Некоторые значения глубины проникновения при 0 к

Элемент	6In	5Al	3Pb
λ0, 10-6см	66,4	55,0	33,9

Таким образом, образцы вблизи их температуры перехода не являются идеальными диамагнетиками. Однако глубина проникновения так быстро падает при понижении температуры ниже Т_с, что наблюдатьсильные отклонения от идеального диамагнетизма в массивных образцах очень трудно, так как очень трудно поддерживать достаточно постоянную температуру во время измерений. Например, чтобы наблюдать глубину проникновения порядка 1 мм, нужно, согласно (2.3), поддерживать температуру образца только на 10^-7% ниже температуры его сверхпроводящего перехода! Более того, нужен образец, настолько чистый и однородный, чтобы переход в сверхпроводящее состояние происходил в температурном интервале, меньшем 10^-7% температуры сверхпроводящего перехода. Экспериментальное соотношение (2.3) было получено при наблюдениях относительно малых изменений глубины проникновения, когда сверхпроводящий металл нагревался до температуры сверхпроводящего перехода. В одном из экспериментов [Schawlow A.L., Devlin G.E., Phys. Rev.,113,120 (1959)] на стержень из чистого сверхпроводника плотно навивался соленоид. Когда температура металла снижалась и он переходил в сверхпроводящее состояние, магнитный поток в металле мог существовать только в тонком слое вблизи поверхности, по толщине равном глубине проникновения. Поскольку соленоид очень плотно обвивал стержень его самоиндукция сильно зависела от глубины проникновения. К концам соленоида подключалась емкость, образуя промежуточный контур осциллятора с частотой около 100 кГц. Когда с изменением глубины проникновения изменялась самоиндукция, в осцилляторе наблюдался частотный сдвиг. Частоту можно было измерять с большой точностью на прецизионном частотомере.

В экспериментах Шавлова и Девлина частотный сдвиг, равный 0,1 Гц, был эквивалентен изменению глубины проникновения в металлическом сердечнике на 4-11 см. Эксперимент требовал очень тщательных измерении, так как паразитные эффекты, не связанные с изменением глубины проникновения, могли вызвать изменение резонансной частоты соленоида и емкости. Температурная зависимость глубины проникновения в олове, найденная в этих экспериментах, изображена на фиг. 15. Очень быстрый рост глубины проникновения при приближении к температуре сверхпроводящего перехода находится в хорошем согласии с (2.3).

Критическое магнитное поле

§ 1 Намагниченность сверхпроводников

Рассмотрим теперь характер изменения намагниченности сверхпроводящего образца, к которому приложено увеличивающееся магнитное поле. Рассмотрим сверхпроводящий стержень, находящийся в магнитном поле, параллельном его длине. На фиг. 23, а показано, как изменяется

Фиг. 23. Магнитные свойства сверхпроводника.

плотность магнитного потока В внутри образца при возрастании напряженности приложенного поля. Нормальные металлы (за исключением ферромагнитных металлов, таких, как железо) фактически немагнитны, и поэтому плотность магнитного потока В внутри них пропорциональна напряженности приложенного поля В = ₀Н_а(пунктирная линия на фиг. 23, а). Сверхпроводник, однако, идеально диамагнитен (если пренебречь глубиной проникновения), поэтому при возрастании магнитного поля плотность потока внутри образца остается равной нулю. Но когда напряженность приложенного поля достигает критического значения Н_с, сверхпроводник переходит в нормальное состояние и магнитный поток внутри сверхпроводника, созданный полем, уже не обращается в нуль. В полях выше критического сверхпроводник ведет себя как нормальный металл. Для чистого образца это свойство обратимо; если магнитное поле понижается, образец вновь переходит в сверхпроводящее состояние при поле Н_с, ниже которого магнитный поток внутри образца равен нулю.

Можно описать магнитные свойства сверхпроводника и другим способом. Мы видели, что внутри металла, находящегося в сверхпроводящем состоянии, магнитный поток равен нулю, так как поверхностные токи, циркулируя, создают в образце намагниченность I, точно равную по величине и противоположную по знаку приложенному полю, так чтоI= - Н_а. На фиг. 23, б показано, как изменяется намагниченность сверхпроводника в магнитном поле. Когда напряженность магнитного поля достигает значения Н_с, сверхпроводник переходит в нормальное состояние и отрицательная намагниченность исчезает. При более высоких полях сверхпроводник, как и другие нормальные металлы, по существу не намагничивается. На фиг. 23 изображены, конечно, две эквивалентные картины, отражающие одни и те же свойства. Нам в дальнейшем понадобятся обе кривые, поскольку иногда удобно рассматривать внутренний магнитный поток, а иногда — намагниченность.

Неидеальный образец

Рассмотренные до сих пор магнитные свойства относились к идеальным образцам, т. е. к образцам, не содержащим примесей или дефектов кристаллической структуры. Любой реальный образец, однако, не является идеальным, и его свойства до некоторой степени будут отличаться от рассмотренных нами. Тем не менее, при очень большой тщательности возможно изготовить образцы, столь близкие к идеальным, что их свойства будут также очень близки к идеальным. Однако чем выше степень всяких неоднородностей, тем больше отклонение свойств образца от идеальных.

Для идеального образца существует строго определяемое значение критического поля, и кривая намагничивания полностью обратима. На фиг. 24 изображена кривая намагничивания неидеального образца. Видно, что уже не существует строго определенного значения критического поля: переход из сверхпроводящего состояния в нормальное «размыт» на некотором интервале поля.

Кроме того, намагниченность теперь необратима; при уменьшении полей кривые не совпадают с исходными кривыми, полученными при увеличении поля. Это явление называется гистерезисом. Наконец, когда приложенное поле уменьшается до нуля, в образце может

Фиг. 24. Магнитные свойства неидеального сверхпроводника.

остаться некоторая положительная намагниченность, выражающаяся в остаточном магнитном потоке с плотностью В_Ти намагниченностиI_Т. Мы говорим, что образец «захватывает поток». В таких условиях сверхпроводник напоминает постоянный магнит.

Итак, мы видим, что неидеальный образец может обладать следующими свойствами:

1) не определяемым четко значением критического магнитного поля;

2) магнитным гистерезисом;

3) захваченным потоком.

Эти три отклонения от свойств идеального образца не обязательно встречаются одновременно. Например, образец может не обладать четко выраженным критическим полем и обнаруживать гистерезис, но не иметь захваченного потока. Дефекты, включающие большое число атомов, так же как частицы других веществ или цепи смещенных атомов (дислокации), приводят к возникновению гистерезиса и захваченного потока, в то время как атомы примесей и неравномерность состава сплава снижают резкость критического поля.

Вопрос о том, почему различные примеси и неоднородности вызывают различные отклонения от идеальных свойств, очень сложен и полностью пока неясен, поэтому мы не будем обсуждать его подробнее. Однако все эти эффекты очень существенны в практическом применении сверхпроводников, и мы снова вернемся к ним в гл. 12⁴.