Низкотемпературная сверхпроводимость

Концентрация донорно-акцепторных примесей в этих полупроводниках довольно велика, по своим свойствам они являются выраженными полупроводниками и по проводимости приближаются к плохо проводящим металлам. Была обнаружена сверхпроводимость и у германия с кремнием. При обычных условиях эти элементы являются полупроводниками. Переход в сверхпроводящее состояние у них оказывается возможным лишь при высоком давлении (~100кБар). При этом происходят структурные превращения, и полупроводники переходят в металлическое состояние.

8. Эффекты Джозефсона. СКВИД-магнетометры

Живший в середине 20 века английский физик-теоретик Джозефсон предсказал два эффекта связанных с протеканием токов через туннельные контакты.
Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Первый из них состоит в возможности протекания постоянного тока через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем (~10е-7 см) диэлектрика. Ток протекает через барьер, характеризующийся нулевой разностью потенциалов. В реальных металлах, в отсутствие внешнего поля, макроскопический ток не наблюдается, так как фазы у электронов случайны и плотность тока обращается в нуль.
Сверхпроводники характеризуются фазовой когерентностью. При этом все электронные пары в данном сверхпроводнике имеют одинаковую фазу и ток отсутствует (Dj=0). Если образовать туннельный контакт из двух различных сверхпроводников, то через такой контакт ток потечет без приложения напряжения, он будет зависеть от разности фаз j=j1-j2 (плотность тока (тока Джозефсона) равна j=j0sinj). Это явление непосредственно определяется такой фундаментальной квантовомеханической характеристикой, как фаза волновой функции.
Если к контакту приложить постоянную разность потенциалов, то через него потечет переменный сверхпроводящий ток. Возникающие в сверхпроводнике куперовские пары проходят через диэлектрический слой и приобретают при этом энергию 2eU. Так как сопротивление отсутствует, то полученная энергия излучается в виде кванта с энергией ħn=2eU. На опыте и наблюдается электромагнитное излучение с частотой n=2eU/ħ (излучать электромагнитное волны может только переменный ток—именно он течет через контакт Джозефсона). В выражение для частоты излучения входит удвоенный заряд электрона, так как волны излучаются электронными парами. Эффект Джозефсона позволяет создавать переменный ток с помощью постоянной разности потенциалов.
Эффект Джозефсона используется в работе СКВИД-магнитометров.
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля.
Этими магнитометрами используются эффекты слабой сверхпроводимости в сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах (СКВИДах). В первую очередь это связано с рекордно высокой чувствительностью метода, достигающей 5*10-33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю - 10-13 Тл). Примечательно, что чувствительность метода не зависит от уровня сигнала, на фоне которого проводятся измерения, это позволяет надежно регистрировать малые изменения намагниченности на фоне большой статической величины.
Благодаря высокой чувствительности, метод СКВИД-магнитометрии нашел применение не только в традиционной области физического эксперимента, но и в биомедицине, низкотемпературной термометрии, геофизике. Этот метод имеет большие перспективы при исследовании магнитных характеристик вещества, содержащего незначительное количество магнитных примесей, а также микрограммовых образцов. Наконец, высокая чувствительность метода позволяет проводить измерения в очень слабых полях, в ряде случаев это обстоятельство имеет принципиальное значение.
Чувствительный элемент СКВИДа представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, содержащее один или два джозефсоновских контакта. Возможность регистрации магнитных полей подобным устройством основана на том факте, что ток, текущий в кольце, зависит от магнитного потока через этот замкнутый контур. Первые сверхпроводящие магнитометры были созданы уже через несколько лет после открытия эффекта Джозефсона, в настоящее время предельная чувствительность СКВИДов превышает 10-14 Тл/Гц1/2.
В магнитном микроскопе образец сканируется близко расположенным сквидом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со сквида в зависимости от его положения по отношению к образцу.



Заключение

Эффект сверхпроводимости применяется во многих отраслях человеческой деятельности. Исследование способов увеличения критического магнитного поля позволяет создавать сверхпроводники, имеющие возможность пропускать высокие токи.
На электростанциях достаточно давно применяются криотурбогенераторы, способные увеличивать мощность станций примерно на 40%. С явлением сверхпроводимости неразрывно связан наблюдаемый в жидком гелии эффект сверхтекучести. Жидкий гелий является уникальной жидкостью, часто его называют квантовой жидкостью, так как многие его макросвойства являются прямым отражением событий, происходящих на уровне атомов и элементарных частиц. Открытие сверхпроводимости было бы невозможно без создания технологии сжижения гелия. Особое применение имеет эффект Мейсснера—свойство отталкивания использоваться в создании магнитной подушки, применяемой в создании многих новых видов транспорта. Сверхпроводимость имеет также огромное значение для более глубокого понимания процессов, происходящих на уровне внутреннего строения атомов.

Список литературы

1. Кресин В.Л. «Сверхтекучесть и сверхпроводимость», издательство «Мир», 1989 г. - 214 с.
2. Тилле Дж. «Сверхпроводимость и сверхтекучесть», издательство «Москва», 1986 г. - 302 с.
3. Ландау Л.Д. «Физика», издательство «Физмат», 1993 г. - 540 с.
4. Регалин С.М. «Введение в теорию сверхпроводимости», 1981 г. - 156 с.
Эдельман К.М. «Физика низких температур», 1992 г. - 230 с.





15