proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2022 год
  Агентство  ПРоАтом. 25 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[14/12/2005]     Разработки в области сверхпроводников и сверхтекучести

В.Э.Гасумянц, д.ф.-м.н., проф. СПбГПУ

Нобелевская премия по физике 2003 г. присуждена трем ученым: А.А.Абрикосову, В.Л.Гинзбургу и Э.Леггетту за их вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей.

Как развивалось это направление в физике? Нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, организатор и первый директор криогенной лаборатории в Лейдене (1894 г.), первым достиг температур, близких к абсолютному нулю, и получил (1908 г.) жидкий гелий (при –268,930С). В 1911 г. он же открыл явление сверхпроводимости (СП), обнаружив, что при достаточно низких температурах сопротивление металлической ртути становится равным нулю. Как оказалось впоследствии, это не единственное уникальное свойство сверхпроводников.

Через 22 года немецкими физиками В.Ф.Мейснером и Р.Оксенфельдом было обнаружено явление идеального диамагнетизма – вытеснение магнитного поля из металлического проводника при переходе его в сверхпроводящее состояние.

Первая Нобелевская премия по физике за обнаружение явления сверхпроводимости была присуждена в 1913 г. Х. Камерлингу-Оннесу. В 1962 г. за феноменологическую теорию сверхпроводимости в жидком He Нобелевскую премию получил Лев Давидович Ландау. В 1972 г. – Дж.Бардин, Л.Куппер, Дж.Шриффер – за микроскопическую теорию сверхпроводимости, которой физики пользуются до сих пор. В 1973 г. нобелевскими лауреатами стали Б.Джозефсон, А.Джайевер и Л.Эсак за открытие т.н. слабой сверхпроводимости, названной эффектом Джозефсона: протекание сверхпроводящего тока через тонкий (порядка 10 Ангстрем) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника.

В 1978 г. за работы в области сверхтекучести Нобелевская премия была присуждена Петру Леонидовичу Капице. Исследования Э.Леггетта являются продолжением его работ.

В 1987 г. нобелевскими лауреатами стали И.Г.Беднорц и К.А.Мюллер за открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) на одном из оксидных материалов. В 1996 г. за экспериментальное обнаружение сверхтекучести в 3He премия присуждена…

Работы Виталия Лазаревича Гинзбурга (1916 г. рожд., оконч. МГУ в 1938 г.) относятся к наиболее ранним этапам развития физики сверхпроводимости. В 40-х гг. XX столетия совместно с Л.Д.Ландау им была разработана теория СП, получившая название теории Гинзбурга-Ландау, которую сам Виталий Лазаревич называет пси-теорией СП. Она основана на представлении сверхпроводящего конденсата с помощью волновой функции. Эта работа базировалась на теории братьев Лондонов, выполненной чуть раньше, где было введено понятие глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник («лондоновская глубина проникновения») и показано, что начиная от температур сверхпроводящего перехода глубина проникновения магнитного поля в СП довольно быстро уменьшается. И при достаточно низких температурах это значение составляет несколько сотен ангстрем для типичных материалов (сверхпроводников I рода).

Теория Гинзбурга-Ландау основывалась на теории фазовых переходов II рода, разработанной в 1937 г. Л.Д.Ландау, и содержала основные методы описания такого фазового перехода. Основная идея теории Гинзбурга-Ландау – существенно более упорядоченное состояние сверхпроводника при низких температурах по сравнению с нормальным состоянием при температурах выше СП-перехода.

Для характеристики степени упорядоченности СП-состояния был введен параметр порядка, а также учет квантовых эффектов, а именно волновой функции, которая описывает поведение электронов в твердом теле. Предполагалось, что в ситуации сверхпроводимости устанавливается когерентное состояние, когда электроны неотличимы друг от друга. Это позволило для волновой функции электрона решить задачу зависимости от одной из координат. На основе объединения параметров порядка (длины когерентности) и волновой функции было описано состояние сверхпроводимости.

С помощью теории Гинзбурга-Ландау для известных тогда сверхпроводников I рода, к которым относятся почти все простые металлы и ряд металлических соединений, была получена картина изменения параметров – глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник со стороны металла и волновой функции, убывающей в сторону от металла. С помощью названных параметров удалось описать все свойства реальных сверхпроводников, известных в 40-е гг. Был введен также параметр Гинзбурга-Ландау, представлявший собой отношение этих двух величин, характеризующих свойства СП-состояния. Параметр Гинзбурга-Ландау явился основой работы А.А.Абрикосова, за которую он получил Нобелевскую премию 2003 г.

