Квантово-механическая объяснение явления сверхпроводимости

Теория, объясняющая явление сверхпроводимости была разработана в 1957 г. Бардиным, Купером, Шриффером (БКШ — теория). Основная мысль БКШ-теории сверхпроводимости состоит в том, что меж свободными электронами проводимости материала не считая обыденных сил отталкивания (кулоновских) есть силы притяжения, обусловленные поляризацией кристалла, вызванной передвигающимся электроном.

Свободный электрон, двигаясь в кристалле, притягивает положительно заряженные ионы и делает в конечном итоге лишний положительный заряд, который притягивает другие электроны, что приводит к возникновению куперовских пар. Расстояние меж электронами в куперовских парах может в сотки раз превосходить постоянную кристаллической решетки. Все куперовские пары в кристалле находятся в схожем квантовомеханическом состоянии. Явление накапливания таких бозе – частиц с меньшей энергией при низкой температуре именуется конденсацией Бозе – Энштейна либо Бозе – конденсат. При повышении температуры положительно заряженная область размывается и миниатюризируется сила притяжения.

Потому сверхпроводимость проявляется у материалов, имеющих сильное притяжение электронов и ядер атомов (т.е. проводники – нехорошие сверхпроводники). Два электрона куперовской пары с обратно направленными спинами и равными и обратно направленными импульсами благодаря электрон-фононному взаимодействию (другими словами взаимодействию электронов с колебаниями кристаллической решетки) испытывают обоюдное притяжение и образуют связанное состояние с зарядом 2е. Куперовские пары образуются меж далековато расположенными электронами, где кулоновские силы отталкивания малозначительны. При всем этом критичная температура вырастает совместно с дебаевской.

Потому что при связывании в пары энергия электронов меняется, то означает, участвовать в этом могут только те электроны, энергия которых может изменяться. Общая концентрация электронов, образующих пары, составляет от их общего числа. В куперовской паре энергия электрона меняется, что приводит к изменению диапазона материала. Для разрыва куперовской пары требуется квант энергии:

= — (эВ) > kT. (6.2)

Физическая природа сверхпроводимости подобна сверхтекучести (мысль высказана Ландау в 1941 г.). Квантово-механическая теория рассматривает сверхпроводимость как сверхтекучесть электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» о неоднородности кристаллической решетки.

В квантовой теории металлов притяжение меж электронами (обмен фононами) связывается с появлением простых возбуждений кристаллической решётки. Электрон, передвигающийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном средством решётки (электрон-фононное взаимодействие), переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение меж электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение более отлично, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание меж электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл либо сплав) сохраняет обыденные характеристики. При критичной температуре силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потому вещество перебегает в сверхпроводящее состояние.

Важной особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией меж электронами и решеткой малыми порциями, наименьшими чем энергия связи пары электронов. Это значит, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не меняется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение указывает, что при всем этом не происходит рассеяния электрических волн на термических колебаниях решётки либо примесях. Это и значит отсутствие электронного сопротивления.

Для того чтоб повредить состояние сверхпроводимости, нужна издержка определенной энергии. При температуре больше критичной происходит нарушение связанных состояний электрических пар, прекращается притяжение меж электронами и явление сверхпроводимости перестаёт существовать.

В 1986г в швейцарском филиале американской компании IBM (Беднорцем и Мюллером) было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости в глиняном металлооксидном материале (La, Ba, Cu, O), характеризующимся значением критичной температуры равным 30К. После подмены бария на стронций температура возросла до = 40K. В текущее время достигнули значения критичной температуры Т = 181К, но есть сообщения, что одной из японских компаний достигнута критичная температура, превосходящая 273К.

Разъяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости основано на образовании куперовских пар, но не за счет электрон-фононного взаимодействия, а может быть за счет электрон — экситонного взаимодействия. Есть также и другие идеи, объясняющие механизм ВТСП, к примеру, с внедрением понятия резонирующих валентных связей (Андерсен), мысль о том, что перенос энергии осуществляется за счет солитонов (Давыдов, Ермаков) и др.

Когда сверхпроводник попадает в магнитное поле, это поле просачивается в него в виде тонких потоков, именуемых вихрями. Вокруг каждого такового вихря появляются электронные токи. Эти вихри тиражируют себя и рассеиваются, когда температура материала растет. Так как вихри имеют тенденцию прикрепляться к длинноватым узким отверстиям в материале, именуемым призматическими недостатками, исследователи представили, что вихри будут вести себя по другому при наличии таких изъянов. И они узнали: когда вихрей больше чем отверстий, вихри начинают рассеиваться в два шага заместо 1-го, потому что температура увеличивается. Если ученым получится задержать процесс рассеивания вихревых потоков, то будет может быть достигнуть эффекта сверхпроводимости при более больших температурах.