- •Г л а в а 3. Физика твердого тела
- •3.4. Электропроводность твердых тел
- •1. Электропроводность металлов
- •2.Электропроводность полупроводников
- •3. Собственная проводимость полупроводников
- •4.Примесная проводимость полупроводников
- •5.Эффект Холла в металлах и полупроводниках
- •2.Контакт металл- полупроводник
- •3.5 Контактные явления в твердых телах.
- •1. Контакт двух металлов.
- •3.6 Магнитные свойства твердых тел.
- •Магнитные свойства атомов
- •Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
- •3.7 Сильномагнитные свойства твёрдых тел
- •Примеры решения задач.
- •3.8 Сверхпроводимость
- •Список литературы
3.8 Сверхпроводимость
Основные экспериментальные факты
Сверхпроводимость
Камерлинг-Оннесом была открыта в 1911г.
Он обнаружил удивительное явление: с
понижением температуры T
сопротивление металла вначале падало
по известному закону
,
а затем
ниже температуры Тс
вдруг резко обратилось в нуль:
.
Камерлинг-Оннес назвал это явление
сверхпроводимостью,
а температуру ниже которой оно наступало
- критической
температурой Тс
(см. рис. 32).

Кроме
идеальной
проводимости
сверхпроводники
обладают еще и
идеальным диамагнетизмом
– способностью выталкивать магнитное
из толщи материала. Это явление носит
название эффекта Мейснера-Оксенфельда
(см. рис. 33). Поместим шар из сверхпроводящего
материала в постоянное магнитное поле.
Силовые линии пронизывают образец при
Т > Tc.
Если охладить образец ниже Tc
,то
силовые линии магнитного поля выталкиваются
разом из образца В = 0:
, (3.96)

где
-
напряженность магнитного поля,
- магнитная проницаемость среды
.
Из условия B =
0, а H ≠ 0
сразу следует, что = 0
и = -1
–сверхдиамагнетизм!
В
поле
,
превышающем
критическое
магнитное поле
с
силовые линии разом пронизывает образец
и сверхпроводящее состояние разрушается,
несмотря на то, что Т < Tc.
Величина
с
зависит от температуры; эта зависимость
с(T)
приведена ниже на рис. 34. Заштрихованная
область S
отвечает сверхпроводящему состоянию,
а незаштрихованная – обычному нормальному
состоянию металла N.

Из
тепловых свойств отметим также резкий
скачок электронной теплоемкости в точке
Tc
с последующим экспоненциальным спадом
до нуля. Все эти яркие аномалии в тепловых,
электрических и магнитных свойствах
еще не давали ключа к разгадке феномена
сверхпроводимости. Такой ключ появился
в 1950 г. с открытием изотопического
эффекта. Оказалось, что критическая
температура сверхпроводников обратно
пропорциональна корню квадратному из
массы ионов решетки
.
Это означало, что сверхпроводимость,
обязанная подсистеме электронов
проводимости, связана еще и с колебаниями
решетки, дебаевская частота которых
.
Теория сверхпроводимости
Теория
сверхпроводимости, блестяще описавшая
все уникальные свойства сверхпроводников,
была создана в 1957 г. Бардином-Купером-Шриффером
(БКШ). Они показали, что ниже Tc
электроны из изоэнергетических состояний
,
благодаря притяжению через поле фононов,
объединяются в пары
БКШ. Согласно
теории БКШ энергия связи такой пары при
T = 0
K
равна
![]()
.
(3.97)
В результате в энергетическом спектре неспаренных электронов на уровне Ферми появляется щель шириной 2Δ (рис. 35), а спаренные электроны,

являющиеся уже бозонами, конденсируются на свой особый уровень пар на нижнем краю этой щели. В результате образования связанных пар электронов и
такой перестройки спектра выигрыш в энергии составляет 2Δ в расчете на пару. Разрыв пар энергетически невыгоден системе, поэтому пары переносят ток без сопротивления - не рассеиваясь на дефектах. Только, когда энергия, сообщаемая током, превысит 2Δ – пары разрушатся и металл перейдет в нормальное резистивное состояние. Плотность такого тока jc называется критической.
С
повышением температуры в кристалле
появляются фононы, способные разрушать
пары и переводить электроны в нормальное
состояние. Нормальные электроны,
взаимодействуя с парами, нарушают их
импульсную упорядоченность и уменьшают
ширину энергетической щели (рис.36).При
критической температуре
энергетическая щель сужается до нуля
и сверхпроводящее состояние разрушается.
Теория БКШ дает следующее выражение
для
:
, (3.98)
где
– температура
Дебая для материала проводника,
– плотность
состояний на уровне Ферми,
– энергия
взаимодействия электронов в парах.