Данная теория может применяться не только для описания сверхпроводимости, но и для сверхтекучих жидкостей, над которыми работал Энтони Леггертт.

Однако ряд проблем этой теорией не решался. Теория Гинзбурга-Ландау описывала свойства материала не при всех температурах, поскольку основывалась на представлении о фазовом переходе. Во-вторых, будучи феноменологической теорией она не могла объяснить механизм явления сверхпроводимости, в результате чего не удалось установить величину заряда и массы e*, m*. С появлением микроскопической теории сверхпроводимости было показано, что в СП-состоянии существуют пары электронов и соответственно е*=2е, а m*=2me. Кроме того, теория Гинзбурга-Ландау разрабатывалась на проводниках I рода, для которых значение параметра Гинзбурга-Ландау достаточно мало, т.е. меньше его критического значения, равного

В работах Алексея Алексеевича Абрикосова (1928 г. рожд.; оконч. МГУ в 1948 г.; в 1991 г. уехал в США, работает в Аргоннской национ. лаборатории) представления, разработанные Гинзбургом-Ландау, получили дальнейшее развитие. Вскоре после появления теории Гинзбурга-Ландау было обнаружено, что в ряде материалов зависимость критического магнитного поля (при котором разрушается СП-состояние) от температуры и толщины пленки (к которой это поле прикладывается), не подчиняется закону, выведенному в рамках теории Гинзбурга-Ландау. Кроме того, в ней не рассматривался случай больших значений параметра Гинзбурга-Ландау.

К моменту начала работ А.А.Абрикосова было обнаружено, что в ряде материалов эффект сверхпроводимости наблюдался при достаточно больших магнитных полях, существенно больших, чем те, которые подавляют СП-эффект в обычных металлах – сверхпроводниках I рода.

В отличие от обычных металлов, где критическое магнитное поле составляло доли килоэрстед, в биметаллических сплавах Нкр превосходило эти величины на 2-3 порядка. Необходимы были новые идеи, которые бы позволили описать сверхпроводящее состояние с учетом обнаруженных явлений.

Теория Абрикосова базировалась на необходимости рассмотрения свойства границы между нормальным металлом и сверхпроводником в случае достаточно большого значения параметра Гинзбурга-Ландау.

В отличие от феноменологической теории Гинзбурга-Ландау Абрикосов ввел в свою теорию микроскопическое описание, а также обобщенное выражение для волновой функции, содержавшей не только действительную, но и комплексную часть, которая является фазоволновой функцией. А.А. Абрикосов попытался определить, каким образом магнитное поле проникает в сверхпроводник с такими значениями параметра Гинзбурга-Ландау и какова геометрия проникновения этого магнитного поля. В результате проведенных расчетов были получены выражения для магнитных полей, характеризующих свойства сверхпроводников II рода. В отличие от одного значения критического поля Нкр в сверхпроводниках I рода в сверхпроводниках II рода имеют место два значения критического поля – верхнее и нижнее. И система ведет себя следующим образом. При температуре ниже Тк – температуры перехода до значения нижнего критического поля магнитное поле не проникает в сверхпроводник. По мере роста прикладываемого магнитного поля оно начинает частично проникать в сверхпроводник. Это происходит до значения верхнего критического поля, при котором состояние сверхпроводимости разрушается. Эта величина значительно превосходит критическое магнитное поле, характерное для сверхпроводников I рода.

Понятие сверхпроводников II группы или, как теперь принято называть, II рода, А.А. Абрикосов ввел в 1950 г. Эти сверхпроводники характеризуются наличием т.н. смешанного состояния (или шубниковской фазы), в котором внутри сверхпроводника имеется частично проникшее в него магнитное поле.

Абрикосову удалось теоретически рассчитать картину проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Оказалось, что оно проникает в сверхпроводник в виде одиночных квантовых вихрей, получивших название «вихри Абрикосова». Каждый из них несет 1 квант магнитного потока – чисто дискретную величину. Внутри вихря имеется нормальная сердцевина, в которую проникает магнитное поле. А вокруг вращается незатухающий сверхпроводящий ток, обеспечивающий стабилизацию этого вихря. Вихри располагаются достаточно упорядоченно, в основном, в виде треугольной решетки. Иногда, в зависимости от свойств материала, реализуется прямоугольная решетка.

