В течении почти 50 лет явление сверхпроводимости было совершенно загадочным и не поддавалось объяснению, несмотря на усилия многих физиков. Только в 1957 г. в работе Д. Бардина, Л. Купера и Д. Шриффера (США) была построена теория сверхпроводимости (ее часто называют теорией БКШ). После создания этой теории стала понятной природа сверхпроводящего состояния.

 

Рис. 2.6. Механизм появления дополнительного межэлектронного взаимодействия

Ясно, что в рамках этой статьи невозможно сколько-нибудь подробно и строго изложить теорию БКШ. Теория эта достаточно сложна. Поэтому здесь мы ограничимся лишь качественным описанием природы явления.
Металл представляет собой сложную систему, состоящую из кристаллической решетки и электронов. Что же происходит с этой системой при понижении температуры? Почему при температурах, меньших некоторого значения (Tk), металл находится в состоянии, при котором ток течет без всякого сопротивления?
Привычно для нас следующее явление: между электронами как частицами с одноименным электрическим зарядом действуют силы взаимного отталкивания. Однако в сверхпроводнике электроны не отталкиваются, а притягиваются друг к другу. В принципе этот факт не является таким уж поразительным и противоречащим законам физики. Дело в том, что два электрона отталкиваются друг от друга, если находятся в пустоте. В среде же сила их взаимодействия равна F = е2/гг2 (е — диэлектрическая проницаемость среди). Если среда такова, что е < 0, то одноименные заряды будут притягиваться.
Кристаллическая решетка и является той средой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.
Каков же механизм возникновения межэлектронного притяжения в металле? Рассмотрим взаимодействие каких-нибудь двух электронов ех и е2 (рис. 2.6). Между ними действует прежде всего прямое кулоновское отталкивание. Но, кроме того, наличие кристаллической решетки приводит к возникновению некоторого дополнительного межэлектронного взаимодействия. Природа этого взаимодействия такова: электрон (например, электрон ех на рис. 2.6), движущийся в металле, электрическими силами деформирует кристаллическую решетку. Иными словами, кулоновское электронное взаимодействие смещает ионы (например, ион I на рис. 2.6) из положения равновесия. Вызванное таким образом смещение ионов отражается ни СОСТОЯНИИ другого электрона e2, поскольку на него теперь действует решетка, несколько изменившая свою периодическую структуру. Следовательно, с помощью кристаллической решетки и возникает дополнительное взаимодействие между электронами. Можно доказать, что оно носит характер притяжения.
Кристаллическая решетка является той промежуточной средой, наличие которой приводит к межэлектронному притяжению.
Наглядно появление сил притяжения можно представить себе следующим образом. В результате деформации решетки электрон оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, притягивающегося к электрону. Величина этого положительного заряда может превышать по величине электронный заряд. Тогда такой электрон вместе с окружающим его «облаком» представляет собой положительно заряженную систему, которая будет притягиваться к другому электрону.
При низких температурах это притяжение у ряда веществ, которые как раз и являются сверхпроводниками, преобладает над кулоновским электронным отталкиванием.
Таким образом, в сверхпроводниках между электронами действуют силы притяжения. Под действием этих сил электронная система превращается в связанный коллектив, подобно тому как, например, протоны и нейтроны в ядре под действием ядерных сил образуют связанную систему — атомное ядро. Чтобы возбудить такую систему, требуется затрата конечной энергии—энергии связи (она обозначается Д).
Электрическое сопротивление металла обусловлено, как известно, взаимодействием движущейся электронной системы с тепловыми колебаниями кристаллической решетки или с примесями. При этом механическая энергия движущихся электронов переходит в тепловую. Однако если электронная система находится в связанном состоянии, то при малой скорости движения электронов (иначе говоря, при слабом токе) рассеяния электронов недостаточно, для того чтобы возбудить электронную систему. Электроны поэтому будут двигаться так, как будто нет никакого рассеяния. Это и означает отсутствие электрического сопротивления, т. е. возникновение эффекта сверхпроводимости.
