О сверхпроводимостиО сверхпроводимости

История в картинках

ПланПлан

Вчера (1950-е – 1985) Теория Гинзбурга-Ландау. Изотоп-эффект. Вихри Абрикосова. Теория БКШ. Эффекты Джозефсона.

Сегодня (1986 – ????) Открытие ВТСП. Рекорды Tc.

Завтра (~2011) Комнатная сверхпроводимость. Применение сверхпроводимости. Nuts.

Позавчера (1911 – 1940-е) Открытие сверхпроводимости. Эффект Мейсснера. Модель Гортера-Казимира. Уравнения Лондонов.

1911 г. Открытие Хейке Камерлинг-Оннесом (нидерландский физик, сотрудник Лейденского университета) сверхпроводимости ртути Hg при Tc=4,2К положило начало одному из самых

увлекательных разделов современной физики и серии нобелевских премий за исследования в этой области. Интересно, что непосредственное измерение электросопротивления ртути проводил Гиллес Холст (квалифицированный физик, в дальнейшем профессор Лейденского университета), который и наблюдал первым падение сопротивления до нуля.

Kamerlingh Onnes H. Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden 124C (1911); Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden 119A (1911); Proc. R. Acad. Amsterdam 13 1093 (1911)

1913 г. За исследования свойств тел при низких температурах и получение жидкого гелия Камерлинг-Онессу была присуждена Нобелевская премия.

1914 г. Вскоре после открытия сверхпроводимости было обнаружено, что сверхпроводимость можно разрушить не только нагреванием образца, но и помещением его в сравнительно слабое (с индукцией, самое большее сотые доли Тесла) магнитное поле. Это поле назвали критическим полем Нс.

Зависимость Нс от температуры хорошо описывается эмпирической формулой:

Сверхпроводимость может быть разрушена также током, протекающим по сверхпроводнику, значение которого создает на поверхности сверхпроводника магнитное поле, равное критическому. Значение этого тока называется критическим током Ic.

Это явление носит название «правило Сильсби» по имени американского ученого, выдвинувшего данное предположение еще в 1916 г.

2

0 1 /c cH T H T T

1933 г. Немецкие физики Вальтер Мейсснер (слева) и Роберт Оксенфельд экспериментально установили, что независимо от того, как происходит охлаждение сверхпроводящего образца – в магнитном поле или при его отсутствии – магнитное поле в глубь сверхпроводника не проникает. Этот факт означает, что сверхпроводник в постоянном магнитном поле самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при

котором магнитная индукция В = 0, т.е. состояние идеального диамагнитизма. Это явление получило название эффекта Мейсснера.

Meissner W., Ochsenfeld R. Naturwissenschaften 21 787 (1933)

Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий эффект Мейсснера в сверхпроводниках. По преданию гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки.

1934 г. Создана первая так называемая «двухжидкостная» модель сверхпроводимости Гортера-Казимира, согласно которой полная плотность электрического тока в сверхпроводнике:

Gorter C.J., Casimir H. Physics 1 306 (1934); Phys. Z. 35 963 (1934)

London F., London H. Proc. R. Soc. London Ser. A 149 71 (1935); Physica 2 341 (1935)

1935 г. Немецкие физики братья Ф. и Г. Лондоны предприняли попытку количественного описания электрических и магнитных свойств сверхпроводников. Ими было предложены два уравнения (их называют уравнениями Лондонов), связывающие плотность тока с электрическим или магнитным полем для сверхпроводников:

s n j j j n n Tj E

Первое уравнение описывает идеальную проводимость: поле ускоряет электрон, движущийся в среде без сопротивления. Второе уравнение отражает эффект Мейсснера. Оно описывает затухание магнитного поля в тонком поверхностном слое сверхпроводника, т.е. в этом слое протекают незатухающие токи, которые экранируют от влияния внешнего магнитного поля области, удаленные от поверхности.

Глубина проникновения поля является одной из важнейших характеристик сверхпроводника, теория Лондонов позволила найти зависимость магнитного поля от глубины проникновения:

s

t

j

E 1rot s c

j H

4rot sc

H j

2

1

H H 0 0 exp /H H z

Уравнение Максвелла Вблизи плоской границы в параллельном ей поле.

2s

m

e n

Lead (Pb) 7.196 K

Lanthanum (La) 4.88 K

Tantalum (Ta) 4.47 K

Mercury (Hg) 4.15 K

Tin (Sn) 3.72 K

Indium (In) 3.41 K

Palladium (Pd)* 3.3 K

Chromium (Cr)* 3 K

Thallium (Tl) 2.38 K

Rhenium (Re) 1.697 K

Protactinium (Pa) 1.40 K

Thorium (Th) 1.38 K

Aluminum (Al) 1.175 K

Gallium (Ga) 1.083 K

Molybdenum (Mo) 0.915 K

Zinc (Zn) 0.85 K

Osmium (Os) 0.66 K

Zirconium (Zr) 0.61 K

Americium (Am) 0.60 K

Cadmium (Cd) 0.517 K

Ruthenium (Ru) 0.49 K

Titanium (Ti) 0.40 K

Uranium (U) 0.20 K

Hafnium (Hf) 0.128 K

Iridium (Ir) 0.1125 K

Beryllium (Be) 0.023 K

Tungsten (W) 0.0154 K

Platinum (Pt)* 0.0019 K

Rhodium (Rh) 0.000325 K

1936 г. Ближе к концу периода "позавчера" Л.В. Шубниковым были открыты сверхпроводники второго рода, отличавшиеся от известных к тому времени сверхпроводников своим поведением в магнитном поле (как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к классу сверхпроводников второго рода).

