СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. История и современность. От популярности до науки


Открывая эту тему с ужасом думаю что снега Килиманджаро мне намного ближе чем сверхпроводимость.
Возможно многие тоже далеки от теории и практики. Ну что-то где-то слышали.
Поэтому немного популярности. Ряд статей (как интересно, а главное непонятно!)
Дальше История.
И более глубокая теория.

Как познает мир ребенок?
Постепенно. Но нужен интерес!
Ну вот так же и в этой теме.


"Тяжелые" электроны открывают секрет сверхпроводимости

Наблюдения, сделанные в течение последних 30 лет, показывают, что электроны в некоторых твердых веществах "тяжелеют" в 100-1000 раз по сравнению со своей массой в вакууме. При этом твердое вещество становится сверхпроводником.

До сих пор ученые не смогли понять, как это происходит, но исследователи из Принстонского университета впервые сумели изучить этот процесс с помощью прямых изображений электронных волн в кристалле.

Понятие "тяжелых" электронов кажется нелогичным, ведь эти мельчайшие частицы с легкостью "текут" по медным проводам и проносятся по цепям электросхем. Однако в определенных твердых веществах электроны ведут себя так, как будто они в тысячу раз тяжелее. При они этом движутся как идеальная жидкость, без сопротивления, придавая материалу свойства сверхпроводника. Разгадка этой тайны может стать ключом для понимания работы сверхпроводников и позволит создавать эффективные электросети и компьютеры.

Квантовая запутанность делает электроны массивнее и превращает материал в сверхпроводник


Новое исследование ученых из Принстона показало, что массу электронов, движущихся в кристалле, определяет явление, известное как квантовая запутанность, меняющая свойства материала. С помощью наблюдений на специально разработанном криогенном сканирующем туннельном микроскопе, исследователи смогли не только наблюдать возрастание массы электронов, но и выяснить, что тяжелые электроны на самом деле являются составными объектами, состоящими из двух запутанных форм электрона. Благодаря этой запутанности в соответствии с законами квантовой механики, электроны могут одновременно обладать диаметрально противоположными свойствами: "легкостью" и "тяжестью".

Сравнивая данные с теоретическими расчетами, ученые пришли к выводу, что тяжелые электроны представляют собой квантовые запутанности двух противоположных по свойствам электронов, которые локализуются вокруг отдельных атомов в кристалле.

Судя по всему, именно степень такой запутанности является ключом к сверхпроводимости. Когда электроны становятся слишком тяжелыми, они "замерзают" в намагниченном состоянии и "застревают" в атомах. Однако создание запутанности определенной степени позволяет электронам прыгать с атома на атом и превращать материал в сверхпроводник.

Открытие ученых из Принстонского университета может помочь физикам создать вожделенные высокотемпературные сверхпроводники, которые дадут мощнейший толчок научно-техническому прогрессу и решат множество проблем человечества, например, создание дешевых и сверхъемких аккумуляторов.


+++

Вы чувствуете что очень интересно?
Вам понятна квантовая запутанность? Или вы запутались сами?

Ребенок трогает биллиардный шар. Он ему очень нравиться. Он гладкий, с бликами света, тяжелый.
Ребенок случайно роняет шар и видит что он катится. Восторга нет конца. Как интересно.
А потом он бросает шар еще сильнее. вот до того не менее интересного треугольника из таких же шаров.
И видит как множество шаров разлетается в разные стороны.
Пробный шар запушен!

Комментарии (11)

Всего: 11 комментариев
  
#0 | Анатолий »» | 07.02.2014 17:29
  
0
Сверхпроводимость есть! Энергии хватит всем

Российские ученые успешно провели испытания первой в мире гибридной сверхпроводящей электромагистрали. Этот небольшой кабель состоит из диборида магния, являющегося сверхпроводником, и полости для транспортировки жидкого водорода. Последний, охлаждая диборид до температуры в сорок кельвинов, и вызывает в нем тот самый эффект сверхпроводимости.

Проблема сверхпроводимости, то есть способность материала проводить электричество без сопротивления, еще с начала прошлого столетия является предметом пристального внимания со стороны ученых и инженеров. Действительно, если бы удалось наладить производство подобного материала в промышленных масштабах, то об угрозе энергетического кризиса можно было бы забыть. Кроме того, внедрение сверхпроводников стимулировало бы развитие альтернативной энергетики, например, солнечной.


Интересный проект, посвященный данной проблеме, представил на симпозиуме в Институте изучения устойчивости окружающей среды (Потсдам, ФРГ), что проходил в мае прошлого года известный физик Алекс Мюллер.

Согласно его расчетам, если в пустыне Сахара, где, как мы помним, имеется 360 солнечных дней в году, установить солнечные батареи на площади 300 квадратных километров, то они произведут столько электричества, сколько сейчас дают все электростанции мира. А для обеспечения потребности в электроэнергии всей Европы достаточно всего батареи площадью 50 квадратных километров.

Что и говорить — звучит заманчиво. Если бы не одно "но". Для того чтобы этот проект был реализован, необходимы сверхпроводники. Иначе электричество из Сахары даже до юга Европы просто не дойдет — оно все будет потрачено на преодоление сопротивление материала. На том же симпозиуме в результате дискуссии между учеными было выяснено, что для передачи электроэнергии на большие расстояния, например, на три-пять тысяч километров подходят только линии постоянного тока. Ведь популярные ныне воздушные линии передач переменного тока имеют ограничения по длине в несколько сотен километров. А мощность должна составлять около десяти гигаватт.

В принципе, если кабель будет сделан из сверхпроводящего материала, никаких проблем быть не должно. Но вот ведь беда — все известные ученым сверхпроводники напрочь отказываются проявлять свои чудесные свойства при нормальных для нас температурах. Эффект сверхпроводимости чаще всего возникает при температурах, близких к абсолютному нулю. Получается, что если делать кабель из сверхпроводника, то его нужно будет постоянно охлаждать по всей длине. Сами понимаете, что на это уйдет в несколько раз больше энергии, чем будет передано по сверхпроводящей линии электропередач.

Однако недавно выяснилось, что все можно сделать куда проще. Еще в начале этого века физики описали эффект сверхпроводимости, возникающий в кристаллах диборида магния (MgB2). Это вещество становилось сверхпроводником при 40 К (-233, 15 градусов Цельсия). А ведь это температура, которую легко можно получить при охлаждении вещества жидким водородом. Кроме того, диборид магния достаточно легко получать в промышленных масштабах.

И вот на симпозиуме в Потсдаме прозвучала интересная мысль: а что, если создать так называемый гибридный кабель? В нем разместятся сверхпроводящие нити из MgB2, а самую середину будут занимать резервуар, по которому будет транспортироваться жидкий водород.

Таким образом, можно будет убить двух зайцев одним выстрелом. Во-первых, жидкий водород сможет охладить диборид магния до нужной температуры, и он станет сверхпроводником. А во-вторых, водород, как мы помним, сам является перспективным топливом. Сейчас основной проблемой при его использовании является дороговизна получения, поскольку оно потребляет куда больше энергии, чем может эффект от использования подобного газа.

Но ведь можно же построить заводы по его производству в той же самой Сахаре, где они будут работать от энергии Солнца (которой для данного цикла хватит с лихвой). Таким образом, величайшая пустыня Земли сразу же станет поставщиком и альтернативного топлива, и сверхдешевой электроэнергии. Главное — чтобы было ее по чему передавать.

И вот российские специалисты из Института нанотехнологий микроэлектроники, Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности и Московского авиационного института решили воплотить эту замечательную идею в жизнь. Они создали кабель диаметром 26 миллиметров, в центре которого есть полость для транспортировки жидкого водорода (ее диаметр 12 миллиметров).