Именно эти области и определяют, как материал реагирует на магнитное поле. С ростом прикладываемого магнитного поля размеры вихрей начинают увеличиваться. При достижении значения верхнего критического поля нормальные области соседних вихрей соединяются друг с другом, сверхпроводящих областей не остается и материал переходит в нормальное состояние.

Данная работа была выполнена в 1952 г. и затем в течение 5 лет «лежала в столе», т.к. Л.Д.Ландау – учитель А.А.Абрикосова не был согласен с такой трактовкой сверхпроводящего состояния. И только после публикации микроскопической теории сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффена, в 1957 г. эта работа Абрикосова увидела свет. Чисто теоретическое исследование позволило Абрикосову задолго до экспериментального обнаружения предсказать целый ряд явлений, характерных для сверхпроводящих материалов.

В 1967 г. двумя физиками-экспериментаторами была получена картина с темными областями – местами проникновения магнитного поля и светлыми зонами, остающимися сверхпроводящими. Та самая упорядоченная треугольная решетка вихрей Абрикосова. После разработки новых методов исследования микроструктуры поверхностей эта картина была многократно повторена другими экспериментаторами. Схематическая картина вихрей Абрикосова была подтверждена и в ходе магнитооптических измерений с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

В 1957 г., когда была опубликована работа Абрикосова, сверхпроводники II рода относились к разряду экзотических материалов. За прошедшие годы было открыто множество новых соединений: органические сверхпроводники, т.н. тяжелофермионные системы, высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены, относящиеся к сверхпроводникам II рода, в которых реализуется состояние, предсказанное в работах Абрикосова.

Сегодня к экзотическим скорее можно отнести сверхпроводники I рода, тогда как основное практическое применение и научные изыскания относятся к сверхпроводникам II рода.

Работа Абрикосова и Гинзбурга-Ландау получила дальнейшее развитие в работах советского физика Льва Петровича Горькова. На основе математического аппарата функции Грина он разработал микроскопическое описание теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффена. В советской науке эти разработки рассматриваются как единая обобщающая теория сверхпроводимости ГЛАГ: Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова. Но Лев Петрович Горьков почему-то был исключен из списка номинантов на Нобелевскую премию 2003 г., хотя еще в 1966 г. всем авторам теории ГЛАГ была присуждена Ленинская премия.

Работа Энтони Леггетта стоит немного в стороне от работ Гинзбурга, Абрикосова, хотя свойства сверхтекучести жидкости во многом совпадает со свойствами сверхпроводимости. И в случае сверхпроводящего состояния в сверхпроводниках, и в случае сверхтекучего состояния в гелии переносчиками тока в СП или потока жидкости в СТ-веществах являются бозоны (частицы с целым спином), подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна, а не Ферми-Дирака для обычных электронов. Бозоны обладают уникальными свойствами. В отличие от фермионов в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Это и приводит к возникновению таких экзотических явлений как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Работа Леггетта базировалась на известных свойствах сверхтекучих жидкостей и начиналась с разработок Камерлинга-Оннеса, который ввел термин сверхтекучесть (резкое изменение свойства He при достаточно низких температурах). Для 4He – основного изотопа Не эта температура составляла 2,17К. Зависимость теплоемкости свидетельствует о наличии фазового перехода II рода в таком веществе.

Важным моментом является открытие в 1972 г. сверхтекучего состояния в другом изотопе гелия – 3Не. Для того, чтобы обнаружить это явление потребовались сверхнизкие температуры. Оказалось, что 3Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре 0,003К. Сверхтекучесть 3Не очень похожа на состояние сверхпроводимости.

Если СП-состояние реализуется парами электронов, имеющих противоположно направленные спины, то в 3Не такими парами являются пары атомов, представляющих собой фермионы. Объединение такой пары приводит к возникновению бозона с целочисленным спином, который может конденсироваться на одном энергетическом уровне.

