ом слое в состоянии d находятся один электрон, а в 6-ом слое в состоянии s — два электрона). Возможное число электронов в оболочке по слоям: в первом слое (от ядра) — не более 2, во втором — не более 8, в третьем — не более 18, в четвертом — не более 32, в пятом — не более 18 (при Z lt; 89 или не более 32 при Z gt; 89), в шестом — не более 8, в седьмом — не более 2. Каждый электронный слой атома последовательно заполняется электронами в состояниях s, р, d, f, g. Максимально возможное число электронов в каждом состоянии: s — 2, р — 6, d— 10, f— 14, g— 18

При подобной ориентации магнитных моментов электронов их общий магнитный момент становится равным нулю, т е. электроны оказывают минимальное воздействие на ориентацию по магнитной составляющей эфитонов межатомного эфирного поля.

У сверхпроводников второй группы заполнение последнего внутреннего электронного слоя атомов заканчивается полным составом электронов в состоянии d (d = 10), а во внешнем электронном слое находятся I, 2 или 3 электрона. А это означает, что поскольку внутренние слои электронных оболочек атомов в каждом слое содержат четное число электронов, то их общий магнитный момент должен быть равен нулю. Если во внешнем слое находятся два электрона, то их общий магнитный момент также равен нулю, т.е. в этом случае атом в целом маг- нетонейтрален. При нечетном же числе электронов во внешнем слое (I или 3) магнитный момент одного из электронов будет не скомпенсирован, и он может оказывать определенное влияние на ориентацию по магнитной составляющей эфитонов межатомного эфирного поля.

Так как у атомов сверхпроводников второй группы в последнем внутреннем электронном слое всегда находится по 10 электронов, то они “экранируют” кулоновские силы притяжения между ядром атома и внешними электронами сильнее, чем у сверхпроводников первой группы. Поэтому нечетный электрон внешнего слоя может легче изменять ориентацию своего магнитного момента под воздействием эфитонов тока.

Таким образом, на возникновение явления сверхпроводимости у металлов и сплавов оказывают влияние следующие основные факторы: структура и форма кристаллической решетки вещества, электронная конфигурация оболочек атомов и температура. Действие всех этих факторов на проявление сверхпроводимости комплексное.

При понижении температуры сверхпроводника до отрицательной точки Кюри (-Тк) наступает быстрое изменение формы кристаллической решетки и уменьшение амплитуды колебаний межатомного эфирного поля, которые вызывают резкое увеличение межатомных интервалов по отдельным граням решетки, уменьшение плотности межатомного эфирного поля и его энергетики. Большие межатомные интервалы и малая энергетика межатомного эфирного поля приводят к тому, что в этом поле под воздействием направленного движения эфитонов тока происходят своеобразные «разрывы» в виде ударной волны, которые позволяют ему беспрепятственно двигаться по кристаллической решетке. Этому способствуют электронные конфигурации оболочек атомов сверхпроводников, электроны внешних слоев которых практически не оказывают воздействия на ориентацию эфитонов межатомного эфирного поля, что сводит силу электромагнитного взаимодействия эфитонов этого поля с эфитонами тока к нулю. Такрв возможный механизм возникновения явления сверхпроводимости.

Рассмотрим механизм проявления основных свойств сверхпроводников с позиции эфирной природы электрического тока. Считается, что электрический ток в сверхпроводнике продолжает течь и после того, когда отключается напряжение. Это утверждение базируется наследующем опыте Камерлинг-Оннеса (1911).

Замкнутый проводник из чистой твердой ртути помещался между полюсами электромагнита. При выключении тока в обмотке электромагнита в проводнике возникал индукционный ток, который в обычных условиях быстро затухал. При охлаждении же проводника жидким гелием до температуры ниже 4,21 К, сопротивление у него резко уменьшалось и индукционный ток продолжал течь по проводнику в течение многих часов без заметного ослабления. Подобный же эксперимент был проведен в 1959 г. Через 2,5 года после начала опыта не было обнаружено никакого уменьшения тока, протекающего по кольцу [57].