Снаружи от нее располагается токонесущий слой, состоящий из пяти лент диборида магния (их изготовили специалисты из итальянской компании Columbus Superconductor), спирально уложенных на сердечник из пучка медных проволок. Кроме того, жидкий водород циркулировал в полости между внешней оболочкой кабеля и внутренней стенкой криостата. Длина этого экспериментального кабеля составила десять метров. Для первых испытаний, в принципе, больше и не надо.

На днях эта новинка была опробована на специализированном стенде Конструкторского бюро химавтоматики в городе Воронеже. По результатам испытаний стало ясно, что все получилось — охлажденный диборид магния проявил свойства сверхпроводника. Как рассказал сотрудник Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности Виталий Высоцкий, в эксперименте выяснилось, что в этой модельной магистрали поток жидкого водорода в 200-220 г/с способен переносить около 25 мегаватт мощности. Да и еще параллельно по сверхпроводящему кабелю было передано около 50 мегаватт электричества.

Однако, по мнению ученых, это еще не предел. Тот же Высоцкий заявил о том, что "последний показатель легко увеличить втрое, добавив число сверхпроводящих лент, причем даже в нашей магистрали. В промышленном же решении за счет увеличения тока, напряжения и объема потока водорода (для чего нужно просто увеличить диаметр трубы) можно пропускать куда более мощные энергопотоки". То есть предполагаемая мощность в десять гигаватт для подобного кабеля не является чем-то принципиально недостижимым.

Российские ученые назвали данный эксперимент весьма многообещающим. После него стало ясно, что создание сверхпроводящих линий электропередач из недорогих материалов в принципе возможно, причем в промышленных масштабах. Для России это особенно необходимо — ведь в нашей стране с ее огромными расстояниями электростанций сколько ни строй, их постоянно не будет хватать. А со сверхпроводящими кабелями вопрос решается просто и быстро — всего одна-две электростанции смогут снабжать энергией всех жителей России, от Калининграда до Владивостока…
  
#0 | Анатолий »» | 07.02.2014 17:33
  
0
Близка разгадка тайны сверхпроводимости

Американские физики приблизились к разгадке тайны сверхпроводимости. Это открытие может революционным образом изменить современную систему энергетики.

Американские физики приблизились к разгадке тайны сверхпроводимости – одного из самого многообещающего свойства некоторых веществ. Это открытие может революционным образом изменить современную систему энергетики – если учёные смогут создать сверхпроводники, работающие при температуре, близкой к комнатной.

Напомним, что представляет собой сверхпроводимость. Это явление открыл в далёком 1911 году голландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес при исследовании свойств веществ при низких температурах – за эти исследования в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. В ходе экспериментов обнаружилось, что некоторые вещества, в частности, ртуть, олово, свинец и таллий, при охлаждении до температуры ниже 20 K (при температуре жидкого гелия, на 20 градусов Кельвина выше абсолютного нуля) полностью теряют электрическое сопротивление и могут проводить электрический ток без каких-либо потерь. При повышении температуры это явление исчезало – как и при воздействии сильных токов и магнитных полей. В общем приближении эффект сверхпроводимости объясняется довольно просто: направленному движению электронов в проводнике в обычном состоянии мешают случайные колебания атомов, а при уменьшении температуры эти колебания становятся меньше, и электроны встречают всё меньше препятствий на своём пути.

На протяжении последних двадцати лет учёные пытались выяснить, почему явление сверхпроводимости возникает лишь при температурах чуть выше абсолютного нуля. Было зафиксировано состояние так называемой псевдощели – диапазон температур, при котором сверхпроводники теряют свои свойства. При этом в веществе на молекулярном уровне происходят какие-то изменения, но до последнего времени все попытки установить характер этих явлений были неудачными.

Физики, работающие на Министерство энергетики США, возможно, нашли решение загадки. Экспериментируя со сверхпроводниками из оксида меди, учёные заметили изменения в поведении электронов, которые происходят только при прохождении псевдощелевого состояния. В частности, было отмечено, с какой лёгкостью электроны могут перепрыгивать из атомов меди и кислорода на иглу туннельного сканирующего микроскопа. Описание этого эксперимента было опубликовано 15 июля 2010 года в журнале Nature.

Оксид меди относится к так называемым высокотемпературным сверхпроводникам, открытым в 1986 году – эти вещества получают свойства сверхпроводимости при температуре около 90 градусов Кельвина – на 90 градусов выше абсолютного нуля. Представьте кристаллическую структуру оксида меди: повторяющиеся один за другим модули из атома меди в центре решётки, одного атома водорода над ним и одного – слева от него. В каждом таком модуле, по словам руководителя проекта Симуса Дэвиса, способность туннелирования электронов из "верхнего" атома кислорода значительно сильнее способности туннелирования электронов из "левого" атома


Обнаружение такого явного нарушения симметрии имеет большое значение – в истории науки масса прецедентов, когда подобная асимметрия в корне меняла привычные представления об окружающем мире. К примеру, открытие асимметрий в жидких кристаллах позволило разработать способ управлять ими, благодаря чему были созданы широко распространённые сегодня жидкокристаллические экраны.

Специалисты рассчитывают, что обнаружение асимметрии кристаллической решётки в фазе псевдощели будет иметь не менее важное значение. В настоящее время продолжается поиск подобных нарушений симметрии в других сверхпроводниках из оксида меди. Одновременно учёные пытаются установить, каким образом эта ассимметрия влияет на движение электронов и, как это движение, в свою очередь, отражается на свойстве сверхпроводимости. Знание этого механизма позволит понять, как изготовить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью, то есть проявляющие нулевое электрическое сопротивление при комнатной температуре.

Сегодня для получения свойств сверхпроводимости требуются сложные системы охлаждения, что делает невозможным широкое применение сверхпроводников. Создание веществ, способных сохранять свойство сверхпроводимости без охлаждения до очень низких температур, будет иметь поистине революционное значение для технологий будущего. Использование таких материалов кардинально повысит эффективность энергораспределительных сетей и сделает энергетику завтрашнего дня значительно экономичней. Более того, возбуждённый в замкнутом контуре сверхпроводников ток может циркулировать по нему без потерь в течение миллионов лет, что отчасти было подтверждено ещё экспериментами Камерглинга-Оннеса, который в 1924 году смоделировал появление незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников.

Из сверхпроводников можно будет построить магниты высочайшей мощности, способные с лёгкостью поднимать любые грузы. Известно, что всем сверхпроводникам присущ так называемый эффект Мейснера, заключающийся в том, что если поместить магнит над сверхпроводником, то этот магнит будет висеть в воздухе. Дело в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля, и он как бы выталкивает его, искажая силовые линии магнита. К тому же магнит создаёт в сверхпроводнике своё "зеркальное отражение" и отталкивается от него. Благодаря эффекту Мейснера и высокотемпературным сверхпроводникам в будущем получат самое широкое распространение скоростные бесконтактные транспортные средства, которые быстро отправят на свалку истории железнодорожный и другой рельсовый транспорт, пришедший к нам из начала XIX века.

Сверхпроводимость при комнатной температуре – одно из важнейших направлений исследований в современной физике твёрдого тела. Понимание процессов, происходящих в веществе в состоянии псевдощели, приближает момент, когда секрет этого явления будет, наконец, раскрыт

Источник: http://old.computerra.ru/vision/549281/
  
#1 | Анатолий »» | 07.02.2014 17:46
  
0
История изучения сверхпроводимости: сенсационные открытия и новые вопросы

Хорошо известно, что Нобелевская премия весьма часто присуждается через несколько десятилетий после того, как было сделано соответствующее открытие.

Тем больший интерес вызывают отступления Нобелевского комитета от этой «традиции». Так, нобелевскими лауреатами 1987 года стали Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер; премия по физике была присуждена им за открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТС). В 1986 году, когда Беднорц и Мюллер, работавшие в цюрихском филиале фирмы IBM, неожиданно обнаружили сверхпроводимость у некоторых материалов керамического происхождения при температуре на 35 градусов выше абсолютного нуля. Их открытие сопровождалось огромным числом публикаций по тематике ВТС, а Конгресс США даже посвятил ему специальное заседание.

