| 8406202 9216 1210 912 1янная, с - скорость света. В 1961 Р. Долл и М. Небауэр и, независимо, Б. Дивер и У. Фейрбенк (США) обнаружили этот эффект. Оказалось, что е* = 2е, где е - заряд электрона. Явление квантования магнитного потока имеет место и в случае упомянутого выше состояния сверхпроводника 2-го рода в магнитном поле, большем, чем Нк1 Образующиеся здесь нити нормальной фазы несут квант потока Фо. Найденная в опытах величина заряда частиц, создающих своим движением сверхпроводящий ток (е* = 2е), подтверждает Купера эффект, на основе к-рого в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер (США) и Н. Н. Боголюбов (СССР) построили последовательную микроскопич. теорию С. Согласно Куперу, два электрона с противоположными спинами при определённых условиях могут образовывать связанное состояние (куперовскую пару). Заряд такой пары равен 2 е. Пары обладают нулевым значением спина и подчиняются Базе - Эйнштейна статистике. Образуясь при переходе металла в сверхпроводящее состояние, пары испытывают т. н. бозе-конденсацию (см. Квантовая жидкость), и поэтому система куперов-ских пар обладает свойством сверхтекучести. Т. о., С. представляет собой сверхтекучесть электронной жидкости. При Т = 0 связаны в пары все электроны проводимости. Энергия связи электронов в паре весьма мала: она равна примерно 3,5 kTK, где k - Больцмана постоянная. При разрыве пары, происходящем, напр., при поглощении кванта электромагнитного поля или кванта звука (фонона), в системе возникают возбуждения. При отличной от нуля темп-ре имеется определённая равновесная концентрация возбуждений, она возрастает с темп-рой, а концентрация пар соответственно уменьшается. Энергия связи пары определяет т. н. щель в энергетич. спектре возбуждений, т. е. минимальную энергию, необходимую для создания отдельного возбуждения. Природа сил притяжения между электронами, приводящих к образованию пар, вообще говоря, может быть различной, хотя у всех известных сверхпроводников эти силы определяются взаимодействием электронов с фононами. Тем не менее развитие теории С. стимулировало интенсивные теоретич. поиски др. механизмов С. В этом плане особое внимание уделяется т. н. нитевидным (одномерным) и слоистым (двумерным) структурам, обладающим достаточно большой проводимостью, в к-рых имеются основания ожидать более интенсивного притяжения между электронами, чем в обычных сверхпроводниках, а следовательно,-и более высокой темп-ры перехода в сверхпроводящее состояние.
Явления, родственные С., по-видимому, могут иметь место и в нек-рых космич. объектах, напр. в нейтронных звёздах.
Практическое применение сверхпроводимости интенсивно расширяется. Наряду с магнитами сверхпроводящими, сверх-проводящими магнитометрами существует ряд др. технич. устройств и измерит. приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников (см. Криоэлектроника). Построены сверхпро-водящие резонаторы, обладающие рекордно высокой (до 10'°) добротностью, сверх-проводящие элементы для ЭВМ, перспективно применение сверхпроводников в крупных электрич. машинах и т. д.
Лит.: Де Жен П., Сверхпроводимость металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Сверхпроводимость. Сб. ст., М., 1967; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1965, с. 475-82.
Г. М. Элиашберг.
СВЕРХПРОВОДНИКИ, вещества, у к-рых при охлаждении ниже определённой критич. темп-ры Тк электрич. сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Си, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлич. элементов является С. (см. Металлы). Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также неск. сот металлич. сплавов и соединений и нек-рые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в к-рых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Тк почти для всех известных С. лежат в диапазоне темп-р существования жидкого водорода и жидкого гелия (темп-pa кипения водородаТкип = 20,4 К).
Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поля Нк, выше к-рого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом темп-ры значение Нк монотонно падает и обращается в нуль при Т >= Тк. Макс, значение Нк = Но, определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.
Самой высокой из известных (1974) Тк обладает соединение Nb3Ge, приготовленное по спец. технологии.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, совр. теория не даёт возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирич. закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Ткнаблюдается у сплавов с числом z валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого г предпочтительней свой тип кристаллич. решётки. Кроме того, Тк растёт с увеличением объёма и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для к-рых проникновение магнитного поля Н в сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрич. сопротивления при Н >=Нк; С. 2-го рода, для к-рых проникновение продольного магнитного поля в аналогич. условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критич. поле Нк1, при к-ром начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критич. поле Нк2, при к-ром магнитное поле полностью проникает в объём С., а электрич. сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Нк2.) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и нек-рые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Тк, таких как V3Ga, Nb3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.
Температура перехода в сверхпроводящее состояние и критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов
и соединений
Вещество
Критич. темп-ра Тк, К
Критич. поле Но, э
Сверхпроводники
1-го
рода
Свинец
7,2
800
Тантал
4,5
830
Олово
3,7
310
Алюминий
1,2
100
Цинк
0,88
53
Вольфрам
0,01
1,0
Сверхроводники
2-го рода
Ниобий
9,25
4000
Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr)
9,7
~100000
Сплав NiTi
9,8
~100000
V3Ga
14,5
~350000
Nb3Sn
18,0
~250000
(Nb3Al)4Nb3Ge
20,0
-
Nb3Ge
23
-
GeTe*
0,17
130
SrTiO3*'
0,2-0,4
"300
Pb1,oMo5,1S6
"15
"600000
* Выше Тк эти соединения - полупроводники. 1 э= 79,6 а/м.
Среди С. 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), к-рые возникают благодаря спец. технологии изготовления. В жёстких С. движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрич. токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля.
Следует отметить, что в идеальном С., полностью лишённом дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длит. отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Нк1. Нижнее критич. поле HK1обычно во много раз меньше НК2. П |
