5. Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона

При переходе металла в сверхпроводящее состояние не изменяется структура его кристаллической решетки, не изменяются его механические и оптические (в видимой и инфракрасной области) свойства. Однако при таком переходе, наряду со скачкообразным изменением электрических свойств, качественно меняются его магнитные и тепловые свойства. Таким образом, сверхпроводимость – это макроскопический квантовый эффект.

Явление сверхпроводимости можно объяснить так: между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, ослабляющего экранирующим действием положительных ионов решетки в результате электрон – фононного взаимодействия, возникает слабое взаимное притяжение. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют связанное состояние называемое куперовской парой. Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин такой пары равен 0, и она представляет собой бозон. При сверхнизких температурах бозоны скапливаются в основном состоянии, поэтому система Бозе-частиц может под действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.

Эффект Джозефсона (1963 г.) – протекание сверхпроводимого тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной нм), разделяющего два сверхпроводника. Электроны проводимости проходят сквозь диэлектрик благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает некоторое критическое значение, то падение напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает – возникает падение напряжения, и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект).

Частота излучения связана с падением U на контакте соотношением:

.

Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния избыточную энергию. Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии:

.

Эффект Джозефсона используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до ), токов (до ) и напряжений (до ), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.

Литература

[1], глава VII, § 51 ¸ 52;

Глава VI, § 48  49;

Глава VIII § 55 56.

[2], глава 30, § 234 ¸ 239.

[3], глава 39.

Лекция № 8 Элементы физики твердого тела

1. Понятие о зонной теории твердых тел.

2. Металлы, полупроводники и диэлектрики.

3. Собственная проводимость полупроводников.

4. Примесная проводимость полупроводников.

1. Понятие о зонной теории твердых тел

Зонная теория – это раздел квантовой механики твердых тел, представляющий собой теорию валентного электрона, движущегося в периодическом поле кристаллической решетки.

Р ассмотрим мысленно процесс образования твердого тела из изолированных атомов. Пока атомы изолированы, т.е. находятся на макроскопическом расстоянии друг от друга, они имеют совпадающие схемы электрических уровней.

По мере взаимного сближения атомов до образования кристаллической решетки, т.е. когда расстояние между атомами становится равным межатомному расстоянию в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны. Образуется так называемый зонный энергетический спектр (это происходит вследствие проявления принципа Паули). При больших расстояниях между атомами не происходит расщепление уровней, а при малых расстояниях между атомами уровни расщепляются.

Образование зонного энергетического спектра в кристалле является квантово-механическим эффектом и вытекает из соотношения неопределенности.

Энергетические зоны, значение энергии которых могут принимать электроны в кристалле называются разрешенными зонами.

Разрешенные энергетические уровни разделены зонами запрещенных значений энергии, называются запрещенными зонами.

Распределение зон представлено на рис. 8.2.