Экспертное сообщество ожидало, что не позже чем через год удастся получить сверхпроводники при комнатной температуре, причем большинство экспертов было убеждено, что открытие ВТС стимулирует переворот в технике, сравнимый с тем, который последовал за изобретением транзистора. Их ожидания, однако, не оправдались: оказалось, что те вещества, у которых была зафиксирована ВТС, являются проблемными с точки зрения их технологической обработки.

Ажиотаж вокруг открытия высокотемпературной сверхпроводимости неудивителен: полученный Беднорцем и Мюллером результат означал появление надежды найти такие вещества, которые будут сверхпроводящими при относительно высоких температурах. Поиски таких веществ начались после 1911 года, когда сверхпроводимость была открыта знаменитым голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Исследуя свойства жидкого гелия, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре, всего лишь на 4, 2 градуса превышающей абсолютный ноль, электрическое сопротивление твердой ртути становится равным нулю. Через два года Камерлинг-Оннес становится лауреатом Нобелевской премии; физики же начинают всесторонние исследования открытого им явления, и одной из главных задач для них становится максимальное повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние — критической температуры сверхпроводника.

В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд открывают у сверхпроводников удивительный эффект: оказывается, что они способны «выталкивать» магнитное поле за пределы образца. Иначе говоря, Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что в присутствии небольшого по интенсивности магнитного поля сверхпроводники напоминают идеальные диамагнетики. Если же магнитное поле становится достаточно сильным, то состояние сверхпроводимости разрушается. Вскоре Фриц Лондон высказывает гипотезу, что для сверхпроводников диамагнетизм вообще является фундаментальным свойством. Гипотеза Лондона подтвердилась; согласно современному определению, состояние сверхпроводимости предполагает в равной степени и отсутствие у образца электрического сопротивления, и его идеальный диамагнетизм.

Что же касается теории явления, то появления ее пришлось ждать довольно долго. Весьма важной оказалась идея Лондона, предположившего, что по своей природе сверхпроводимость — это квантовый эффект, проявляющийся во всем объеме образца. Эту идею развили Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер, удостоенные в итоге Нобелевской премии 1972 года за «совместное создание теории сверхпроводимости». Согласно этой теории, названной в честь авторов «теорией БКШ», электроны в сверхпроводнике ведут себя как совокупность так называемых «куперовских пар», возникновение которых обусловлено взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решетки. Электронная система куперовских пар движется через кристаллическую решетку металла, не замечая ее и, таким образом, не теряя энергию.

Существенный вклад в понимание природы сверхпроводимости внесли

также советские физики-теоретики Виталий Гинзбург, Лев Ландау, Николай Боголюбов, Алексей Абрикосов. За работы по сверхпроводимости Гинзбург и Абрикосов (совместно с британским физиком Энтони Леггетом) были в 2003 году удостоены Нобелевской премии по физике. Однако существующая теория сверхпроводимости распространяется только на так называемые «низкотемпературные сверхпроводники», природу же открытой Беднорцем и Мюллером ВТС теоретикам объяснить не удается. «Прошло уже 20 лет, в течение которых лучшие умы размышляют на эту тему, и тем не менее до сих пор никто не может сказать, как «она» работает», — говорит Роберт Кава, специалист по сверхпроводникам из Принстонского университета. В исследовании этого удивительного феномена экспериментаторы пока явно опережают теоретиков.

Наиболее неожиданным в открытии Беднорца и Мюллера стал химический состав тех веществ, в которых была обнаружена ВТС. Сверхпроводимость демонстрировала оксидная керамика (ее обычно использовали как диэлектрик или полупроводник); те же вещества, которые считались перспективными в исследованиях по увеличению температуры сверхпроводящего перехода, таковыми не оказались. Вполне естественно, что новый класс сверхпроводников стал тщательно изучаться, и вскоре в нескольких физических лабораториях удалось получить новые виды металлоксидных сверхпроводников, причем наиболее успешными в этом были физики США, Японии, Китая и России. Почти все высокотемпературные сверхпроводники нового поколения содержат двуокись меди, в связи с чем их именуют купратными сверхпроводниками.

Заметим, что в настоящее время максимальная температура сверхпроводящего перехода (при условии высокого давления) составляет 165 К.

В этой ситуации научной сенсацией стало открытие японского физика Хидео Хосоно из Токийского института технологий, хотя оно и не было связано с продвижением вверх по шкале температур сверхпроводящего перехода. Хосоно удалось обнаружить принципиально новый вид сверхпроводящих материалов, в состав открытых им сверхпроводников входило железо. Ранее одновременное присутствие в образце железа и его сверхпроводимость считалось невозможным. Статья Хосоно, сообщавшая о первом из таких материалов, была опубликована в феврале 2008 года в журнале американского химического общества, и с тех пор научные журналы опубликовали более сотни статей о различных свойствах новых сверхпроводников. «Я не мог даже предполагать, что мои результаты вызовут такой ажиотаж», — говорит Хосоно.

Как и в случае открытия ВТС, открытие Хосоно было в значительной степени случайным. Задачей Хосоно был синтез прозрачного полупроводника — поэтому он и начал экспериментировать с соединениями самых разных химических элементов: с железом, с мышьяком, с кислородом и редкоземельным металлом лантаном. Так, предполагая увеличить электропроводность получаемого вещества, часть атомов кислорода он заменил атомами фтора… в итоге же с удивлением обнаружил полное исчезновение электрического сопротивления образцов при температуре 26 К.

Прошло всего лишь несколько недель, и эксперименты Хосоно были воспроизведены в Пекинском институте физики, сотрудники которого заменили атомы лантана атомами церия и довели температуру сверхпроводящего перехода до 41 К. Развивая достигнутый успех, китайские физики продолжают продвигаться вверх по шкале температур. Так, Сяньхунь Чень из Китайского университета науки и технологии заменил атомы лантана на атомы самария и в результате добился повышения температуры сверхпроводящего перехода на два градуса. Затем он вновь заменил лантан — на этот раз на неодим и празеодим, и температура сверхпроводящего перехода снова выросла — на этот раз до 50 К.

После выхода в свет статьи Хосоно прошло всего два месяца, а температуру сверхпроводящего перехода удалось увеличить до 55 К. Этот результат был получен в том же Институте физики в Пекине исследовательской группой под руководством Жонга Ксиан Жао.

Почему же такие материалы оказались столь привлекательны для физики? Вспомним, что сверхпроводимость может быть разрушена достаточно сильным магнитным полем… это и имел в виду физик-теоретик из Иллинойского университета Филипп Филипс, сказавший на страницах журнала New Scientist: «Если вы собираетесь искать где-либо сверхпроводимость, то в самую последнюю очередь это можно делать с веществами, в состав которых входит железо» (напомним, что железо является ферромагнетиком, присутствие которого усиливает магнитное поле). Сверхпроводимость и железо казались несовместимыми еще и потому, что в процессе намагничивания ферромагнетиков спины — собственные магнитные моменты электронов — ориентируются в одном направлении, спины же электронов в куперовских парах направлены противоположно друг другу.

Понятно, что даже незначительный успех с повышением температуры сверхпроводящего перехода у материалов с присутствием арсенида железа означал, что в изучении сверхпроводимости необходимо отойти от стереотипов. Удалось установить, что механизм протекания тока в лантансодержащих проводниках во многом напоминает механизм распределения тока внутри купратных сверхпроводников. В первом случае ток протекает по слоям оксида меди, во втором — по слоям арсенида железа. Два, казалось бы, совершенно разных вида сверхпроводящих материалов оказываются весьма близки по своим свойствам, и это заставляет задуматься о правильности привычного противопоставления магнетизма и сверхпроводимости. Оказалось, что «железные» сверхпроводники похожи на низкотемпературные.

