Свойства сверхпроводников

Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода или критической температурой T_c. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем.

Однако не только температура оказывает влияние на сверхпроводящее состояние вещества. Так Мейсснером был обнаружен эффект, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока. Из экспериментальных наблюдений был сделан вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, направленное противоположно внешнему приложенному магнитному полю и компенсирующее его. Таким образом, сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками.

После открытия эффекта Мейсснера было выполнено большое число экспериментов со сверхпроводниками и обнаружены новые свойства сверхпроводников. Рассмотрим основные из них.

Критическое магнитное поле – значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии.

Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально (рис. 7.10).

Т, К

Н, Гс

А

В

Фазовая диаграмма: магнитное поле – температура для олова. При условиях, соответствующих точке А олово находится в нормальном состоянии. Если его охладить до точки В, оно переходит в сверхпроводящее состояние.

 

 

Рисунок 7.10

 

Критический ток – максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. Как и критическое магнитное поле, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.

Глубина проникновения – расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения оказывается функцией температуры и различна в разных материалах: от 3∙10^–6 до 2∙10^–5 см. Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения.

Длина когерентности – расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»). Длина когерентности для разных сверхпроводников изменяется от 5∙10^–7 до 10^–4 см. С существованием больших длин когерентности (намного превышающих атомные размеры порядка 10^–8 см) связаны необычные свойства сверхпроводников.

Удельная теплоемкость – количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 г вещества на 1 К. Удельная теплоемкость сверхпроводника резко возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро уменьшается с понижением температуры. Таким образом, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот. Так как удельная теплоемкость определяется в основном электронами проводимости, это явление указывает на то, что состояние электронов изменяется.