Сверхпроводимость
В 1911 г. голландский ученый Камерлинг-Оннес проводил эксперименты по исследованию сопротивления материалов при низких температурах. Он в 1908 г. получил жидкий гелий и теперь имел возможность охлаждать твердые тела до рекордно низких температур 4,2 К. При охлаждении ртути до температуры жидкого гелия ее сопротивление скачком падало до нуля (рис. 5.8, б). Это был новый физический эффект, который получил название сверхпроводимости.
а) б)
Рис. 5.8. Температурная зависимость: а – проводник; б – сверхпроводник;
ТС – критическая температура; 1 – идеальный кристалл; 2 – реальный кристалл
Здесь необходимо сказать несколько слов о результатах, которых ожидали от таких экспериментов. Согласно существовавшим представлениям о механизмах электропроводности, бездефектный (идеальный) кристалл с понижением температуры должен был постепенно терять электросопротивление до нуля (рис. 5.8, а). Однако в эксперименте с ртутью исчезновение сопротивления осуществлялось не постепенно, а скачком в температурном интервале в несколько сотых долей градуса. Как выяснилось впоследствии, такое состояние при низких температурах наблюдается примерно у половины металлических элементов, большого числа металлических соединений, у ряда полупроводников и оксидов (табл. 5.1)
Таблица 5.1
Температура сверхпроводящего перехода
| Материал НТСП | ТС, К | Материал ВТСП | ТС, К |
| Al | 1,19 | La2-xSrxCuO4 | |
| Hg | 4,15 | Tl2BaCuO6 | |
| Pb | 7,2 | YBa2Cu3O7 | |
| Sn | 3,72 | Bi2Sr2Ca2Cu3O10 | |
| TiO2 | 3,44 | Tl2Ba2CaCu2O8 | |
| MoN | HgBa2CaCu2O6 | ||
| Nb3Ge | 23,4 | HgBa2Ca2Cu3O8 |
Многие металлы не переходили в сверхпроводящее (СП) состояние до самых низких температур (все ферромагнетики, Ag, Au), ряд других элементов переходит в сверхпроводящее состояние только под давлением (Ge, Se, P). Эти элементы и соединения названы низкотемпературными сверхпроводниками (НТСП). Они размещены в первой колонке табл. 5.1.
В 1986 г. Г. Беднорцем и К. Миллером был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Примеры таких материалов приведены во второй колонке таблицы.
В дальнейшем было установлено самое главное: эффект сверхпроводимости не ограничивается обращением сопротивления в нуль при температуре перехода, он включает в себя ряд не менее важных эффектов, каждый из которых может быть использован в микроэлектронике.
К таким эффектам и явлениям следует отнести: эффект Мейсснера-Оксенфельда – выталкивание магнитного поля из сверхпроводника; квантование магнитного потока в сверхпроводниковом кольце; эффекты Джозефсона; вихри Абрикосова – кванты магнитного потока и т.д.
Ограниченные рамками данной книги, мы не можем подробно осветить эти вопросы и поэтому отсылаем любознательного читателя к дополнительной литературе, например, [4], [11] и т.д.
В 1933 г. В.Мейсснер и Р.Оксенфельд изучали распределение магнитного потока вокруг оловянных и свинцовых образцов, охлажденных в магнитном поле. Они обнаружили, что при Т < ТС образцы, кроме сверхпроводимости, приобретают свойства идеального диамагнетика, т.е. полностью выталкивают магнитное поле (рис. 5.9).
а) б)
Рис. 5.9. Выталкивание магнитного поля из сверхпроводника
Исчезновение магнитного поля внутри сверхпроводника связано с появлением на его поверхности экранирующих токов, которые создают внутри образца магнитное поле, равное по величине и противоположное по знаку внешнему полю. В области протекания этих токов магнитное поле спадает от величины Не на поверхности образца до нуля – на глубине λ. Величина λ называется глубиной проникновения и для НТСП составляет 10…100 нм.
Выталкивание магнитного поля наблюдается только в слабых полях. Если же напряженность поля достигает критической величины, то сверхпроводящее состояние разрушается и образец переходит в нормальное состояние. При повышении температуры в области 0<Т<ТС величина критического поля уменьшается
НС(Т) = НС0[1-(Т/ТС)2]. (5.66)
Зависимость (5.66) графически изображена на рис. 5.10, а.
а) б)
Рис. 5.10. Зависимость критического магнитного поля от температуры:
а – сверхпроводник 1-го рода; б – сверхпроводник 2-го рода;
Ш – состояние Шубникова; Н – нормальное состояние
На графике видно, что сверхпроводник можно перевести в нормальное состояние, увеличив либо температуру, либо магнитное поле. Таким образом, оба этих фактора являются дестабилизирующими.
Анализируя эффект Мейсснера, следует отметить, что сверхпроводимость разрушается не только под действием внешнего магнитного поля (наведенного тока), но и при протекании транспортного тока, плотность которого больше критической jc
jc = bHc/λ, (5.67)
где b – константа системы измерений.
Данное явление называют эффектом Силсби.
Таким образом, существуют критические параметры, превышение которых совместно или поодиночке приводит к разрушению сверхпроводимости: критическая температура ТС, критическое магнитное поле ВС и критическая плотность тока jC.
Рассмотренные ранее сверхпроводники относятся к 1-му роду СП. Для них характерен переход из сверхпроводящего в нормальное состояние одновременно всего объекта.
Сверхпроводники 2-го рода имеют 2 критических поля: НС1(Т) и НС2(Т) (рис. 5.10, б). При поле, меньшем нижнего критического значения, магнитный поток не проникает в образец и тот ведет себя как СП 1-го рода. Если магнитное поле превышает верхний предел НС2, весь образец находится в нормальном состоянии. При НС1<Н<НС2 происходит частичное проникновение магнитного потока в образец и возникает смешанное состояние, или состояние Шубникова. Магнитный поток проникает в образец в виде тонких вихревых нитей, так называемых вихрей Абрикосова. В центре вихря содержится нормальная область, окруженная экранирующими токами. Вихри Абрикосова могут служить носителями информации в криомикроэлектронике, они могут целенаправленно передвигаться, зарождаться, аннигилировать.
Необходимо отметить, что все высокотемпературные сверхпроводники относятся к СП 2-го рода.