Итак, открытые Хосоно сверхпроводники похожи по свойствам (хотя и по-разному) и на низкотемпературные, и на высокотемпературные. Некоторых ученых это обстоятельство воодушевило; они считают, что должен существовать ясный механизм сверхпроводимости, описывающий разные ее виды.

При этом сверхпроводники на основе арсенида железа весьма перспективны в том числе и благодаря своей способности эффективнее — в сравнении с купратными сверхпроводниками — противостоять сильному магнитному полю. Так, в мае 2008 года исследователи из Флоридского государственного университета отметили в своей статье в Nature, что сверхпроводимость в материалах такого класса начинает разрушаться только при очень больших значениях магнитных полей, порядка 45 Тесла. По этой причине «железные» сверхпроводники могут оказаться незаменимыми, когда речь идет об изготовлении мощных электромагнитов, которые используют, к примеру, в магниторезонансной терапии (правда, изготавливать сверхпроводники на основе арсенида железа весьма непросто из-за высокой токсичности мышьяка).

Китайские физики уже изготовили первые экспериментальные образцы проволок из сверхпроводящих материалов на основе арсенида железа и лантана. Излишне говорить, что использование проводников без потерь энергии в виде джоулева тепла могло бы принципиально изменить ситуацию в электроэнергетике. Для этого, однако, необходимо поднять критическую температуру сверхпроводников с арсенидом железа до еще более высоких значений — по крайней мере, до 77 К, температуры жидкого азота (существенного более дешевого по сравнению с жидким гелием). Пока же исследования продолжаются, и эксперты расходятся в оценках перспективности. Некоторые считают, что для химических соединений с редкоземельными элементами никогда не удастся добиться сверхпроводимости при температурах выше 55 К. По мнению же других, исследовательским группам следует существенно больше внимания уделять редкоземельным элементам. Так, вызывают осторожный оптимизм недавние эксперименты по выращиванию монокристаллов редкоземельных арсенидов железа со степенью чистоты, многократно превышающей степень чистоты поликристаллов, которые использовались до сих пор. Впрочем, опубликованные в марте 2009 года новые экспериментальные результаты группы Хосоно еще более удивительны: оказалось, что некоторые сплавы становятся сверхпроводящими вследствие поглощения ими содержащегося в воздухе водяного пара.

Итак, через два десятилетия после открытия Беднорца и Мюллера изучение сверхпроводимости вновь поставило перед физиками вопросы, ответы на которые найти весьма не просто. Спустя почти век после исторического открытия Каммерлинг-Оннеса перед физиками — теоретиками вновь поставлена амбициозная задача, и будем надеяться, что ее решения не придется ждать несколько десятилетий…

автор Борис Булюбаш

Источник: http://oko-planet.su
  
#2 | Анатолий »» | 08.02.2014 15:43
  
1
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, cостояние, в которое при низкой температуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества. Сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах и сплавах и в некоторых полупроводниковых и керамических материалах, число которых все возрастает. Два из наиболее удивительных явлений, которые наблюдаются в сверхпроводящем состоянии вещества, – исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводнике и выталкивание магнитного потока (см. ниже) из его объема. Первый эффект интерпретировался ранними исследователями как свидетельство бесконечно большой электрической проводимости, откуда и произошло название сверхпроводимость.
Исчезновение электрического сопротивления может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, то ток в кольце будет существовать неограниченно долго даже после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это совокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока напряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталкивается из сверхпроводника, что схематически показано на рис. 1.



Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правильном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электроны называются электронами проводимости. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагирует также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (0 К, –273,16° С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2 К (см. таблицу). В 1986 были созданы сверхпроводники из керамических материалов с необычайно высокой температурой перехода. Так, для образцов керамики YBa2Cu3O7 температура перехода превышает 90 К (см. также ТЕПЛОТА).

Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением.

Открытие. Очень много сведений о металле дает соотношение между внешним напряжением и вызванным им током. Вообще говоря, это соотношение имеет вид равенства V/I = R, где V – напряжение, I – ток, а R – электрическое сопротивление. Согласно этому закону (закону Ома), электрический ток пропорционален напряжению при любом значении величины R, которая является коэффициентом пропорциональности. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Сопротивление обычно не зависит от тока, но зависит от температуры. Получив в 1908 жидкий гелий, Г.Камерлинг-Оннес из Лейденского университета (Нидерланды) стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах.

Следующее важное открытие было сделано в 1933 немецким физиком В.Мейсснером и его сотрудником Р.Оксенфельдом. Они обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.


СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

В физической литературе часто называют сверхпроводниками вещества или материалы, которые при разных условиях могут находиться в сверхпроводящем или несверхпроводящем состоянии. Один и тот же простой (состоящий из одинаковых атомов) металл, сплав или полупроводник может в каких-то интервалах температур или внешних магнитных полей быть сверхпроводящим; при температурах или полях бльших критических значений – это обычный (принято говорить – нормальный) проводник.

После открытия эффекта Мейсснера было выполнено большое число экспериментов со сверхпроводниками. Среди исследованных свойств были:

1) 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. 2).



2) 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.

3) Глубина проникновения – расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения оказывается функцией температуры и различна в разных материалах: от 3Ч10–6 до 2Ч10–5 см. Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения.

Чтобы понять, почему выталкивается магнитный поток, т.е. чем обусловлен эффект Мейсснера, нужно вспомнить, что все физические системы стремятся к состоянию с минимальной энергией. Магнитное поле обладает некоторой энергией. У сверхпроводника в магнитном поле энергия увеличивается. Но она снова понижается благодаря тому, что в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне. Энергия сверхпроводника выше, чем в отсутствие внешнего магнитного поля, но ниже, чем в том случае, когда поле проникает внутрь его.

Полное выталкивание магнитного потока энергетически выгодно не для всех сверхпроводников. В некоторых материалах состояние с минимальной энергией в магнитном поле достигается, если некоторые из линий магнитного потока частично проникают в вещество, образуя мозаику из сверхпроводящих областей, где магнитное поле отсутствует, и нормальных, где оно есть.

4) 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 5Ч10–7 до 10–4 см. С существованием больших длин когерентности (намного превышающих атомные размеры порядка 10–8 см) связаны необычные свойства сверхпроводников.

5) 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.


ТЕОРИИ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

До 1957 большинство попыток объяснить экспериментальные данные носило феноменологический характер: они базировались на искусственных предположениях или нестрогих модификациях существующих теорий и имели целью достижение согласия с экспериментом. Примером попыток первого типа может служить двухжидкостная модель, в которой постулируется, что при температуре перехода некоторая часть электронов проводимости приобретает способность двигаться, не испытывая сопротивления. Эта модель объясняет температурную зависимость критического поля, критический ток и глубину проникновения, но ничего не дает для физического понимания самого явления, т.к. не объясняет такой частичной сверхпроводимости.

Прогресс был достигнут в 1935, когда физики-теоретики, братья Ф. и Г.Лондоны предложили рассматривать сверхпроводимость как макроскопический квантовый эффект. (Ранее были известны только квантовые эффекты, наблюдающиеся в атомных масштабах – порядка 10–8 см.) Лондоны таким образом модифицировали классические уравнения электромагнетизма, что из них следовали эффект Мейсснера, бесконечная проводимость и ограниченная глубина проникновения. В начале 1950-х годов А.Пиппард из Кембриджского университета показал, что такое квантовое состояние в действительности является макроскопическим, охватывая расстояния до 10–4 см, т.е. в 10 000 раз превышающие атомный радиус.