Течение тока по проводнику в отсутствие электрического напряжения (разности потенциалов), даже при нулевом сопротивлении проводника, противоречит законам Природы и здравому смыслу, тем более, что никакими способами и средствами нельзя достичь нулевого сопротивления проводника. В сообщениях об экспериментах с ртутью не указывалось, каким образом измерялась величина тока в сверхпроводнике. Ho он не мог быть методом непосредственного измерения, а, скорее всего, был основан на измерении величины напряженности магнитного поля вокруг проводника, по которой, используя закон Био-Савара, определялась величина тока. Если это так, то с позиции эфирной природы тока эффект продолжительного течения тока в сверхпроводнике без заметного ослабления и в отсутствие напряжения объясняется следующим образом.

Ток — это направленное поступательное движение ориентированных определенным образом эфирных частиц — эфитонов. У эфитонов тока направление электрической составляющей всегда совпадает с направлением тока, а магнитная составляющая перпендикулярна электрической. Движение тока происходит из области высокой концентрации эфитонов (от плюса) в область с меньшей концентрацией (к минусу) по межатомному эфирному полю. Эфитоны тока, являясь бозонами, «принуждают» эфитоны окружающего пространства согласовывать направления их магнитных составляющих со своими. Так возникает магнитное поле вокруг проводника. Плотность эфитонов в проводнике определяется силой тока, протекающего по проводнику. При отключении питания происходит выравнивание плотности эфитонов по всему проводнику с сохранением их ориентации. Соответственно сохраняется и ориентация у эфитонов окружающего пространства, т.е. магнитное поле вокруг проводника сохраняется. А если величина тока в сверхпроводнике измеряется по напряженности магнитного поля вокруг него, то это создает ложную картину наличия в нем тока. Сохранение магнитного поля вокруг сверхпроводника после отключения в Нем тока объясняет следующее интересное его свойство. Магнитик, падающий на сверхпроводящую пластину, зависает в воздухе и продолжает висеть до тех пор, пока сверхпроводящая пластина охлаждена до температуры, ниже критической. Падая, магнитик своим магнитным полем возбуждает в пластине кольцевой ток, магнитное поле которого отталкивает магнитик. После зависания магнитика электрический ток затухает, но магнитное поле вокруг пластины сохраняется, и оно продолжает удерживать магнитик в зависшем состоянии. Сверхпроводимость может разрушаться в случаях, когда по образцу пропускают достаточно большой ток, а также внешним магнитным полем.

Одной из характеристик сверхпроводника является величина максимального тока Imajf который может по нему протекать без заметного сопротивления. И если величина тока I превысит значение Imai, то сверхпроводимость разрушается. Это Объясняется тем, что межатомные расстояния данного сверхпроводника, и, соответственно, «разрывы» в межатомном эфирном поле не в состоянии обеспечить беспрепятственное протекание подобного тока. Как через маленькое отверстие нельзя без сопротивления пропустить большую струю воды, так и через небольшие «разрывы» в межатомном эфирном поле — большой поток эфитонов. При I gt; Imax возникают завихрения, нарушаются ориентация и направление движения эфитонов, что ведет к усилению их взаимодействия с эфирными полями атомов и, соответственно, к появлению сопротивления течению тока.

В результате сверхпроводник переходит в состояние обычного проводника.

Согласно существующим представлениям на природу электромагнетизма, в сверхпроводнике, помещенным в не очень сильное магнитное поле, это поле должно сохраняться. Более того, оно должно сохраняться и после выключения магнитного поля, так как его должны поддерживать токи, индуцированные в сверхпроводнике. Вместе с тем, результаты исследований показывают, что ничего подобного не наблюдается.

Магнитное поле — это эфирное поле, в котором эфитоны ориентированы по магнитной составляющей. Вектор ориентации эфитонов определяется направлением поля и величиной его напряженности. При взаимодействии двух полей в результирующем поле ориентация эфитонов будет равна сумме векторов ориентации эфитонов этих полей. И если в сверхпроводнике, помещенном во внешнее магнитное поле, это поле не сохраняется, то напряженность его настолько мала, что не оказывает заметного влияния на ориентации эфитонов тока, т.е. внешнее магнитное поле как бы «выталкивается» из сверхпроводника. И только у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой, в котором наблюдается результирующее магнитное поле, экранирующее сверхпроводник. Этой слой называется глубиной проникновения, а его толщина примерно равна 10-5-10-6 см. Если же увеличивать величину магнит

ного поля, то при достижении некоторой его напряженности свойство сверхпроводимости у проводника скачком разрушается.