1 2c cH H H

Шубников Л.В., Хотькевич В.И., Шепелев Я.Д., Рябинин Я.Н. Phys. Zs. Sowjetunion 10 581 (1936)

Смешанное состояние (фаза Шубникова):

1950 г. В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау предложили новую квантовую феноменологическую теорию для описания электродинамических свойств сверхпроводников (Ψ-теория). Авторы постулировали существование параметра порядка в сверхпроводящей фазе и взаимодействие ее с магнитным и электрическим полем.

Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. ЖЭТФ 20 1064 (1950)

1962 г. Нобелевская премия по физике за «основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур» была присуждена Л.Д. Ландау.

222 4

0

1

2 8 2sH n

H eF F i

m c

A

div 0A4

sc

A j

2

2

2s

ie e

m mc j A

2

sn const

калибровка

Лондоновский предел

1957 г. А.А. Абрикосов, основываясь на теории Ландау–Гинзбурга, сумел объяснить факт существования сверхпроводников первого и второго рода. Им было открыто новое физическое явление, заключающегося в появлении в сильном магнитном поле квантовых магнитных вихрей (вихри Абрикосова), в которых сверхпроводящее состояние разрушено. Такие сверхпроводники, в которых сосуществуют сверхпроводящие пары и магнитные вихри, получили название сверхпроводников второго рода.

2003 г. Нобелевская премия «за революционный вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести» удостоены российские ученые А.А. Абрикосов, В.Л. Гинзбург и американский ученый Э. Леггет.

Essmann U., Trauble H. Max-Planck Institute, Stuttgart Phys. Lett. 24A 526 (1967)

A. A. Abrikosov, Institute of Physical Problems, USSR, Soviet Physics JETP 5, 1174 (1957)

1957 г. Американские ученые Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих «сверхток». Почти одновременно академиком Н.Н. Боголюбовым был разработан математический метод, который сейчас широко используется при изучении сверхпроводимости.

Cooper L.N. Phys. Rev. 104 1189 (1956)Bardeen J., Cooper L.N., Schrieffer J.R. Phys. Rev. 108 1175 (1957)

1972 г. Авторы теории БКШ были удостоены Нобелевской премии.

exp 1/c effT 1eff

2 03,52

B ck T

0eff N V

1950 г. Максвелл и независимо Рейнольдс, измеряя критическую температуру у веществ, образованных разными изотопами, обнаружили существование изотопического эффекта, что явилось несомненным свидетельством связи сверхпроводимости с взаимодействием между электронами и колебаниями решетки (фононами).

~cT M 1sc1

2

1958 г. Дальнейшее развитие микроскопическая теория сверхпроводимости получила в работах Л.П. Горькова, который разработал метод решения модельной задачи БКШ с помощью функций Грина. Этим методом, в частности, ему удалось получить микроскопическую расшифровку всех феноменологических параметров теории Гинзбурга-Ландау и указать область ее применения.Работами Горькова было закончено построение теории Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова (Теория ГЛАГ), которая в 1966 г. была удостоена Ленинской премии.

Maxwell E. Phys. Rev. 78 477 (1950)Reynolds, Serin, Wright, Nesbitt Phys. Rev. 78 487 (1950)

Горьков Л.П. ЖЭТФ 36 1918; 37 1407 (1959)

1962 г. Английский физик Брайан Давид Джозефсон выдвинул предположение о переходе куперовских пар за счет «туннельного эффекта» при нулевом напряжении, если сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем. Было предсказано два эффекта. Во-первых, через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего тока. Критическое значение этого тока зависит от внешнего магнитного поля. Во-вторых, если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения.

Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй – нестационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально.

Giaever I. Phys. Rev. Lett. 5 464 (1960)Josephson B.D. Phys. Lett. 1 251 (1962)

1973 г. Б.Д. Джозефсон и А. Джайевер были удостоены Нобелевской премии.

1960 г. Айвер Джайевер разработал методику непосредственного измерения энергетической щели в сверхпроводнике с помощью изучения туннелирования электронов в металл через очень тонкую пленку из изолятора.

Всё это в принципе открыло широчайшие возможности для практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая преграда - крайне низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние, называемая критической температурой (Тс). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-

Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2К на интерметаллиде Nb3Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (БКШ) порождали

неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.