Хотя эти попытки и были важны, они не затрагивали сути основного взаимодействия, которым обусловлена сверхпроводимость. Некоторые указания на природу этого взаимодействия появились в начале 1950-х годов, когда было открыто, что температура сверхпроводящего перехода металлов, построенных из разных изотопов одного и того же элемента, неодинакова. Оказалось, что чем больше атомная масса, тем ниже температура перехода. (Изотопы одного и того же элемента имеют одно и то же число электронов, но разные массы ядер.) Изотопический эффект указывал на то, что температура перехода зависит от массы атомов кристаллической решетки и, следовательно, сверхпроводимость не является чисто электронным эффектом.

Электроны в металлах. Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. Чтобы выяснить, как это приводит к сверхпроводимости, нужно рассмотреть структуру металла. Как и все кристаллические твердые тела, металлы состоят из положительно заряженных атомов, расположенных в пространстве в строгом порядке. Порядок, в котором размещены атомы, можно сравнить с повторяющимся рисунком на обоях, но только рисунок должен повторяться в трех измерениях. Электроны проводимости движутся среди атомов кристалла со скоростями от 0,01 до 0,001 скорости света; их движение и есть электрический ток.

Теория Бардина – Купера – Шриффера (БКШ). В 1956 Л.Купер из университета шт. Иллинойс показал, что если электроны притягиваются друг к другу, то, сколь бы слабым ни было это притяжение, они должны «конденсироваться» в связанное состояние. Можно предположить, что это связанное состояние и есть искомое сверхпроводящее состояние. Как представлял себе Купер, такое притяжение возможно между двумя электронами и должно приводить к образованию связанных пар (получивших название куперовских), перемещающихся в кристаллической решетке.

Но еще в 1950 Г.Фрелих высказал предположение, что электроны могут притягиваться друг к другу за счет взаимодействия с атомами решетки. Этот механизм притяжения называется электрон-фононным взаимодействием; он состоит в следующем. Электрон, движущийся в кристаллической решетке, как бы искажает ее. Это обусловлено взаимодействием между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомами решетки. Движущийся через решетку электрон «сближает» ее атомы. Второй электрон затем втягивается в «суженную область» под усиленным действием положительного заряда. Энергия первого электрона, затрачиваемая на «деформацию решетки», передается без потерь второму члену куперовской пары. Такая пара движется по решетке, обмениваясь энергией через атомы решетки, но не теряя при этом своей энергии в целом (рис. 3).



Такое взаимодействие в какой-то мере аналогично поведению двух тяжелых шариков на резиновой мембране. Когда один шарик катится, он прогибает мембрану так, что второй шарик следует в его «кильватере». Электроны, будучи одноименно заряжены, в отличие от шариков взаимно отталкиваются. Однако это взаимное отталкивание оказывается сильным только тогда, когда электроны находятся очень близко друг к другу, и быстро уменьшается по мере их удаления. Во взаимодействии с участием решетки, или электрон-фононном взаимодействии, электроны достаточно удалены друг от друга (на расстояние порядка 5Ч10–7–10–4 см). На таких расстояниях отталкивание электронов мало по сравнению с электрон-фононным взаимодействием, в результате чего электроны эффективно притягиваются друг к другу. (Фонон – это квант колебательной энергии кристаллической решетки.)

До сих пор мы рассматривали только одну куперовскую пару, тогда как в действительности в 1 см3 вещества находится примерно 1020 куперовских пар. Легко представить себе, что искажение решетки, создаваемое одной куперовской парой, могло бы нарушить притяжение в других парах. В 1957 Дж.Бардин, Л.Купер и Дж.Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера), за которую они были удостоены в 1972 Нобелевской премии по физике. Согласно этой теории, пары образуют когерентное состояние, в котором все они имеют один и тот же импульс. Говорят, что эти когерентные электроны находятся в едином квантовом состоянии; они образуют так называемую квантовую, или сверхтекучую, жидкость. Эта когерентность электронов в большом масштабе – замечательная макроскопическая демонстрация квантовых принципов.

Теория БКШ объясняет многие из свойств сверхпроводников, о которых мы уже говорили. Электроны в сверхпроводнике переходят в коллективное состояние таким образом, что их потенциальная энергия становится минимальной. Двигаясь совместно, электроны притягиваются друг к другу посредством механизма электрон-фононного взаимодействия, и потенциальная энергия системы оказывается меньшей, чем в случае двух электронов, не притягивающих друг друга. Сверхпроводник в таком коллективном состоянии способен противодействовать повышающему энергию действию тока или магнитного поля; отсюда следует температурная зависимость критического тока и поля. Выше температуры перехода электроны имеют слишком много тепловой энергии и «возбуждаются», т.е. переходят из сверхпроводящего состояния с более низкой энергией в нормальное, более высокоэнергетическое состояние.

Изотопический эффект объясняется тем, что в более легких изотопах решетка «возмущается» с меньшими затратами энергии. Решетку из более тяжелых изотопов труднее деформировать, и поэтому переход к сверхпроводимости происходит при более низких температурах. Теория БКШ также объясняет, почему хорошие проводники, такие, как медь и золото, не являются сверхпроводниками. Электроны проводимости в этих веществах легко проходят сквозь атомную решетку, почти не взаимодействуя с ней. Это делает такие материалы хорошими электрическими проводниками, поскольку в них теряется мало энергии из-за рассеяния решеткой. Для достижения же сверхпроводящего состояния необходимо сильное взаимодействие между атомами решетки и электронами. По этой причине очень хорошие проводники электричества, как правило, не бывают сверхпроводниками.

Сверхпроводники 1-го и 2-го рода. По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают те идеальные свойства, о которых уже говорилось. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч10–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10–4 см.

Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10–5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10–7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода. Но выше Нс1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Нс2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Нс2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным. Характеристики различных сверхпроводников представлены в таблице.



Эффект Джозефсона

В 1962 Б.Джозефсон, аспирант Кембриджского университета, размышляя над тем, что будет, если сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем, высказал предположение, что куперовские пары должны за счет «туннельного» эффекта переходить из одного сверхпроводника в другой при нулевом напряжении.

Было предсказано два замечательных эффекта. Во-первых, через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего (бездиссипативного) тока. Критическое значение этого тока зависит от внешнего магнитного поля. Во-вторых, если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения. Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй – нестационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально. В частности, наблюдались осцилляции максимального сверхпроводящего тока через переход при увеличении магнитного поля. Если ток, задаваемый внешним источником, превысит критическое значение, то на переходе появляется напряжение V, периодически зависящее от времени. Частота колебаний напряжения зависит от того, насколько ток через контакт превышает его критическое значение.

Конечно, сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем невозможно. Поэтому в экспериментах на подложку напылялся тонкий слой сверхпроводящего материала, такого, как алюминий, затем он окислялся с поверхности на глубину нескольких ангстрем, а сверху напылялся еще один слой алюминия. Напомним, что оксид алюминия – диэлектрик. Такой «сэндвич» эквивалентен двум сверхпроводникам, расположенным на расстоянии нескольких ангстрем друг от друга.

Эффект Джозефсона обусловлен фазовыми соотношениями между электронами в сверхпроводящем состоянии. Выше говорилось, что суть сверхпроводящего состояния – в когерентном движении куперовских пар через атомную решетку. Когерентность куперовских пар сверхпроводника определяется тем, что пары электронов движутся «в фазе». Куперовские же пары двух разных сверхпроводников движутся «не в фазе». Так, каждый солдат марширующей роты идет в ногу с любым другим солдатом своей роты, но не в ногу с солдатами другой роты. Если два сверхпроводника тесно приблизить друг к другу, то куперовские пары могут туннелировать через зазор между ними. При туннелировании фаза куперовской пары изменяется. Если изменение таково, что куперовская пара начинает идти «в ногу» с парами во втором сверхпроводнике, то туннелирование возможно. Это и происходит в стационарном эффекте Джозефсона. Величиной магнитного поля определяется сдвиг фазы, который приобретают туннелирующие пары.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда ток через переход превышает критическое значение для стационарного эффекта Джозефсона. Между двумя сверхпроводниками возникает напряжение, которое вынуждает фазы в двух сверхпроводниках изменяться во времени. Это в свою очередь приводит к колебаниям туннельного тока (с изменением его направления) в соответствии с изменениями разности фаз в двух сверхпроводниках.