Если же ток превышает некоторое критическое значение (это зкачение так и называется: критический ток), то свойство сверх-проводимости исчезает.
Эффект сверхпроводимости возникает, таким образом, благодаря притяжению, существующему между электронами. Это притяжение характеризуется определенными закономерностями. Предположим, что нас интересует поведение какого-нибудь электрона, находящегося в сверхпроводнике. Оказывается, что этот электрон неодинаково притягивается ко всем остальным электронам. Он «выбирает» один определенный электрон (в частности, этот «выбранный» электрон будет иметь противоположный импульс), и взаимодействие этой пары будет наиболее сильным. Электронную систему в сверхпроводнике можно себе представить состоящей из связанных пар таких электронов, а возбуждение электронной системы— как разрыв такой пары.
Состояние электронов в металле непрерывно меняется, и поэтому постоянно меняются наборы пар. Можно себе представить, что
электроны в сверхпроводнике собрались на огромный праздничный бал и исполняют танец, во время которого происходит постоянная смена партнеров.
Электронные пары часто называют куперовскими, по имени Л. Купера, впервые доказавшего, что слабое притяжение между электронами приводит к их связанному состоянию.
Что поразительно, так эю размер куперовской пары. Электроны, наиболее сильно притягивающиеся друг к другу, находятся на расстоянии, равном приблизительно 10-4 см. На первый взгляд может показаться, что это маленькая величина, на самом деле она является огромной. Ведь все зависит от того, с чем мы производим сравнение. Описываемые процессы разыгрываются в металле. Расстояние между ближайшими ионами (период кристаллической решетки) составляет величину ?10-8 см. Примерно таким же в металле является и среднее расстояние между электронами. Таким образом, электроны, входящие в связанную куперовскую пару, находятся друг от друга на расстоянии, составляющем около 10 000 периодов кристаллической решетки. Это действительно огромный масштаб. И тем не менее электроны, находящиеся на таком большом расстоянии, наиболее сильно притягиваются друг к другу. Один из них «чувствует» состояние другого и реагирует на его изменение. Это—редчайший в неживой природе пример дальней связи.
Переход в сверхпроводящее состояние наблюдается в тех металлах, в которых межэлектронное притяжение преобладает над прямым кулоновским отталкиванием. В настоящее время, однако, еще неизвестен точный критерий сверхпроводимости, устанавливающий, какой должна быть структура и состав образца для того, чтобы в нем преобладал эффект притяжения. Поэтому теория не может точно предсказать, перейдет или нет данное вещество с понижением температуры в сверхпроводящее состояние. Нахождение этого критерия — одна из сложных и еще не решенных задач теории сверхпроводимости.
Взаимодействие электронов с кристаллической решеткой — один из основных механизмов электрического сопротивления в обычном металле. Замечательно, что именно это взаимодействие при определенных условиях приводит к отсутствию сопротивления, к сверхпроводимости. Поэтому и не кажется странным поведение таких металлов (золота, серебра, меди), о которых мы говорили в начале статьи. Эти металлы являются в обычных условиях прекрасными проводниками тока, однако сверхпроводимость в них не наблюдается. Но ведь хорошая проводимость говорит о малой величине электрического сопротивления и, таким образом, о весьма слабом взаимодействии электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие и не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит перехода в сверхпроводящее состояние.
До сих пор при обсуждении вопроса о природе сверхпроводимости мы пренебрегали тепловым движением электронов, т. е. фактически рассматривали металл при температуре, равной абсолютному нулю. Учет хаотического теплового движения приводит к возбуждению электронной системы, ослаблению межэлектронной связи. При некоторой температуре (это и есть критическая температура Тк) связь окончательно разрушается и металл переходит из сверхпроводящего в обычное, нормальное состояние.

|
Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top