Магнит за три тысячелетия - [33]

немецкие физики Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники — идеальные

диамагнетики. Что это означает?

Мы постоянно находимся в магнитном поле Земли. Силовыми линиями этого поля

пронизываются все предметы и существа на Земле. Если на пути силовых линий

попадается какой-нибудь ферромагнетик, например, кусок железа, то в этом куске

магнитные линии как бы сгущаются. Если же на пути силовой линии встретится

диамагнетик, в нем, наоборот, создается разрежение, вакуум силовых линий. В

сверхпроводник магнитные силовые линии вообще не проникают. Другими словами,

сверхпроводник — абсолютный диамагнетик. Внутренняя область сверхпроводника

идеально экранирована от внешних магнитных полей токами, протекающими в тонком

поверхностном слое сверхпроводника. В этот слой проникает и магнитное поле,

вследствие чего его глубину называют глубиной проникновения и обозначают буквой

K. Диамагнетизмом сверхпроводников можно воспользоваться, например, для того,

чтобы придать силовым линиям магнитного поля заданную конфигурацию. Поле будет

обходить сверхпроводник, а силовые линии принимать очертания, повторяющие контур

сверхпроводника.

Сверхпроводник существенно отличается от идеального проводника с сопротивлением,

равным нулю. В идеальный проводник поле может проникать. Наоборот, никакими

способами нельзя заставить магнитное поле проникнуть внутрь сверхпроводника!

Впрочем, один способ есть: при достижении магнитным полем в какой-либо точке

сверхпроводника значения, превышающего некоторое критическое значение,

сверхпроводник в этой точке выходит из сверхпроводящего состояния. Критические

магнитные поля чистых металлов малы: они не превышают сотых долей тесла.

Ток, протекающий по сверхпроводнику, при превышении им критического значения или

критической плотности также может вызывать потерю сверхпроводимости. Значение

этого тока в чистых сверхпроводниках связано с критическим магнитным полем так

называемым правилом Сильсби: сверхпроводимость уничтожается таким током в

проводнике, который создает на поверхности сверхпроводника поле, равное

критическому. Значение поля на поверхности проводника можно установить,

пользуясь законом полного тока.

У каждого сверхпроводника есть также своя критическая температура, т. е.

температура, выше которой он скачком теряет сверхпроводящие свойства. Эта

температура весьма мала.

На критическую температуру влияют, хотя и слабо, механические напряжения в

образце. Как правило (однако, не всегда), увеличение механических напряжений в

образце влечет за собой повышение критической температуры. Это можно установить

лишь с помощью весьма чувствительных методов.

Аналогичная зависимость существует между механическим напряжением и критическим

магнитным полем. Было показано, в частности, что критическое поле образца олова

при 2 К, составляющее 0,021 Тл, повысилось до 1,5 Тл, после того как в олове

были искусственно созданы механические напряжения.

Уменьшение размеров испытуемого образца примерно до 1 мкм существенно изменяет

свойства сверхпроводника. Такой образец уже не будет диамагнитным, а его

критическое поле и ток сильно возрастут.

Уменьшая толщину образца, можно увеличить его критическое поле в несколько сот

раз. У сверхпроводящей свинцовой пленки толщиной 20 А критическое поле равно 40

Тл. Плотность критического тока в тонких сверхпроводящих пленках также сильно

возрастает.

В слоях толщиной около 100 А плотность тока достигает 107…108 А/см2.

При увеличении частоты магнитного поля или тока сверхпроводник постепенно

начинает приобретать сопротивление. Однако при частоте вплоть до 107 Гц оно еще

практически равно нулю.

Как показал американский ученый Купер, электроны в сверхпроводящем состоянии

образуют пары. Образование этих пар становится возможным, когда взаимодействие

электронов проводимости, имеющих антипараллельные спины (грубо говоря,

вращающиеся в разные стороны), с решеткой приводит к возникновению между ними

сил притяжения, преодолевающих силы электрического отталкивания.

На основании предположения Купера были разработаны теория сверхпроводимости БКШ,

названная по фамилиям авторов Дж. Бардина, Купера, Шриффера, и теория

Н.Н.Боголюбова.

На разрыв куперовских пар требуется затратить некоторую энергию. В результате

этого энергия сверхпроводящих электронов на некоторое значение меньше энергии

нормальных электронов. Эту разницу называют энергетической щелью. Это так

называемый фотонный механизм образования куперовских пар. Расчеты показывают,

что такой механизм может обеспечить сверхпроводимость при температурах, ни в

коем случае не превышающих 50 К. Конечно, даже эта температура не очень удобна

для работы, но ее достичь пока не удалось. Рекорд перехода в сверхпроводящее

состояние у сплава ниобия с германием (24 К) продержался почти 10 лет.

А не может ли существовать иных механизмов, приводящих к образованию электронных

пар? В 1964 г. американец В.Литтл предположил существование механизма, при

котором электроны могли бы взаимодействовать, индуцируя электрический заряд на

длинных органических молекулах, В то же время академик В.А.Гинзбург теоретически

открыл еще один так называемый экситонный механизм образования куперовских пар.