ПРИМЕНЕНИЯ
С 1911 по 1986 было исследовано очень много сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры требовался дорогостоящий жидкий гелий (4Не). Поэтому наиболее успешные применения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных экспериментов, для которых не требуется больших количеств жидкого гелия.

В конце 1986 К.Мюллер (Швейцария) и Й.Беднорц (Германия), работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, которые способны оставаться сверхпроводниками (2-го рода, см. выше) в магнитных полях до 200 кГс.

Керамические сверхпроводники весьма перспективны в плане крупномасштабных применений, главным образом по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно недорогим жидким азотом.

Лабораторные применения. Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10–15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10–9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Промышленные применения. Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.


Источник: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/1d9555a5-55f6-110f-ca8c-6f4b0ca5b5c0/1002326A.htm
  
#3 | Анатолий »» | 10.02.2014 17:05
  
1
Немного видеоматериала


В фильме рассказывается о возникновении физики низких температур, об открытии явления сверхпроводимости. Кинофильм знакомит учащихся с опытами, позволяющими наблюдать длительное существование тока в замкнутой катушке, помещенной в жидкий гелий, объясняет природу сверхпроводимости.





Первая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "100 лет исследований сверхпроводимости: достижения и разочарования". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., профессор Римского университета "Tor Vergata" (Италия).




академик Николай Викторович Левашов рассказывает о физическом явлении сверхпровоимости






Как работает левитация в условиях сверхпроводимости

  
#4 | Анатолий »» | 11.02.2014 16:57
  
0
Если мы начнем отходить от популярности и перейдем к фундаментальной науке, то нашему взору откроются другие горизонты.
Это можно заметить даже вот на таком простом примере:


Сверхпроводимость

М.В. Фейгельман

Курс лекций состоит из двух примерно равных по продолжительности частей. Первая часть начинается с изложения основных качественных представлений о сверхпроводимости, затем излагается феноменологическая теория сверхпроводимости Гинзбурга и Ландау. Изложение в этой части предполагается вполне доступным студентам 4 курса ФОПФ МФТИ, как теоретикам, так и экспериментаторам, специализирующимся по физике твердого тела. Во второй части курса излагаются основы микроскопической теории сверхпроводимости. Предполагается хорошее знание курса квантовой механики Ландау и Лифшица. Основное содержание этой части (кроме пары последних лекций, использующих диаграммные методы) рассчитано на теоретиков и на экспериментаторов, занимающихся сверхпроводимостью.

Совместный курс с кафедрой "Физика твердого тела" ФОПФ.

Часть I. Феноменологическая теория
Основные факты о сверхпроводниках
Основные явления: нулевое сопротивление, эффект Мейсснера, квантование потока, эффект Джозефсона.
Сверхпроводники I и II рода: промежуточное и смешанное состояния. "Поверхностное натяжение" границы раздела S-N.
Термодинамика сверхпроводников в магнитном поле.
Уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Нелокальное проникновение поля (предел Пиппарда). Роль примесей.
Квантование магнитного потока (качественно).
Кинетическая индуктивность и поверхностный импеданс.
Теория Гинзбурга-Ландау
Свободная энергия и уравнения Гинзбурга-Ландау. Ток и градиентная инвариантность.
Квантование магнитного потока.
Глубина проникновения и длина когерентности. Эффект близости. Энергия границы раздела S-N и два рода сверхпроводников.
Критическое поле и критический ток тонкой пленки.
Сверхпроводимость II рода: основы
Решение уравнений ГЛ для одиночного вихря и нижнее критическое поле.
Решение Абрикосова для решетки вихрей при и верхнее критическое поле.
Взаимодействие вихрей (в лондоновском приближении).
Вихрь в тонкой пленке.
Сверхпроводимость II рода: флуктуационные эффекты
Флуктуации вблизи температуры перехода (оценка ширины флуктуационной области, диамагнетизм, парапроводимость).
Переход Березинского-Костерлица-Таулеса в тонкой пленке.
Сверхпроводимость II рода: плавление решетки, пиннинг и крип вихрей
Плавление вихревой решетки.
Резистивное состояние.
Критический ток при зацеплении вихрей на примесях.
Коллективный пиннинг вихревой решетки. Роль примесей.
Крип магнитного потока и нелинейная проводимость в ВТСП.
Слабая сверхпроводимость: феноменология
Стационарный эффект Джозефсона. Виды слабых контактов.
Нестационарный эффект Джозефсона. Резистивные характеристики.
Критический ток и "ток возврата".
Туннельный контакт в магнитном поле. Джозефсоновские вихри.
СКВИДы.
Флуктуационные эффекты в слабых контактах
Тепловые флуктуации в джозефсоновском переходе, проскальзывание фазы и I(V,T).
Макроскопические квантовые эффекты: "туннелирование фазы" и переход в резистивное состояние.
Макроскопическая квантовая когерентность в СКВИДах.
Часть II. Микроскопическая теория
Основы теории Бардина-Купера-Шриффера
Теорема Купера для произвольного типа спаривания.
Спиновая струкрура волновой функции пары при s- и d-синглетном спаривании. Фазы с p-спариванием в сверхтекучем He3.
Диагонализация гамильтониана БКШ. Спектр элементарных возбуждений.
Уравнение самосогласования.
Эффекты температуры и магнитного поля
Соотношение температуры перехода и щели в спектре. Энергия основного состояния.
Теплоемкость, плотность нормальной компоненты, лондоновская глубина проникновения в различных сверхпроводящих фазах.
Сдвиг Найта, парамагнитный предел сверхпроводимости, роль спин-орбитального рассеяния.
Неоднородные сверхпроводящие состояния
Диагонализация гамильтониана БКШ в координатном представлении. Уравнения Боголюбова (-де Жена)
Андреевское отражение и андреевские уровни в S-N-S контакте.
Локализованные электронные уровни в центре абрикосовского вихря.

Эффекты четности числа электронов в сверхпроводящем "транзисторе".
Микроскопический вывод уравнений Гинзбурга-Ландау.
Роль примесей
Теорема Андерсона для обычного s-спаривания. Подавление сверхпроводимости магнитными примесями. Бесщелевая сверхпроводимость.
Потенциальные примеси в "необычных" сверхпроводящих фазах.
Зависимость критических магнитных полей от концентрации примесей.
Микроскопическая теория эффектов в слабых сверхпроводящих контактах
Энергия связи в S-I-S контакте и критический ток.
Андреевские уровни и сверхтекучий ток через S-N-S контакты.
Фазово-чувствительный диссипативный ток в S-N структурах. Источник:

Кафедра ФОПФ МФТИ
Проблемы теоретической физики
при ИТФ им. Л.Д.Ландау


http://chair.itp.ac.ru/index.php?sub=curriculum/supercond
  
#5 | Анатолий »» | 12.02.2014 17:22
  
0
Ну вот и начнем потихоньку. Хватит беллетристики.

Высокотемпературная сверхпроводимость


Можно посмотреть, можно скачать:
Высокотемпературная сверпроводимость


Ну и немного


12.6. Применение сверхпроводников


Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости [39]. Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.

Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов. Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.

Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.

Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснера индуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом. Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построенав Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.

В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.

Применений сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10-12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.

Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.

В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.

Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях. Для технологии в первую очередь важен сам факт существования материалов, сверхпроводящих при достаточно высокой температуре. Однако направленное и осмысленное движение вперед, в том числе в технологической сфере невозможно без всестороннего исследования уже известных ВТСП, без понимания всех тонкостей высокотемпературной сверхпроводимости как интереснейшего физического явления.