Работа Леггетта (чисто теоретическая) потребовала сложного математического аппарата в связи с тем, что в отличие от электронов со спинами, атомы Не имеют магнитный момент. Сверхтекучий 3Не может быть отнесен к анизотропным жидкостям, т.к. его свойства сильно зависят от направления, особенно при приложении магнитного поля. Параметр, характеризующий упорядоченное состояние такой жидкости, является тензором III ранга с 18 независимыми компонентами. Пришлось проделать длительные математические вычисления для того, чтобы показать, каким образом реализуется сверхтекучее состояние в 3Не. Основная заслуга Леггетта заключается в том, что он сделал правильное предположение о причине сверхтекучести 3Не, а именно одновременном изменении ориентации спина атомов 3Не и орбитального момента этих атомов. В случае упорядочения только спинов реализуется состояние ферромагнитной жидкости. При упорядочении орбитальных моментов реализуется состояние жидкого кристалла. В 3Не оказалось возможным возникновение двух фазовых состояний. В случае выстраивания в одном направлении спинов и орбитальных моментов всех атомов реализуется одна фаза. При сохранении угла между спинами и орбитальными моментами реализуется другая фаза.

По сравнению с обычным сверхтекучим 4Не свойства сверхтекучего 3Не, в частности, фазы А, отличаются очень большой экзотикой. Структура вихрей, проникающих в жидкость, очень похожа на структуру вихрей Абрикосова для твердых сверхпроводников II рода. В сверхтекучей жидкости 3Не вихри проникают не отдельными вихрями. И решетка имеет достаточно сложную закрученную конфигурацию в случае вращения дьюара с гелием вокруг своей оси.

В формулировке Нобелевского комитета пионерской частью работы Леггетта являются разработанный математический аппарат и полученные на базе исследования 3Не предсказания, которые могут быть использованы для описания комплексных фазовых переходов в системах с несколькими параметрами.

Эти результаты применимы также для описания жидких кристаллов, физики элементарных частиц, космологии. Предполагается, что состояние изменения симметрии во многом совпадает с космическими процессами, имевшими место на начальном этапе образования Вселенной.

Хотя уже 6-7 групп ученых получили Нобелевские премии за разработки в области сверхпроводимости-сверхтекучести, вопрос далеко не закрыт. В этом направлении можно ожидать массу новых открытий.

Наиболее актуальным на сегодня является создание теории высокотемпературной сверхпроводимости, открытой 17 лет назад. Несмотря на высокие темпы освоения явления ВТСП на практике, механизм его до сих пор не ясен. Глобальной идеей человечества является получение сверхпроводников с нулевым сопротивлением току при комнатной температуре. Впервые эта идея была высказана В.Л.Гинзбургом еще в 60-х гг. в книге «О явлении высокотемпературной сверхпроводимости», задолго до открытия ВТСП.

В нобелевской лекции Виталий Лазаревич подчеркнул, что он надеется на создание сверхпроводников вблизи комнатных температур уже в ближайшие годы.

В середине 80-х гг. были получены сверхпроводники с Ткр=23К для соединения Nb3Ge. Через 6 лет после открытия Беднорцем и Мюллером состава LaBaCuO – российскими учеными в МГУ был найден состав на основе ртути с Ткр=135К. Это же соединение под давлением в 230атм переходит в сверхпроводящее состояние при Ткр=163К. Тенденция к росту Ткр сохраняется.

Уже в новом 2004 году на Интернет-сайте «Physic-web» появилось сообщение американских ученых о получении нового состояния вещества – фермионного конденсата, по своим свойствам очень похожего на сверхпроводники. По утверждению авторов, их исследование поможет понять природу сверхпроводимости и сверхтекучести и создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Журнал «МОСТ» № 58, 2004 г.  

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомная наука
· Новость от PRoAtom


Самая читаемая статья: Атомная наука:
Сомнений не осталось, LENR существует

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 4.75
Ответов: 4


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Разработки в области сверхпроводников и сверхтекучести (Всего: 0)
от Гость на 15/01/2009
Уральские ученые (УГТУ-УПИ) разработали теорию комнатнотемпературной сверхпроводимости, устанавливающую свойства сверхпроводимости при комнатной температуре на основе новой квантовой частицы- мультиэлектрона. Теория прошла экспериментальную проверку (ФГУП НИИЭТ г. Воронеж), где В.Л.Деруновым впервые создан комнатный мультиэлектронный сверхпроводник. За рубежом комнатнотемпературный сверхпроводник разработал Л.Григоров(США).


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.09 секунды
Рейтинг@Mail.ru