Особенности высокотемпературной сверхпроводимости

В предыдущих разделах мы рассмотрели свойства сверхпроводящего состояния, эффекты и их теоретическое обоснование применительно к низкотемпературным сверхпроводникам. Для высокотемпературных сверхпроводников пока еще отсутствует теория, которая бы объясняла все явления и эффекты, поэтому пользуются теорией БКШ с учетом особенностей ВТСП. Некоторые явления для ВТСП также имеют свои особенности, в отличие от низкотемпературной сверхпроводимости. В данном разделе мы рассмотрим эти особенности и отличия. Структура и свойства ВТСП будут детально обсуждаться ниже в главе 2.

1.Высокое значение температуры перехода.В теории БКШ была сделана оценка максимальной температуры перехода Т_С. Из выражения (1.40) с учетом ширины энергетической щели Т_С может принимать значение не больше 25 К. Температура перехода для ВТС материалов лежит в области азотных температур (Т_С>77 К). Это противоречие, вероятно, вызвано тем, что за притягивание электронов, формирование пар отвечает не электрон-фононный механизм, как в теории БКШ, но какой-то иной. Существует много предположений о характере этого механизма, но в настоящее время не отдается предпочтения ни одному из них.

2. Химические связи высокотемпературных сверхпроводников. В отличие от обычных сверхпроводников, которые обладают металлической (металлы, сплавы) или ковалентной (полупроводники) химической связью, ВТСП представляют собой оксиды, в определенной степени похожие на соединения с ионной связью. Характер связи, в частности, влияет на концентрацию носителей, как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии. Поэтому в ВТСП материалах концентрация носителей меньше.

3. Нормальное сопротивление. В нормальном состоянии (Т>Т_С) ВТСП соединения имеют удельное сопротивление, значительно большее, чем у обычных металлов. В то же время при Т>Т_С удельное сопротивление ВТСП увеличивается с ростом температуры, что указывает на металлический характер проводимости. Нормальное сопротивление сильно зависит от содержания кислорода в составе материала. При определенном содержании (см. гл. 2) кислорода, материал превращается в диэлектрик и при низких температурах (Т<Т_С) не обращается в сверхпроводник.

4. Слоистая структура и анизотропия. Все известные на сегодняшний день ВТСП материалы обладают слоистой структурой тетрагональной или ромбической симметрии с чередованием слоев вдоль оси с. Общим элементом различных ВТСП соединений является слой CuO₂, называемый купратным слоем. В ряде соединений кроме купратных слоев имеются цепочки Cu-O (рис. 1.18). Есть достаточно оснований считать, что купратные слои играют определяющую роль в возникновении ВТСП. Слоистостью структуры объясняется анизотропия ряда свойств сверхпроводников, например, плотности критического тока.

а) б)

Рис. 1.18. Схематическое изображение структур YBa₂Cu₃O_7-δ (а) и Bi₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10-δ (б) в виде чередующихся слоев.

5. Постоянство структуры. Как и в низкотемпературных, в ВТСП при сверхпроводящем переходе (Т<Т_С) кристаллическая структура не изменяется. Этот факт подтверждается рентгеноструктурными исследованиями.

6. Изотопический эффект. Так же, как в обычных, в высокотемпературных сверхпроводниках обнаружена зависимость Т_С от массы атомов, входящих в структуру материала. Так, например, замена изотопов О¹⁶ на О¹⁸ в иттриевой керамике приводила к изменению Т_С на 0,5 К. Аналогичные результаты получены и на других материалах. Наличие изотопического эффекта в ВТСП материалах является существенным, поскольку дает основание предположить, что здесь как и в радиационных сверхпроводниках определенную роль в возникновении сверхпроводимости играют колебания решетки.

7. Температурный интервал сверхпроводящего перехода. В отличие от обычных сверхпроводников, где переход осуществляется при постоянной температуре или занимает интервал 1-2 К (Nb₃Sn), в ВТСП переход более широкий – 4-5 К для иттриевой, висмутовой и других керамик. Температуры начала и конца перехода являются различными для различных образцов и зависят от способа приготовления и его параметров. Большая размытость перехода в высокотемпературных сверхпроводниках по сравнению с обычными объясняется наличием в керамике различных фаз, имеющих различные критические температуры.

8. Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Поведение ВТСП в магнитном поле похоже на поведение обычных сверхпроводников. В них также наблюдается идеальный диамагнетизм – выталкивание магнитного поля. Сверхпроводимость также разрушается, если поле больше критического (В>В_С). ВТСП относятся к сверхпроводникам второго рода, и величина В_С2(0) принимает большие значения. В то же время глубина проникновения в ВТСП значительно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках. Так, в висмутовых керамиках она составляет 200-300 нм. Этот результат говорит о том, что концентрация носителей в ВТСП меньше, чем в металлах, и согласуется с п.п. 1,2.

9. Существование куперовских пар. Так же, как и в обычных сверхпроводниках, наблюдается квантование магнитного потока. Магнитный поток в отверстии сверхпроводника оказывается точно равным целому числу флюксонов Ф₀. При этом Ф₀=h/2e, что является прямым доказательством существования в высокотемпературных сверхпроводниках куперовских пар с зарядом 2е.

10. Малая длина когерентности. В ВТСП длина когерентности Гинзбурга-Ландау составляет 0,5-30 Аº в зависимости от конкретных условий и вещества. Эта величина для обычных сверхпроводников имеет порядок 10³-10⁴ Аº в зависимости от материала. Напомним, что длина когерентности характеризует расстояния, на которых изменяется плотность сверхпроводящих пар. Такое малое значение длины когерентности приводит к необычным явлениям. В частности, двумерные (плоскостные) дефекты, которые в обычных сверхпроводниках были бы просто центрами рассеяния в силу своей малой толщины, в ВТСП могут образовывать джозефсоновские барьеры. Существование таких джозефсоновских контактов на границах зерен было экспериментально обнаружено в поликристаллической пленке иттриевой керамики.

11. Эффект Джозефсона. Также, как и для обычных сверхпроводников, для ВТСП удалось осуществить джозефсоновское туннелирование сверхпроводящих носителей через тонкую пленку диэлектрика. В джозефсоновских переходах на основе иттриевого сверхпроводника при Т=77 К была получена картина изменения критического тока перехода в зависимости от магнитного поля. Определенный из экспериментов квант магнитного потока оказался равным h/2e, что указывает на перенос тока куперовскими парами с зарядом 2е.

С учетом вышеуказанного можно сделать вывод о том, что процессы в высокотемпературных сверхпроводниках подобны традиционным процессам, однако существуют отличия, связанные в основном с малой длиной когерентности, большой глубиной проникновения поля, анизотропией структуры и свойств и т.д., которые необходимо учитывать при использовании ВТСП для приборов криоэлектроники.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление сверхпроводимости?

2. Какими физическими свойствами обладает тело, находящееся в сверхпроводящем состоянии?

3. Какова природа сверхпроводящего состояния?

4. Опишите эффект Мейсснера.

5. Как проникает магнитное поле в сверхпроводник?

6. Каков смысл критического поля?

7. Какова природа квантования магнитного потока в сверхпроводящем контуре?

8. Опишите сверхпроводники второго рода.

9. Что такое вихрь Абрикосова?

10. Что представляет собой состояние Шубникова?

11. Какова природа энергетической щели в сверхпроводниках?

12. Какие типы тунеллирования возможны при низкой температуре?

13. Объясните эффекты Джозефсона, характер излучения.

14. Нарисуйте ВАХ джозефсоновского перехода.

15. Как влияет магнитное поле на переход Джозефсона?

16. Назовите основные положения теории БКШ.

17. Опишите характеристики куперовской пары и конденсата.

18. В чем смысл параметра Гинзбурга?

19. Назовите особенности параметров высокотемпературных сверхпроводников.

20. Каковы возможные механизмы электронного спаривания?

ГЛАВА 2