Источник: Кафедра физики твердого тела Петрозаводского государственного университета

http://dssp.petrsu.ru/
  
#6 | Анатолий »» | 13.02.2014 18:58
  
0
Теория Гинзбурга Ландау.
Давайте познакомимся.

Можно посмотреть, можно скачать:

Теория Гинзбурга Ландау


В чем суть теории сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау ?


Открытые в 1911 году сверхпроводники — материалы, чье электрическое сопротивление при низких температурах становится нулевым, используют, например, для создания сверхсильных электромагнитов. Они находят все большее применение в науке и технике, позволяя создавать гигантские ускорители и медицинские томографы.

Сверхпроводники делятся на два класса в зависимости от характера взаимодействия с магнитным полем. В сверхпроводники первого рода слабое магнитное поле не проникает, а слишком сильное — скачком устраняет сверхпроводимость.

Работы Виталия Лазаревича Гинзбурга (1916 г. рожд. , оконч. МГУ в 1938 г. ) относятся к наиболее ранним этапам развития физики сверхпроводимости.

В 40-х гг. XX столетия совместно с Л. Д. Ландау им была разработана теория СП, получившая название теории Гинзбурга-Ландау, которую сам Виталий Лазаревич называет пси-теорией СП. Она основана на представлении сверхпроводящего конденсата с помощью волновой функции. Эта работа базировалась на теории братьев Лондонов, выполненной чуть раньше, где было введено понятие глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник («лондоновская глубина проникновения» ) и показано, что начиная от температур сверхпроводящего перехода глубина проникновения магнитного поля в СП довольно быстро уменьшается. И при достаточно низких температурах это значение составляет несколько сотен ангстрем для типичных материалов (сверхпроводников I рода) .

Теория Гинзбурга-Ландау основывалась на теории фазовых переходов II рода, разработанной в 1937 г. Л. Д. Ландау, и содержала основные методы описания такого фазового перехода. Основная идея теории Гинзбурга-Ландау – существенно более упорядоченное состояние сверхпроводника при низких температурах по сравнению с нормальным состоянием при температурах выше СП-перехода.

Для характеристики степени упорядоченности СП-состояния был введен параметр порядка, а также учет квантовых эффектов, а именно волновой функции, которая описывает поведение электронов в твердом теле. Предполагалось, что в ситуации сверхпроводимости устанавливается когерентное состояние, когда электроны неотличимы друг от друга. Это позволило для волновой функции электрона решить задачу зависимости от одной из координат. На основе объединения параметров порядка (длины когерентности) и волновой функции было описано состояние сверхпроводимости.

С помощью теории Гинзбурга-Ландау для известных тогда сверхпроводников I рода, к которым относятся почти все простые металлы и ряд металлических соединений, была получена картина изменения параметров – глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник со стороны металла и волновой функции, убывающей в сторону от металла. С помощью названных параметров удалось описать все свойства реальных сверхпроводников, известных в 40-е гг. Был введен также параметр Гинзбурга-Ландау, представлявший собой отношение этих двух величин, характеризующих свойства СП-состояния. Параметр Гинзбурга-Ландау явился основой работы А. А. Абрикосова, за которую он получил Нобелевскую премию 2003 г
  
#7 | Анатолий »» | 15.02.2014 19:59
  
0
Основы теории Бардина-Купера-Шриффера

Теория БКШ (Теория Бардина, Купера, Шриффера) — микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний день доминирующей. В её основе лежит концепция куперовской пары: коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами. В 1972 году создатели теории были удостоены Нобелевской премии по физике. Одновременно микроскопическая теория сверхпроводимости была построена с использованием так называемых преобразований Боголюбова (англ.) Н. Н. Боголюбовым, показавшим, что сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа.

Электроны вблизи поверхности Ферми могут испытывать эффективное притяжение, взаимодействуя друг с другом посредством фононов. Надо ввести уточнение, притягиваются только те электроны, энергия которых отличается от энергии электронов на поверхности Ферми не более чем на величину , где — Дебаевская частота, остальные электроны не взаимодействуют. Эти электроны объединяются в пары, называемые часто куперовскими. Куперовские пары, в отличие от отдельных электронов, обладают рядом свойств, характерных для бозонов, которые при охлаждении могут переходить в одно квантовое состояние. Можно сказать, что эта особенность позволяет парам двигаться без столкновения с решёткой и оставшимися электронами, то есть без потерь энергии.

Отметим, что в теории БКШ понятие куперовской пары четко не определено и в явном виде не вводится. Куперовская пара хорошо определена лишь в двухчастичной задаче Купера, которая считается вспомогательной для построения многочастичной теории БКШ.

+++

Купера Эффект


Эффект Купера – образование связанных пар частиц в вырожденной системе фермионов при наличии сколь угодно слабого притяжения между ними. Решая уравнение Шредингера для двух частиц вырожденного ферми-газа (газа электронов), Л. Купер показал, что слабое притяжение между ними приводит к так называемому спариванию частиц, находящихся вблизи ферми-поверхности, т. е. к образованию связанных состояний двух частиц.
Эффект Купера представляет собой основу макроскопической теории сверхпроводимости.
В 1950г. В.Л.Гинзбург переходит к феноменологической теории Гинзбурга-Ландау, в которой сверхпроводимость описывается на языке параметра порядка. Эта теория позволила получить для сверхпроводников ряд важных термодинамических соотношений, объяснить поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле, эффекты переохлаждения и перегрева и т.д. В рамках теории Гинзбурга-Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников первого и второго рода (Абрикосов, 1957 год). Интересно, что анализ экспериментальных данных на основе теории Гинзбурга-Ландау позволил сделать оценку эффективного заряда e*, который оказался примерно в два раза больше, чем заряд электрона. Но мысль об объединении электронов в пары тогда никому не пришла в голову, хотя к тому времени уже давно была опубликована статья Огга (1946 год), в которой выдвигалась идея о спаривании электронов с их последующей бозе-эйнштейновской конденсацией.
Прорыв наступил в 1957 году, когда Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне (вторая Нобелевская премия по сверхпроводимости). Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих "сверхток".
В идеальном ферми-газе сверхпроводимость невозможна; для появления сверхпроводимости необходимо, чтобы в энергетическом спектре фермиевских возбуждений над основным состоянием возникла конечная энергетическая щель. Куперовское спаривание частиц с конечной энергией связи и приводит к формированию такой щели. Тем самым для ферми-систем со спариванием удовлетворяется критерий сверхтекучести Ландау. Без учёта эффекта в основном состоянии металла (при 0 К) электроны заполняют в пространстве импульсов объём, ограниченный Ферми поверхностью, — так называемую фермиевскую сферу.
В результате Купера эффекта любая вырожденная ферми-система с притяжением между частицами должна обладать свойством сверхпроводимости (сверхтекучести). В реальных металлах взаимодействие между электронами складывается из экранированного кулоновского отталкивания и притяжения, вызванного возможностью обмена виртуальными фононами и обусловленного поляризацией кристалла вокруг электронов. Соотношение этих типов взаимодействия и определяет возможность сверхпроводимости в металле.
Для возникновения куперовского спаривания достаточно, чтобы в разложении в полином Лежандра амплитуды рассеяния фермионов друг на друге хотя бы один член разложения оказался отрицательным (притяжение на соответствующей гармонике). Куперовские пары обладают орбитальным моментом, равным номеру этой гармоники. Как правило, энергия связи пар и, соответственно, температура сверхпроводящего перехода быстро убывают с ростом орбитального момента. Поэтому спаривание осуществляется с наименьшим допустимым значением момента. Суммарный спин пары равен нулю при четном орбитальном моменте и единице при нечетном. В большинстве известных сверхпроводников куперовские пары обладают нулевым орбитальным моментом. Интересным примером ферми-жидкости, в которой орбитальный момент пары равен единице, является сверхтекучий He3. Обычно в основном состоянии сверхтекучей системы импульс пары равен нулю, т. е. пары образуются из квазичастиц с противоположно направленными и равными между собой по абсолютной величине импульсами. Однако возможны и системы с ненулевым суммарным импульсом пары, что означало бы пространственную неоднородность сверхтекучей системы в основном состоянии.
Теория БКШ естественным образом объяснила изотопический эффект, открытый в 1950 году, и, что очень важно, позволила выразить критическую температуру Tc через фононные и электронные характеристики. В результате этого появилась возможность вести осмысленный поиск новых сверхпроводников с более высокой Tc из числа материалов с большими значениями дебаевской температуры и константы электрон-фононного взаимодействия. Для гипотетического металлического водорода была предсказана огромная Tc = (200 - 300) К. Но теперь "подкачал" уже эксперимент. Максимум, чего удалось добиться за 30 лет со времени публикации БКШ - это повысить Tc до 24 К в Nb3Ge (1973 год).
А теория продолжала развиваться и в другом направлении. В 1964 году Литтл и Гинзбург независимо высказали идею о возможном нефононном механизме сверхпроводимости в низкоразмерных (квазиодномерных или квазидвумерных) системах. Было показано, что замена фононов на экситоны (возбуждения подсистемы связанных электронов) в принципе позволяет повысить Tc до (50 - 500) К. Однако поиск таких сверхпроводников не увенчался успехом.