Наложение
внешнего магнитного поля, закручивает
электроны пары в противоположные
стороны, нарушает их изоэнергетичность
и стремится разорвать пары БКШ. Поскольку
это энергетически невыгодно подсистеме
связанных пар, они создают свой
незатухающий сверхпроводящий ток такого
направления и величины, чтобы полностью
скомпенсировать внешнее поле. В этом
суть объяснения эффекта Мейсснера-Оксенфельда.
Только, когда энергия, сообщаемая
критическим полем
каждой паре превысит 2Δ сверхпроводник
перейдет в нормальное состояние.
Существование
щели в спектре электронов проще всего
следует из экспериментов по поглощению
электромагнитного излучения на частотах,
больших
.
Это говорит о том, что энергетическая
щель должна быть порядка
эВ
(это соответствует температуре около
1 К).
Распределение магнитной индукции B с учетом выталкивания поля из сверхпроводника хорошо описывается уравнением Лондонов:
(3.99)
Примеры решения задач.
Задача 1.
Пользуясь экспериментальным фактом
выталкивания магнитного поля Н<Нс
из толщи сверхпроводника, найти магнитную
проницаемость, восприимчивость и
намагниченность сверхпроводника.
Изобразить графически зависимость
для сверхпроводника 1-го рода. Рассмотреть
.
Решение.
В соответствие с эффектом Мейснера-Оксенфельда магнитное поле внутри сверхпроводника равно нулю В = 0. Из уравнения
![]()
следует,
что =0.
Так как
,
следовательно:
.

Поэтому:
.
На
рисунке приведена зависимость
намагниченности от величины напряженности
магнитного поля
для сверхпроводника 1-го рода.
Ответ:
.
Задача 2. Критическая температура сверхпроводящего перехода олова при Н=0, Тсо=3,7 К, а критическое поле при Т=0; Нсо=2,4 104 А/м. Найти величину критического тока, протекающего в оловянной проволоке диаметром 0,1м при 2К.
Решение
При
протекании тока по сверхпроводнику
вокруг него возникает магнитное поле
напряженностью
.
Пока ток не достиг критического значения
сверхпроводящее состояние осуществляется,
при достижении током критического
значения напряженность магнитного поля
Н>Нс
и сверхпроводящее состояние разрушается.
Зависимость Нс
от Т
имеет вид:

H определим из формулы для напряженности магнитного поля кругового тока в центре:
,
где Ic – критическая сила тока, d – диаметр проволоки.
.
Расчет дает значение Ic=5,4∙103 A.
Задачи для самостоятельного решения
-
Пользуясь уравнением Лондонов решить задачу о проникновении магнитного поля в пластинку толщиной 2 d (полубесконечный сверхпроводник). Найти величину магнитной индукции в центре пластины, если индукция внешнего поля B0 = 0,05 Тл, глубина проникновения =100 Å, а толщина пластинки 2d=200 Å.
-
Известно, что для массивного образца сверхпроводника первого рода критическое поле равно 6,28 А/м. Найдено, что для пленки толщиной в
критическое поле равно 6,908 А/м. Какой
будет разница критического поля для
образца толщиной
?
Предположить, что проникновение поля
в сверхпроводник задается лондоновской
теорией, и глубина проникновения не
зависит от магнитного поля; эффектами
размагничивания пренебречь. -
Критическая температура сверхпроводящего перехода олова при Н=0, Тсо=3,7 К, а критическое поле при Т=0; Нсо=2,4 104 А/м. Найти максимальный диаметр оловянной проволоки, если величина критического тока при 2К составляет 100 А.
-
Уравнение Лондонов может быть записано в виде
,
где
–
лондоновская глубина проникновения.
Показать, что внутри сверхпроводящей
пластины толщиной
поле
определяется выражением:
,
где
–
поле вне пластины, начало отсчета
координаты
взято в центре пластины, ось
перпендикулярна к ее плоскости.
Предполагается, что поле
параллельно поверхности пластины.
Таблица 1. Физические параметры полупроводников (T = 300 K)
|
П п/п |
Si |
GaAs |
GeSb |
Ge |
In |
InSb |
|
Ширина запрещенной зоны Eg,эВ |
1,11 |
1,43 |
0,8 |
0,66 |
0,43 |
0,22 |
|
Эффективная
масса
|
1,08 |
0,068 |
0,047 |
0,56 |
0,083 |
0,013 |
|
Эффективная
масса
|
0,059 |
0,5 |
0,83 |
0,37 |
2,41 |
2,4 |
|
Подвижность un, м2/Вс |
0,15 |
0,75 |
0,4 |
0,39 |
3,3 |
7,8 |
|
Подвижность up, м2/Вс |
0,06 |
0,04 |
0,15 |
0,19 |
0,046 |
0,075 |
Таблица 2. Энергия активации примесей в электронвольтах
|
п/п |
Примеси |
||||||
|
B |
Al |
Ga |
Sn |
P |
As |
Sb |
|
|
Si |
0,045 |
0,057 |
0,065 |
0,16 |
0,04 |
0,049 |
0,039 |
|
Ge |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
0,011 |
0,012 |
0,012 |
0,0096 |

араметры