Теория Бардина-Купера-Шифера

Теория, которая полностью объясняла все опытные данные, полученные при изучении сверхпроводящего состояния, была завершена к 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шиффером.

Рассмотрим основные положения теории, позволяющие объяснить механизмы процессов в металле, приводящие к сверхпроводимости.

Сопротивление проводника в нормальном состоянии обусловлено тем, что направленное движение электронов проводимости, вызванное внешним электрическим полем, быстро затухает после прекращения действия поля вследствие рассеяния отдельных электронов на колебаниях решетки и ее дефектах. В сверхпроводнике направленное движение электронов продолжается и в отсутствие внешнего электрического поля. Объясняется это тем, что в металле при определенных условиях образуются пары электронов, между которыми существуют силы взаимного притяжения. Эти связанные электроны имеют противоположные импульсы и спины. Энергия связи электронов в паре равна 2w и пара может быть разрушена, если она получит квант энергии величиной

.

При разрушении пары образуются два отдельных электрона, каждый их них переходит на энергетический уровень, отстоящий от начального на w. Следовательно, в энергетическом спектре электронов проводимости в металле имеется энергетический зазор или щель шириной w.

В образовании связанных электронных пар участвует кристаллическая решетка металла. Взаимодействие электронов с решеткой, приводящее к образованию таких пар, описывается следующей схемой. Один электрон, взаимодействуя с кристаллической решеткой, переводит ее в возбужденное состояние и изменяет свой импульс. Второй электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее обратно в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися, по сути дела, фононом, возникает сила взаимного притяжения.

Из-за слабости силы взаимного притяжения среднее расстояние между электронами в паре оказывается равным нескольким тысячам межатомных расстояний в металле. Электроны каждой пары движутся в области, содержащей в то же время множество других пар.

Все эти пары не могут изменять свои состояния независимо друг от друга, иначе это привело бы к нарушению принципа Паули. Поэтому электронные пары движутся согласованно, электронные волны, описывающие их движение, имеют одинаковые длины и фазы.

В сверхпроводниках первого рода для всех сверхпроводящих электронов ширина энергетической щели одинакова и поэтому они либо все находятся в сверхпроводящем состоянии (связаны в пары), либо все одновременно переходят в нормальные состояния. В сверхпроводниках второго рода может существовать несколько групп сверхпроводящих электронов. Ширина энергетической щели у этих групп может лежать в интервале от нуля до некоторой максимальной для данного сверхпроводника величины.

Разрушение сверхпроводимости (переход отдельных групп электронов в нормальное состояние) в сверхпроводнике второго рода происходит постепенно, однако нулевое сопротивление он сохраняет до тех пор, пока в нем существует хотя бы одна группа сверхпроводящих электронов.

Рассмотренный механизм сверхпроводимости объясняет наблюдаемые на опыте свойства сверхпроводника. Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что движение всех электронных пар в металле можно описать, как распространение одной (суммарной) электронной волны, которая не рассеивается решеткой потому, что решетка участвует сама в образовании этой волны, т. е. тепловые волны решетки согласованы с электронной волной.

Вытеснение магнитного поля связано с экранирующим действием тока сверхпроводящих электронов в тонком поверхностном слое сверхпроводника. Разрушение сверхпроводящего состояния магнитным полем можно объяснить разрушением сверхпроводящих пар. Электрон в магнитном поле приобретает дополнительную энергию Δе, равную произведению магнитного момента электрона Р_в на напряженность внешнего магнитного поля Н (Δе = Р_вН).

Если только эта энергия Δе окажется больше ширины энергетической щели w (Δе≥ w), электронные пары перейдут на уровни, соответствующие их нормальному состоянию, т. е. пары разрушатся. В сверхпроводниках первого рода, где все электронные пары имеют одинаковую энергию связи, пары разрушаются сразу, как только напряженность внешнего магнитного поля превысит критическую (Н≥Н_к). В сверхпроводниках второго рода пары разрушаются постепенно по группам. Наличие различных групп сверхпроводящих электронов в этих сверхпроводниках связано с тем, что они образуются в результате взаимодействия электронов с различного рода дефектами решетки и с самой решеткой.

На границе двух сверхпроводников, разделенных тонкой диэлектрической пленкой (например, окисной) наблюдается интересное явление. Если толщина диэлектрической пленки составляет несколько межатомных расстояний, то электронные пары проникают через нее благодаря туннельному эффекту, и пленка оказывается сверхпроводящей. Но критический ток в пленке очень мал и сверхпроводимость в ней можно разрушить, пропуская через сверхпроводники ток, больший критического для диэлектрической пленки, но меньший критического для металлических сверхпроводников. В диэлектрике при прохождении электрического тока по цепи возникает разность потенциалов. При этом ток через контакт становится переменным и сопровождается электромагнитным излучением, частота которого находится из равенства

hn=2 q_еU,

где U - разность потенциалов в диэлектрике. Объясняется это явление тем, что электронные пары проходят через тонкий слой диэлектрика, не распадаясь. В электрическом поле, существующем в диэлектрике, пара приобретает энергию 2q_еU, а входя снова в сверхпроводник, она излучает эту энергию в виде фотона электромагнитного излучения с энергией hv. Это явление может быть использовано для генерации электромагнитных колебаний очень высокой частоты.

В теории сверхпроводимости было указано, что критическая температура для известных ранее веществ не может быть выше 20° К. Однако рассмотренный механизм образования сверхпроводящих электронных пар дает возможность предполагать, что более высокие критические температуры могут быть получены в искусственно созданных веществах с заданной структурой. Действительно в настоящее время известны факты возникновения сверхпроводящего состояния в веществах, находящихся при комнатной температуре.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3. Физика твердого тела: Учеб. пособие для втузов. - М.: Наука, 1982.- 432 с.

2. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела./ Пер. с англ.; Под ред. А. А. Гусева. - М.: Наука, 1978.-791 с.

3. Жданов Г.С. Физика твердого тела. Москва, Наука, 1962.

4. Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика твердого тела: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школ, 1971.-224 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. II. М., Наука, 1990.

6. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учеб. пособие для втузов. - М.: Высш. школ, 1977.-288 с.

7. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела: Учеб. пособие для студ. спец. «Физика». - М.: Высш. школ, 1985.-384 с.

8. Жданов Г.С., Хунджуа Ф.Г., Лекции по физике твердого тела - М: Изд-во МГУ, 1988-231 с.

9. Давыдов А.С. Теория твердого тела.- М., Наука, 1976.-640 с.

10. Зиненко В.И., Сорокин Б.П., Турчин П.П. Основы физики твердого тела. - М.: Физматлит, 2000. - 332 с.

11. Верещагин И.К., Кокин В.А. и др. Физика твердого тела: учебное пособие для втузов - Высшая школа, 2001. - 237 с.

12. Сонин A.С. Курс макроскопической кристаллофизики. Учебное пособие для вузов.- М.: Физматлит, 2006.- 256 с.

13. Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела. - МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008. - 360 с.

14. Шаскольская М. П. Кристаллография. – М. : Высшая школа, 1984. – 375 с.