Источник: http://www.heuristic.su РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина


+++

Можно посмотреть так же:

Основы теории Бардина-Купера-Шриффера
  
#8 | Анатолий »» | 16.02.2014 18:52
  
0
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК.

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Л.Д. ЛАНДАУ.


Димитрова Ольга Венциславовна.

Сверхпроводимость и спиновый траспорт
в двухмерных электронных схемах
Со спин-орбитальным .взаимодействием.


Можно просмотреть, можно скачать:

Димитрова Ольга Венциславовна
  
#9 | Анатолий »» | 16.02.2014 19:03
  
0
Найтовский сдвиг.
Сдвиг Найта.

Найтовский сдвиг. Частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для одного и того же ядра зависит от того, входит ли оно в состав диэлектрика или металла. В металле вероятность нахождения электронов проводимости вблизи ядра несколько возрастает. Эти электроны намагничиваются внешним полем, и эффективное магнитное поле, действующее на спин ядра, увеличивается, что приводит (по сравнению с диэлектриком) к т. н. найтовскому сдвигу частоты ЯМР. Поскольку магнитная восприимчивость нормального металла χn практически не зависит от температуры, то постоянным остается и найтовский сдвиг. ЯМР можно наблюдать и в сверхпроводниках, если использовать тонкие пленки или малые гранулы с характерными размерами, меньшими глубины проникновения δ. В таких образцах ниже Тс величина найтовского сдвига зависит от температуры и остается конечной даже при Т=0. При этом


частицах и тонких пленках, где наблюдается найтовский сдвиг, весьма существенно рассеяние на границах, в котором проявляется и спин-орбитальное взаимодействие. При учете этого взаимодействия электронный спин перестает сохраняться, и классификация по полному спину электронной системы S становится невозможной. Даже в основном состоянии сверхпроводника появляется примесь состояний с S≠0, что и делает возможным поляризацию в слабом магнитном поле.

***
Найтовский сдвиг – смещение Найта, сдвиг резонансных частот ядерного магнитного резонанса в металлах и сплавах из-за релаксации, обусловленной взаимодействием электронов проводимости с магнитными моментами атомных ядер. Обнаружен и объяснён американским физиком У. Д. Найтом (W. D. Knight) в 1949.

***
Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T1 и T2, которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H0 (спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Ti изменяются от 10-41 сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. T1 и T2 связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1 и T2, как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T1. Большие T1 в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации - взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (Найтовский сдвиг). Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T2. В сильных полях H1 наступает "насыщение" - увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H1 > (T1T2)-1/2. Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H1. Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.
Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, 73Ge в тетраэдрической молекуле GeCl4). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР"mН0. В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом.
Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I = 1/2 и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер 19F, 13C, 31P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линии, что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, – результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H0.


Можно прочитать, или скачать:

Влияние размерных эффектов на сдвиг Найта линий ЯМР в сплаве галлий–индий
  
#10 | Анатолий »» | 17.02.2014 15:18
  
0
Андреевское отражение — процесс отражения электрона, падающего из нормального металла на границу со сверхпроводником, при котором электрон превращается в дырку. Названо по имени Александра Фёдоровича Андреева, теоретически предсказавшего такой тип отражения в 1964 году


Квантование сверхтока и андреевское отражение в кремниевых
наноструктурах
© Н.Т. Баграев, Л.Е. Клячкин, А.А. Кудрявцев, А.М. Маляренко, Г.А. Оганесян, Д.С. Полоскин
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук,
194021 Санкт-Петербург, Россия
(Получена 30 апреля 2009 г. Принята к печати 4 мая 2009 г.)
Туннельная спектроскопия используется для изучения транспорта дырок в сандвич-наноструктуре типа
сверхпроводник−сверхузкая самоупорядоченная кремниевая квантовая яма (СККЯ) p-типа — сверхпро-
водник на поверхности Si (100) n-типа, в которой ширина квантовой ямы меньше длины когерентности
и фермиевской длины волны. Туннельные ВАХ высокого разрешения демонстрируют квантование сверхтока,
характеристики которого определяются позициями уровней размерного квантования дырок в СККЯ.
Причем корреляция в туннелировании одиночных дырок и куперовских пар проявляется в идентичности
осцилляций ВАХ сверхтока при T < Tc и осцилляций ВАХ проводимости при T > Tc . Кроме эффекта
Джозефсона, прямая и обратная ВАХ впервые идентифицируют процессы многократного андреевского
отражения двумерных дырок в СККЯ, которые отвечают за микроскопический механизм, ответственный
за сверхпроводящий эффект близости. Исследование проводимости двумерных дырок в плоскости СККЯ
свидетельствует о наличии когерентного туннелирования в условиях спинозависимого многократного
андреевского отражения между ограничивающими ее сверхпроводящими δ-барьерами.

Можно посмотреть, можно скачать:

Квантование сверхтока и андреевское отражение в кремниевых наноструктурах


Андреевское отражение
  
#11 | Анатолий »» | 18.02.2014 16:24
  
0
Лекции по сверхпроводимости ВИДЕО!


Лекция №1 -10. 100 лет исследований сверхпроводимости



Первая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "100 лет исследований сверхпроводимости: достижения и разочарования". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А…



Вторая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Общие свойства сверхпроводников. Эффект Мейснера. Теория братьев Лондонов. Промежуточное состояние. Теория Ландау-…



Третья лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Уравнения Гинзбурга-Ландау (вывод). Применения теории Гинзбурга-Ландау.". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов …



Четвёртая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Применения теории Гинзбурга-Ландау. Сверхпроводимость второго рода в классических и высокотемпературных сверхпро…



Пятая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Сверхпроводимость второго рода в классических и высокотемпературных сверхпроводниках. Пиннинг. Поверхностная сверхпрово…



Шестая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Флуктуационные явления в сверхпроводниках". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., профессор Римского университ…



Седьмая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Эффект Джозефсона. Слабая сверхпроводимость". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., профессор Римског…



Восьмая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Затухание джосефсоновского тока вызванное флуктуациями фазы". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., проф…



Девятая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Линии передачи и высокочастотные свойства сверхпроводников". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., профессор …



Десятая лекция курса "Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения". Тема лекции: "Сверхпроводящие линии передач и резонаторы". Курс читает д-р физ.-мат. наук Варламов А.А., профессор …
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU