Можно сказать, что современная физика низких температур началась с успешного сжижения гелия, осуществленного в Лейдене Камерлинг-Оннесом (1908 г.). Оннес сразу же использовал жидкий гелий для многочисленных исследований металлов при низких температурах ив 1911 г. обнаружил, что электрическое сопротивление чистой ртути резко падает пди охлаждении ниже 4,2 К. К его удивлению, добавление к ртути примесей не приводило при самых низких температурах к появлению остаточного сопротивления, и к 1913 г. Оннес пришел к выводу, что «ртуть перешла в новое состояние, которое в силу исключительности его электрических свойств можно назвать сверхпроводящим состоянием». Рис. 3.67 воспроизводит поведение электросопротивления в окрестности Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние (или критической температуры), о котором сообщил Оннес. Прежде чем переходить к более подробному описанию явлений, связанных со сверхпроводимостью, которое будет дано в настоящем разделе, укажем, что сверхпроводник обладает бесконечной электропроводностью на постоянном токе, однако выше некоторой частоты обнаруживает нормальное сопротивление. Аномалия в изменении электронной теплоемкости при переходе в сверхпроводящее состояние (при отсутствии скрытой теплоты перехода) показывает, что этот переход электронов в более упорядоченное состояние представляет собой переход второго рода (в термодинамическом смысле). Сверхпроводник * Уже после выхода в свет английского издания этой книги была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, о которой мы кратко упомянули в предисловии.— Прим. ред. 326 Гл. 3. Электроны в металлах Рис. 3.67. Переход ртути из нормального состояния в сверхпроводящее, наблюдавшийся Оннесом [Onnes Н. К. — Leiden Comm., 124с (1911)]. Согласно данным Оннеса, ниже температуры перехода Тс сопротивление меньше 10~5 Ом, что соответствует электропроводности не меньшей, чем 1015 Ом-^Х Хм-1. По современной температурной шкале Тс для ртути составляет 4,15 К. является идеальным диамагнетиком и полностью выталкивае1 магнитный поток. Приложение магнитного поля, достаточно сильного, чтобы проникнуть в металл, разрушает сверхпроводимость. Все эти явления в течение полувека не находили теоретического объяснения, хотя некоторые свойства и могли быть систематизированы в рамках термодинамической и электродинамической теорий. Природа электронной перестройки была объяснена микроскопической теорией, развитой в 1957 г. Бар- дином, Купером и Шриффером 71. Мы будем, как это принято, сокращенно называть ее теорией сверхпроводимости БКШ. Согласно теории БКШ взаимодействие между электронами посредством виртуального обмена фононами может привести к тому, что их полная энергия (кинетическая энергия плюс потенциальная) станет меньше полной энергии независимых электронов в распределении Ферми при условии, что при нулевой плотности тока электроны занимают пары состояний с противоположными направлениями импульса и спина. Конечный ток, однажды возникнув, будет поддерживаться всем электронным распределением, однородно смещенным от точки к=0. Чтобы изменить такое электронное распределение, системе необходимо сообщить конечное количество энергии (равное ширине энергетической щели), что весьма маловероятно. 71 Bardeen /., Cooper L. N., Schrieffer /. /?.—Phys. Rev., 108, 1175 (1957). Это классическое изложение очень сложных представлений теории БКШ. В книгах Линтона, Купера и Тинккама, приведенных в библиографии, эти представления излагаются более подробно. 3.6. Сверхпроводимость 327 Таким образом, теория БКШ не только объясняет, почему в сверхпроводнике «не затухает» ток, но позволяет также понять и другие свойства сверхпроводника и объясняет эксперименты, указывающие на существование энергетической щели в спектре электронов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Сверхпроводящее состояние» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
