Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводники – чистые металлы Hg, Pb, Al, сплавы Nb–Ti и др., обладающие при критической температуре удельным сопротивлением, близким к абсолютному нулю. В сверхпроводящем состоянии оно составляет 10^-25 Ом·м, что в 10¹⁷ раз меньше, чем у меди.

Экспериментально явление сверхпроводимости у ртути при 4,2 К обнаружил Камерлинг-Оннес в 1911 г. Позднее выяснилось, что падение сопротивления до нуля происходит в очень узком интервале температур 10^-3–10^-4 К, ширина которого возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры. Камерлинг-Оннес также обнаружил, что сопротивление ртути восстанавливается при включении сильного (критического) магнитного поля Н _к. В 1933 г. В. Мейснер и Р. Оксенфельд установили, что слабое магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника (эффект Мейснера), независимо от того, было поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние.

По поведению в сильных магнитных полях сверхпроводники делятся на две группы. В сверхпроводниках 1-го рода (чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb) переход из сверхпроводящего в нормальное состояние происходит при Н = Н _к: магнитное поле скачком проникает в объем металла. Свободная энергия сверхпроводящего состояния возрастает (за счет работы на намагничивание) и сравнивается со свободной энергией нормального состояния. Величина критического поля зависит от температуры: оно максимально при Т = 0 и монотонно убывает до нуля при увеличении температуры. Скачкообразный характер фазового перехода в магнитном поле наблюдается только в специальной геометрии опыта: длинный цилиндр в продольном поле. При произвольной форме образца и других ориентациях поля переход оказывается растянутым по широкому интервалу значений Н,в котором сверхпроводник 1-го рода находится в промежуточном состоянии: расслаивается на чередующиеся области нормальной и сверхпроводящей фаз. С магнитными свойствами сверхпроводников связаны особенности протекания тока. В силу эффекта Мейснера ток сосредоточен в тонком слое, определяемом глубиной проникновения магнитного поля. Когда ток достигает величины, достаточной для создания критического магнитного поля, сверхпроводник 1-го рода переходит в промежуточное состояние и приобретает электрическое сопротивление.

К сверхпроводникам 2-го рода относится большинство сверхпроводящих сплавов, а также сверхпроводники 1-го рода при введении в них большого количества примесей. Картина разрушения сверхпроводимости магнитным полем является более сложной. Магнитное поле проникает вглубь образца, не достигая критического значения, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния.

Природа сверхпроводимости. Теория сверхпроводимости предложена в 1957 г. Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером.

Первый свободный электрон при своем движении вызывает колебания ионов (фононы), расположенных в узлах решетки. Электрон несет отрицательный заряд, ионы заряжены положительно. Ионы слегка притягиваются к пролетающему электрону (рис. 10.7). Но они гораздо тяжелее электрона, и их движение более медленное. Электрон уже пролетел, а ионы еще только подтягиваются к тому месту, где он был. В этом месте образуется (на некоторое время) небольшой избыточный положительный заряд. Второй двигающийся мимо этого места электрон изменяет траекторию своего движения и притягивается к этому месту. Электроны как бы обмениваются фононами. Это обменное взаимодействие и вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания (когда электроны находятся на близком расстоянии). Образуются связанные электроны – куперовские пары. Заряд такой пары равен 2 e, где е – заряд электрона. Электроны с противоположно направленными спинами связаны в куперовские пары. Результирующий магнитный момент равен нулю, сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком – выталкивается из магнитного поля. Внешнее магнитное поле не проникает в образец, затухая в тонком поверхностном слое (10^-7–10^{-8 м}).

Пары с нулевым значением спина подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и при переходе металла в сверхпроводящее состояние испытывают бозе-конденсацию. Сверхпроводимость представляет собой сверхтекучесть электронной жидкости. При Т = 0 связаны в пары все электроны проводимости. Энергия связи электронов в паре мала и равна 3,5 kT _к, где k – константа Больцмана, T _к – температура перехода в сверхпроводящее состояние. Поскольку силы притяжения малы, то пары электронов слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары (10^{-7 м)} охватывает тысячи элементарных ячеек. Пары перекрывают друг друга, распадаются и вновь создаются. Все пары образуют электронный конденсат, энергия которого меньше, чем у совокупности разобщенных электронов. В энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель – область запрещенных энергетических состояний. Спаренные электроны находятся на дне энергетической щели. Размер щели достигает максимального значения при абсолютном нуле, щель исчезает при температуре перехода в сверхпроводящее состояние.

Электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на дефектах структуры. Куперовские пары электронов могут двигаться без рассеивания. Электроны в паре разделены большим расстоянием, их энергии одинаковы. Если один электрон наталкивается на дефект, то он не может рассеяться произвольно, поскольку его «держит» второй, спаренный электрон. В такой ситуации оба связанных электрона лишь изменяют направление своего движения, но не меняют своей энергии.

В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Наиболее высокими критическими параметрами (температуры перехода, критической напряженности магнитного поля и допустимых токов) обладают сплавы ниобия с титаном и цирконием.

В 1986 г. Дж. Беднорц и А. Мюллер обнаружили явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) при 30 К (–243 °С) в оксидной керамике ВаО–La₂O₃–CuO. До этого открытия явление сверхпроводимости наблюдали при температуре ниже 24 К. Позднее Пол Чу с сотрудниками обнаружили, что керамика на основе окислов иттрия, бария и меди переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 93 К. Если старые сверхпроводники для перехода в сверхпроводящее состояние требовали охлаждения жидким гелием, то для новых соединений (La_2-xМ_хСuО₄, где М = Ва, Sr) достаточно жидкого азота. Главное применение сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей напряженностью выше 10⁷ А/м. Изготавливают обмотки мощных генераторов, электрических машин и трансформаторов с малой массой, размерами и очень высоким КПД. Сверхпроводники используют для изготовления мощных магнитов (например, поезда на магнитной подушке), криогенных гироскопов, якорь которых «плавает» в магнитном поле (опоры без трения).