В 1964 г. Билл Литтл (Стендфордский университет) выдвинул идею органических сверхпроводников (на основе углерода). Впервые подобный образец был синтезирован в 1980 г. датским исследователем Клаусом Бекгардом из Копенгагенского университета и группой французов (D. Jerome, A. Mazaud, M. Ribault). Образец (TMTSF)2PF6, охлажденый до

1.2K при высоком давлении, стал сверхпроводящим.

[tetramethyltetraselenafulvalene + acceptor]Little W.A. Phys. Rev. 134 A 1416 (1964)Jerome D., Mazaud A., Ribault M., Bechgaard K. J. Phys. Lett. 41 L95 (1980)

1986 г. Швейцарские ученые Карл Александр Мюллер и Йоханнес Георг Беднорц обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при температуре 30К. Это явление было названо высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП).

Bednorz J.G., Muller K.A. Z. Phys. B 64 189 (1986)

Шаплыгин И.С., Кахан Б.Г., Лазарев В.Б. Журн. неорг. химии 24 1476 (1979)

1987 г. К.А. Мюллер и Й.Г. Беднорц были удостоены Нобелевской премии.

январь 1988 г. Маеда и др. синтезируют

серию соединений состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, среди

которых фаза с n=3 имеет Тс=108К.

Wu M.K., Ashburn J.R., Torng C.J., Hor P.H., Meng R.L., Gao L., Huang Z.J., Wang Y.Q., Chu C.W. Phys. Rev. Lett. 58 908 (1987)

Maeda H., Tanaka Y., Fukutomi M., Asano T. Japan J. Appl. Phys. 27 L209 (1988)

февраль 1987 г. Ву и др. синтезируют, используя идею "химического сжатия" для изменения структуры, сверхпроводящую керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa2Cu3O7-x с критической температурой

93К, то есть выше точки кипения жидкого азота.

февраль 1988 г. Шенг и Херман получили

сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 c Tс=125K.

Sheng Z.Z., Herman A.M. Nature 332 55 (1988)Herman A.M. et al. Phys. Rev. B 37 9742 (1988)

январь 1989 г. Такаги, Ушида, Токура получили элетроннодопироанный сверхпроводник Ne2-xCexCuO4-y c Tc=24К.

Takagi H., Uchida S., Tokura Y. Phys. Rev. Lett. 62 1197 (1989)

1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Can-1CunO2n+2+d (n=1-6). В

настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg-1223) имеет

наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.

Shilling A., Cantoni M., Guo J.D., Ott H.R. Nature 363 56 (1993)Putilin S.N., Antipov E.V., Marezio V. Physica C 212 266 (1993)

Gao L., Xue Y.Y., Chen F. et al. Phys. Rev. B 50 4260 (1994)

Таким образом, СП "химически эволюционировали", пройдя путь от металлической ртути (4.2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).

До сих пор непонятен механизм сверхпроводимости ВТСП. Не исключено, что он является фононным. Обсуждаются также спиновый, экситонный и другие электронные механизмы. Ни одна из предложенных моделей не лишена недостатков и не позволяет объяснить всю совокупность экспериментальных фактов. По-видимому, при описании ВТСП нельзя ограничиваться каким-либо одним типом взаимодействия.  Дело осложняется тем, что даже в нормальном состоянии ВТСП обладают рядом необычных свойств. Некоторые авторы подвергают сомнению возможность использования ферми-жидкостных представлений для описания ВТСП. "Будущее покажет, так ли это", - говорит В.Л.Гинзбург. Но если фононный механизм в ВТСП окажется все же определяющим, то величина Tc в классе

медных оксидов вряд ли превысит 200К.Весьма примечательно, что В.Л.Гинзбург оставляет конец периода "сегодня" неопределенным. Хотелось бы, чтобы событием, которым закончится этот период, стало понимание механизма сверхпроводимости ВТСП. 

«ЗАВТРА»Комнатная сверхпроводимость

В этот период, будем надеяться, реализуется "голубая мечта" - комнатно-температурная сверхпроводимость с Tc = (300 - 400) К. Если КТСП будут

созданы то их можно будет «охлаждать» водой, что явилось бы скачком, сравнимым с переходом от охлаждения жидким He к охлаждению жидким N2.

В соединениях, какого типа? Трудно сказать... Возможно, это будут слоистые квазидвумерные системы, а может быть - что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем. Когда это произойдет - тоже неизвестно. По словам В.Л.Гинзбурга, "у нас имеется один естественный рубеж - 2011-й год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости". 

Реально ли создание КТСП? Разумеется, дать на этот вопрос уверенный ответ невозможно, если не руководствоваться спорным тезисом: разрешено все, что не запрещено. Так или иначе, проблема КТСП заняла сейчас место, принадлежащее проблеме ВТСП до 1987 г.

А послезавтра? В.Л.Гинзбург в своем обзоре не рассматривает этот временной период. Заглянуть бы в него хоть одним глазком! Будем ли жить в эту пору прекрасную... 

Гинзбург В.Л. УФН 161 1 (1991); 170 619 (2000)

SUPERCONDUCTING SUPERCONDUCTING MAGMAGNETICALLY NETICALLY LEVLEVITATED ITATED

VEHICLEVEHICLE

Nuts.Nuts.

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!