Лекции (Ляхова) (F_05a_Сверхпроводимость)

Посмотреть архив целиком

Сверхпроводимость.


В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 4.2 К сопротивление ртути скачком падало до 0. Это явление получило название сверхпроводимости. Температура перехода в сверхпроводящее состояние названа критической Ткр . Сверхпроводящее состояние характеризуется идеальной электропроводимостью и диамагнетизмом.

Носителями заряда являются согласованные друг с другом куперовские пары, дрейфующие в кристалле. Куперовская пара состоит из двух электронов проводимости с противоположными спинами и положительного иона КР, поляризованного одним из электронов. Суммарный спин пары становится целым. Такие частицы описываются распределением Бозе-Эйнштейна. Для них имеется возможность занимать один и тот же энергетический уровень. При охлаждении происходит Бозе - конденсация куперовских пар на общем уровне, что является основой согласованного поведения.


О О

О О

О О

О О О О О О

Рис. Уровни Рис. Уровень куперовских пар (бозонов).

электронов (фермионов).


В куперовские пары объединяются лишь те электроны зоны проводимости, которые могут возбуждаться и изменять свои состояния. Это фермиевы электроны, ответственные за электропроводность металлов. Их 10-4 от общего числа.

В зоне проводимости сверхпроводника имеется энергетическая щель, в которой располагается уровень Ферми. В нижней части зоны расположены уровни электронов куперовских пар. Выше щели - уровни электронов, энергия которых слишком велика для образования куперовских пар. Величина щели - это энергия связи электронов в куперовскую пару:

Есв = 3.5 k Tкр, Tкр = D exp(-1/g),

где D - дебаевская температура, g - параметр, характеризующий свойства материала.

Энергия связи Есв куперовской пары нивелируется тепловой энергией, поэтому пара может существовать только при крайне низких температурах. Разрушение пары происходит резко (скачком через щель). Происходит фазовый переход от сверхпроводящей фазы к обычному состоянию.

Помимо повышения температуры эффект сверхпроводимости снимается электрическим полем, повышающим плотность тока выше критической за счет джоулева тепла, магнитным полем, электромагнитным СВЧ полем.

Куперовская пара имеет размер порядка 10-6 м, тогда как расстояние между электронами составляет 10-9 м. Т.о. куперовские пары перекрывают друг друга в пространстве. Нельзя говорить о независимом движении каждой пары. Они действуют как единое целое, коллектив.

Электрон, движущийся в КР, притягивает положительные ионы КР, несколько сближая их. Создается избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому и притягивается другой электрон. Происходит косвенное притяжение электронов через поле КР (фононы). Имеет место электрон-фононное взаимодействие, которое при нормальной температуре обусловливает небольшую проводимость. У металлов с высокой проводимостью ( Ag, Cu ) эффекта сверхпроводимости не наблюдается. Сверхпроводящие металлы: Al, Pb, Nb, Ta, Sn, - сплавы: Cu-Au, неметаллы: сульфид меди, карбамид молибдена.

П
ровода второго поколения базируются на ВТСП
YBCO-123. ВТСП наносится в виде 1-3 мкм покрытия на гибкую, как правило, никелевую, подложку толщиной 50 мкм (через 0,5 мкм буферный подслой). Сверху ВТСП материал покрывается защитным слоем серебра и меди (см. рисунок). Количество слоев ВТСП может доходить до шести, что приводит к повышению критического тока. После более чем 10 лет попыток, в 2003 г. была продемонстрирована возможность получения лент длиной 10–50 м с высокими критическими характеристиками. Сейчас критический ток длинномерных проводников (150 м) на основе BSCCO-2223 достигает значения 170 А, а средняя величина составляет около 150 А при 77 К в собственном поле для ленты 0,21х4,2 мм. Максимум тока соответствует инженерной плотности 180 А/мм2.



В качестве примера можно привести создание сверхпроводящего перехода на фуллеритах в 2001 году. Фуллериты – молекулярный кристалл с дальним порядком расположения фуллеренов (в узлах кристаллической решетки).

Н
овый рекорд Т
с (117К) для фуллеритов


Новый рекорд критической температуры сверхпроводящего перехода в фуллеритах установлен в Bell Labs.: расширяя решетку С60 введением CHBr3 в монокристаллы и инжектируя носители через полевой электрод, удалось получить Тс=117К (длина когерентности составила два межмолекулярных расстояния) для концентрации носителей 3-3.5 на молекулу С60. В другом кристалле - CHCl3/C60, при инжекции носителей с той же концентрацией достигнута Тс=80К. Измеренные параметры решеток составили 14.45Å и 14.29Å, соответственно.

