Разбиране на времето: Свръхпроводимост

Електроните носят един и същ заряд и затова не могат да бъдат привлечени директно един към друг. По време на движение обаче първият електрон (плътна траектория) привлича положително заредени йони в възлите на кристалната решетка, измествайки ги и образувайки локален излишък на положителен заряд (и причинявайки еластични вибрации на решетката - фонони). Този заряд привлича друг електрон (пунктирана линия), свързващ две частици във виртуална двойка.

Купърските двойки електрони са свързани с „невидими връзки“ и могат да се движат само в съгласие. Ако един от електроните "се натъкне" на дефект в кристалната решетка (черен кръг), той не може да бъде разпръснат, тъй като вторият електрон го държи от голямо разстояние. А липсата на разсейване означава отсъствие на електрическо съпротивление

Един от моделите беше предложен от английския физик Брайън Пипард. В хода на експериментите си той стигна до извода, че свръхпроводящата зона на повърхността на пробата се простира на различна дълбочина от магнитното поле. За да опише тази дълбочина, той въведе нов параметър - дължината на кохерентността (нарича се още дължина на корелацията). В модела на Пипард състоянието на свръхпроводник в определена точка зависи от величината на магнитното поле не само в него, както в Лондон, но и в неговата околност, чийто мащаб се определя от дължината на кохерентността. От това следва, че основата на свръхпроводимостта са нелокални взаимодействия, които свързват пространствено разделени електрони. За първи път подобна идея беше изразена през 1935 г. от Фриц Лондон, а Пипард я изрази математически. Тази идея се оказа много ползотворна, но физическото й значение бе разкрито напълно само след няколко години.

Друго обобщение на теорията на Лондон беше моделът, предложен от бъдещите учени и нобелови лауреати Виталий Гинзбург и Лев Ландау. Той се основава на феноменологичната теория за фазовите преходи от втори ред, формулирана от Ландау през 1937г. Тази теория е актуална и до днес - но в леко коригирана форма. Ландау осъзна, че фазовият преход от втори ред е промяна във вътрешната симетрия (или, еквивалентно, степента на вътрешно подреждане) на физическата система. Например, ако феромагнетик се нагрее до температурата на Кюри, атомните магнитни моменти ще загубят предишната си паралелна ориентация - това е фазов преход от втори ред. Ландау предложи да опише такива преходи специално количество, параметър на поръчка (за феромагнетиците това е магнитният момент на единица обем). Според неговата теория във фаза с по-малко подреждане средната стойност на параметъра за поръчка е равна на нула, а в по-подредена фаза е ненулева и с увеличаване на степента на поръчка се увеличава в абсолютна стойност.

Гинзбург и Ландау тълкуват появата на свръхпроводящо състояние при липса на магнитно поле като фазов преход от втори ред. Като параметър на поръчката те въведоха сложна функция, чийто квадратен модул е ​​пропорционален на плътността на носителите на свръхпроводящия ток. При температури над критичната тази плътност е нула, при по-ниски се увеличава и достига максимум при абсолютна нула. Гинзбург и Ландау написаха система от две уравнения, свързващи параметъра на поръчката с плътността на електрическия ток и магнитното поле. Тези уравнения не обясняват причините за свръхпроводимостта, но добре описват поведението на свръхпроводник в близост до критична температура. Моделите на Гинзбург и Ландау разполагат със заряд на свръхпроводящи токови носители, което тази теория не определя. Ландау го смята за равен на заряда на един електрон, Гинзбург се съмнява в това, но засега въпросът остава отворен.

Вихри на Абрикосов

При решаването на уравненията на Гинзбург-Ландау се появяват две величини, които имат размер на дължина. Първият е дълбочината на проникване в Лондон на магнитното поле, докато вторият практически съвпада с корелационната дължина на Пипард. Оказа се, че свойствата на свръхпроводник в значителна степен зависят от параметър, приблизително равен на съотношението на тези стойности при нулева температура. Ако този параметър е по-малък от около 0, 7, свръхпроводникът се държи в магнитно поле като идеален диамагнетик и напълно се подчинява на ефекта на Майснер-Оксенфелд. В противен случай възникват усложнения, чието физическо значение тогава не е разбрано. Въпреки това Гинзбург и Ландау решиха, че такъв режим не трябва да се разглежда, тъй като всъщност този параметър винаги е много по-малък от единство. Вярно е, че по онова време експериментаторите вече са разбрали, че това изобщо не е необходимо, но тази информация все още не е достигнала до Гинзбург и Ландау.

Следващата стъпка беше направена от колегата на Ландау в теоретичния отдел на Института по физически проблеми Алексей Абрикосов. Той показа, че все пак си струва да се обмисли друга опция, тъй като в този случай свръхпроводникът може да намали вътрешната енергия, преминавайки по-дълбоко външно магнитно поле. За това е необходимо силата на полето да надвиши по-ниската критична стойност Hc1, определена от групата на Шубников (виж "PM" № 8'2011). Абрикосов отдели такива свръхпроводници в специално семейство и ги нарече свръхпроводници от втората група (или, както се казва сега, от втория вид). От неговите уравнения следва, че външно магнитно поле прониква във свръхпроводник от втори вид под формата на нишки, които се наричат ​​вихри на Абрикосов. Всеки вихър носи един единствен кван магнитен поток, предсказан от Fritz London. Ядрото на вихъра е тръба с радиус от порядъка на кохерентната дължина, а веществото в него не е в свръхпроводящия, а в нормалното състояние. Тръбата е заобиколена от вихрови токове, протичащи вътре в слой, приблизително дълбочина на проникване в Лондон, които екранират свръхпроводящите зони между вихрите от магнитното поле. В резултат на това възниква смесено състояние (също терминът на Абрикосов), в което свръхпроводникът се прониква чрез включвания на нормалната фаза.

Плътността на вихрите се увеличава с увеличаване на магнитното поле. Ако само леко надвишава Hc1, вихрите се редят далеч един от друг и почти не си взаимодействат. С увеличаване на полето, токовете на съседни вихри се припокриват и между вихрите възникват отблъскващи сили. Поради това вихрите образуват нещо като кристална решетка, която в хомогенните свръхпроводници се състои от триъгълни клетки. С увеличаване на полето клетките се свиват и при достигане на Hc2 нормалните ядра на съседните вихри се сливат помежду си. Насипната свръхпроводимост е унищожена и външно магнитно поле прониква напълно в пробата. Така теорията на Абрикосов обясни експерименталните резултати на харковските физици. А смесеното състояние на свръхпроводник от втори вид често се нарича фаза на Шубников.

Както каза Алексей Абрикосов, който сега работи в САЩ в Националната лаборатория в Аргон, популярен механизъм, Ландау дълго време не признава заключенията му, тъй като появата на вихри не отговаря на теорията на Лондон: „Фактът, че лондонските уравнения губят своята сила в мащаба на междутомните разстояния, не се разбира веднага. " Експериментите потвърждават изводите на Абрикосов едва в средата на 60-те години на миналия век, а през 2003 г. той едновременно получава Нобелова награда заедно с Виталий Гинзбург.

Трибуквна свръхпроводимост

През 1950 г., почти едновременно с появата на моделите Пипард и Гинцбург-Ландау, американските експериментални физици Чарлз Рейнолдс и Бернар Серин и техният сънародник Емануел Максуел откриват, че критичната температура на прехода към свръхпроводящо състояние в изотопи на живак е обратно пропорционална на квадратния корен на атомното тегло. Това директно показва, че свръхпроводимостта възниква с участието на вибрациите на кристалната решетка, чиято честота се подчинява на същата зависимост. Малко преди това Хърбърт Фролих, професор по теоретична физика в университета в Ливърпул, стигна до същото заключение. Моделът на Фролих не обясни ефекта на Майснер-Оксенфелд, но засили подозрението, че свръхпроводящото състояние възниква на кръстовището между атоми и електрони.

В същото време Джон Бардин, един от създателите на транзистора, също се занимаваше със свръхпроводимост. Мислеше за това в предвоенните години и след откриването на изотопния ефект се връща към този проблем. През 1951 г. Бардин сериозно се занимава със свръхпроводимост в Университета на Илинойс. Първият му модел, разработен съвместно с Дейвид Пайнс, не беше много успешен, но все пак взе предвид взаимодействието между електроните и вибрациите на кристалната решетка. През 1955 г. Бардин привлича помощта на блестящите млади теоретици Леон Купър и Робърт Шрифер. Резултатът от сътрудничеството беше изненадващо красив модел, който влезе в историята на физиката като теория на BCS (базирана на първите букви на фамилията).

Започната от Леон Купър. През 1956 г. той теоретично показа, че близо до абсолютната нула проводящите електрони в метал по принцип са способни да образуват двойки, които комбинират частици с еднакъв и противоположно насочен момент. За целта трябва да има привличане между електроните, макар и произволно слаби. Тъй като общата енергия на системата намалява в резултат на сдвояване, това състояние има известна граница на безопасност и само по себе си не се срива.

Но откъде идва гравитацията, когато електроните се отблъскват според закона на Кулом? Както Фрьолих вече беше предположил, кристална решетка, състояща се от положителни йони, може да я създаде. Тъй като движещ се електрон привлича близките йони, те се изместват в неговата посока и създават локален излишък на положителен заряд. Поляризираната част на решетката, от своя страна, може да привлече друг електрон, който ще се придвижи към първия. Разбира се, за това е необходимо решетъчното привличане на електрони да надделява над кулоновото отблъскване. Това обяснява защо най-добрите проводници, като сребро и мед, не се превръщат в свръхпроводници: електроните им на проводимост взаимодействат твърде слабо с йонните решетки.