Разрушение сверхпроводимости внешним магнитным полем наступает, когда напряженность этого поля В начинает превышать некоторую критическую величину напряженности магнитного поля Bxp которая зависит от температуры и геометрических размеров сверхпроводника. Чем ниже температура и тоньше сверхпроводник, тем выше Bxp При достижении В = Bxp, сверхпроводник скачком переходит в состояние с нормальной проводимостью.

Строго говоря, в полной мере это справедливо только для чистых сверхпроводников, состоящих из одного металла, таких как ртуть, слово, свинец. Такие сверхпроводники называют сверхпроводниками Ipoda.

У сверхпроводников IIрода, состоящих из сплавов или из металлов с примесями, существует два значения критической величины напряженности магнитного поля: нижнее Bxpii и верхнее В . При напряженности внешнего магнитного поля В lt;

lt; Bispii свойства сверхпроводников I и II рода совпадают. Если же напряженность внешнего магнитного поля находится в пределах Bxpt lt; В lt; Bxpii, то у сверхпроводника одновременно проявляется как области сверхпроводимости, так и области обычной проводимости (смешанное состояние).

В этом состоянии сверхпроводник как бы «пронизан» огромным количеством нитей с нормальной проводимостью, которые направлены вдоль поля и расположены в правильном порядке. В поперечном^ срезе они образуют периодическую структуру, аналогичную кристаллической решетке с треугольными ячейками (рис. 5.8.2). При этом каждая ячейка имеет сердцевину, диаметр которой составляет доли микрона. Сверхпроводимость существует только между нитями. Возможность существования в сверхпроводнике нитей с обычной проводимостью (абрикосовских вихрей) подтверждается результатами исследований. Для этого торец сверхпроводника припудривается тончайшим порошком ферромагнетика. Его частицы собираются в местах, где есть магнитное поле, т.е. в точках выхода нитей. Наблюдения данного торца с помощью электронного микроскопа показывают, что нити располагаются периодически, образуя правильную решетку.

При В lt; Bkph внешнее магнитное поле своим воздействием на эфитоны тока еще не способно оказывать существенного влияния на их ориентацию. Поэтому сопротивления току не возникает и сверхпроводимость сохраняется по всей области проводника. Ho когда Вкргlt; В lt; Bitpii, то внешнее магнитное поле становится уже способным влиять на ориентацию эфитонов тока по магнитной составляющей в области тех граней кристаллической решетки, где межатомные расстояния минимальны. В свою очередь, нарушения ориентации эфитонов ведут к изменению направления их движения и частичному рассеиванию. Так возникают обособленные области сопротивление току, которые располагаются вдоль граней кристаллической решетки сверхпроводника с минимальными межатомными расстояниями. Эти области и образуют «нити» с нормальной проводимостью. Чем сильнее магнитное поле, тем больше нитей возникает в сверхпроводнике.

Когда напряженность ,внешнего магнитного поля начинает превышать Bxpt, сверхпроводник превращается в обычный проводник. Физический смысл данного явления заключается в следующем. Внешнее магнитное поле напряженностью В gt; Biipt уже способно своим магнитным полем влиять на ориентацию эфитонов тока по магнитной составляющей по всей области сверхпроводника, что приводит к изменению направления движения эфитонов и их частичному рассеиванию, т.е. к появлению сопротивления. Открытие класса ВТСП показало, что сверхпроводимость может проявляться не обязательно при температурах, близких к абсолютному нулю, а и при достаточно высоких температурах. Она может также проявляться у сплавов, компоненты которых сами хорошими проводниками не являются.

Итак, с позиции эфирной природы электромагнетизма и строения материи наблюдаемая сверхпроводимость в металлах и ставах определяются совместным действием следующих основных факторов: формы кристаллической решетки вещества, особенностями строения электронных оболочек атомов, температурой и внешними условиями (внешним магнитным полем).