В наноразмерных сверхпроводниках, в том числе и высокотемпературных, может быть достигнут более контрастный эффект, так как длина корреляции носителей заряда в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) составляет 0, 1 – 1,5 нм, а размер активной зоны - менее 10 нм. Сверхпроводящий провод может быть изготовлен напылением на углеродную нанотрубку (УНТ) сверхпроводника МоGe, расположенную поперек протравленного в подложке углубления.



Рис. Сверхпроводниковый элемент из MoGe на УНТ.


Эффекты Джозефсона.


Куперовские пары характеризуются одним и тем же импульсом р , что предопределяет одну и ту же длину волны ( = h / p ) и одну и ту же фазу их волновой функции.

Рис. Сверхпроводник

с источником V

напряжения.

A




При замыкании цепи в сверхпроводнике течет ток, фиксируемый амперметром А, а падения напряжения нет (V = 0 ).



Рис. Сверхпроводник V

со щелью

A



В сверхпроводнике с поперечной щелью шириной порядка 1 нм по-прежнему протекает постоянный ток, и разность потенциалов равна 0. Это стационарный эффект Джозефсона.



Рис. Излучающий V

сверхпроводник.

A




Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в излучении высокочастотной электромагнитной энергии сверхпроводником с поперечной щелью. В цепи течет не только постоянный, но переменный ток.

Эффекты Джозефсона обусловлены туннелированием куперовских электронных пар через узкую щель. Направление и сила туннельного тока:

I = Iо sin ,

где - разность фаз волновых функций, описывающих куперовские пары по обе стороны барьера, Io - максимальный ток через барьер, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачности барьера.

При больших токах (но не уничтожающих эффект сверхпроводимости) возможно туннелирование части неспаренных электронов. Это вызовет разность потенциалов V между двумя частями сверхпроводника. Энергия куперовских пар по обе стороны от барьера будет отличаться на величину E = 2qV ( 2q - заряд куперовской пары), следовательно, будет существовать и разность частот волн де Бройля:

 = E / h = 2 q V / h.

С течением времени разность фаз будет непрерывно увеличиваться:

= t = 2  t = 2 t (2 q V / h).

Сверхпроводящая составляющая тока:

I = I sin (t 4 q V /h),

будет переменной с частотой колебаний

= 4 q V/ h.

Например, при V = 1 мВ частота колебаний составляет 485 ГГц ( 0.6 мм).


Эффект Джозефсона позволяет:

- принимать магнитные и электромагнитные сигналы малой мощности, т.к. куперовские пары обладают очень малой энергией,

- реализовать сверхвысокодобротные элементы благодаря малым потерям,

- создавать приемники с малым уровнем шумов,

- реализовать компактные устройства в радио-, СВЧ-, ИК- диапазонах.

Мощность излученного сигнала при нестационарном эффекте Джозефсона очень мала, но его можно использовать для обнаружения и приема очень маломощных сигналов в диапазоне частот от СВЧ до ИК. При поступление на джозефсоновский переход сигнала происходит возрастание постоянного тока. Чувствительность (отношение сигнал / шум) джозефсоновских приемников существенно больше по сравнению с приемниками на нелинейных элементах благодаря практически полному отсутствию шумов сверхпроводника.

. В поликристаллических нанообразцах переход Джозефсона самопроизвольно формируется на границе доменов при изменении кристаллической ориентации.


Логические элементы, переключатели используют возможность снимать эффект сверхпроводимости током или магнитным полем, т.е. имеется 2 состояния. Обеспечивается большое быстродействие:

= L / R,

где L - индуктивность управляющего элемента, R - сопротивление управляющего элемента.

Рис. Пленочный криотрон.


Sn управляемая пленка

Pb управляющая пленка

SiO2 изолятор


Управляемая пленка Sn переводится из сверхпроводящего состояния в нормальное пропусканием тока через управляющую пленку Pb. Для уменьшения потерь энергии управляющая пленка должна оставаться в сверхпроводящем состоянии. Эффект достигается за счет разности Ткр материалов. Пленочный криотрон позволяет получить меньшую индуктивность L, чем проволочный.

Туннельный джозефсоновский криотрон может обеспечить еще большее быстродействие, т.к. основан не на разрушении сверхпроводящего состояния, а на переходе от стационарного эффекта c R=0 к нестационарному с R>0.


Случайные файлы

Файл
76482-1.rtf
151852.rtf
183623.rtf
70695.rtf
7653-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.