В теорията на твърдото състояние еластичните вибрации на кристалната решетка са описани като движение на фонони - кванти на звукови вълни. В този смисъл сдвояването на електрони се случва поради обмяната на фонони или, както казват физиците, взаимодействието електрон-фонон. Можем да кажем, че електроните се привличат чрез излъчване и поглъщане на фонони. Именно този механизъм е в основата на теорията на BCS. Оригиналният модел на Купър обаче има по-общ характер, тъй като той показва възможността за сдвояване на електрон под влияние на всяко ефективно привличане, което не се дължи непременно на фононообмена. Подобни алтернативни механизми на свръхпроводимост вероятно съществуват, но тяхната реалност все още не е доказана категорично.

Нормалното електрическо съпротивление възниква поради разсейване на токови носители върху топлинните вибрации на решетката (с други думи, фонони), както и върху примесните атоми и други нееднородности. Ако токът се носи от отделни електрони, съпротивлението не може да бъде нулево, тъй като те се разпръскват при всяка енергия. Друг е въпросът дали двойките на Купър (естествено носещи двоен електронен заряд) действат в това си качество. Сдвоеният електрон може да претърпи разсейване само чрез прекъсване на връзката с партньора. Следователно, за да се унищожи свръхпроводимостта, средната скорост, която получават електроните във външно електрическо поле, трябва да надвишава определена граница, пропорционална на енергията на свързване на електронните двойки. Тази гранична скорост съответства на критичната плътност на тока. Двойните връзки също трябва да се прекъснат при взаимодействие с фонони с достатъчно високи енергии, което се случва, когато температурата се повиши над критичната. Под тази граница, двойките на Купър при срещата с фонони най-често не се счупват, а просто се прехвърлят в нови състояния.

BCS теорията обяснява и ефекта на Майснер. Тъй като сдвоените електрони се движат с противоположния момент, в магнитно поле те са засегнати от сили, насочени в различни посоки и поради това работят за разрушаване на двойката. Ако силата на полето е малка, по-изгодно е свръхпроводник да го избута на повърхността и да държи двойките на Купър в свързано състояние. Въпреки че този тласък изисква енергия, той е повече от компенсиран от спестяванията му, като същевременно поддържа двойки Купър. BCS теорията позволява също така да се разбере физическият смисъл на дължината на кохерентността, което съответства на средното разстояние между сдвоените електрони. Тази дължина е приблизително равна на 10–5 см и следователно е хиляди пъти по-голяма от междутомните разстояния.

През 1957 г. „Физически преглед“ публикува кратко писмо от Бардин, Купър и Шрифер, Микроскопична теория за свръхпроводимост, което скоро е последвано от статия на 20 страници „Теория на свръхпроводимостта“. Тези две творби обясниха защо и как материята се превръща в свръхпроводник. Интересното е, че през същата година в JETP се появява статия на Абрикосов „За магнитните свойства на свръхпроводниците от втора група“.

Спокойно преди бурята

През 1959 г. Лев Горков, колега на Абрикосов, показва, че близо до критичната температура уравненията на Гинзбург-Ландау са следствие от теорията на БКС. И през 1972 г. микроскопичната теория за свръхпроводимост носи на своите автори Нобелова награда.

Тази теория обаче има сериозно ограничение - не позволява да се предсказват свойствата на новите свръхпроводници. Американският физик Бернд Матиас, който откри стотици свръхпроводими материали през 50-те и 70-те години, остроумно отбеляза, че теорията на БКС "обяснява всичко, но не позволява да се намери нищо". Въпреки това няма правила без изключения. През 1962 г. въз основа на теорията на BCS е направена невероятна прогноза, която скоро е потвърдена в експеримента. Всички двойки на Купър се движат като цяло и затова се описват от една вълнова функция. Благодарение на ефекта на квантовото тунелиране, тази функция е в състояние да "изтича" през енергийната бариера. В този случай бариерата може да бъде тънък диелектричен слой, разделящ два свръхпроводника. Първата работна верига със свръхпроводящ тунелен контакт е сглобена от служител на изследователската лаборатория на General Electric Corporation Айвар Джейвър през 1960 година. Истински пробив обаче е постигнат две години по-късно, когато английският физик Брайън Джоузефсън теоретично показа, че свръхпроводящи токове, които притежават уникални свойства на чисто квантов природен тунел чрез изолатор. Джоузефсън (заедно с Джейвър и Лео Есаки) получава Нобеловата награда през 1973 г. за откриване на този ефект. Сега този ефект се използва широко - по-специално той се основава на работата на калмари, свръхчувствителни свръхпроводими магнитометри.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 9, септември 2011 г.).

Препоръчано

Представихме нови процесори за смартфони
2019
Най-малката къща в света
2019
Как сами да си направите мощна електрическа водна помпа
2019