Синтетические металлы — новый тип проводников

16

Синтетические металлы — новый тип проводников

Кандидат физико-mатематических наук
С. Н. АРТЕМЕНКО,
доктор физико-mатематических наук
А. Ф. ВОЛКОВ

Что лучше всего проводит ток?

По способности проводить электрический ток все твердые тела делят на три большие группы: металлы, полупроводники и диэлектрики (или изоляторы). Сюда можно добавить и сверхпроводники — ряд металлов и их соединений, которые при очень низких температурах проводят ток без потерь энергии; их электросопротивление равно нулю.

Нанлучшим проводниками электричесная является металлы. Удельное сопротивление металлов — порядка $10^{-8} - 10^{-6}$ Ом·м. У диэлектриков удельное сопротивление больше $10^{3}$ Ом·м. Полупроводники занимают промежуточное положение.

На рисунке 1 приведены значения удельного сопротивления некоторых металлов, полупроводников и диэлектриков. Видите, удельное сопротивление у середба меньше, чем у тефлона, в $10^{24}$ (!) раз. Ни одна физическая характеристика не изменяется так сильно при переходе от вещества к веществу, как удельное сопротивление.

И диэлектрики, и полупроводники, и металлы широко используются в техническом, в качестве изоляторов. Полу-proводники составляют основу современной электроники. Полупроводникиые приборы можно встретить во многихустройствах, начиная с бытовой радиоаппаратуры и кончая современными вычислительными машинами, создание которых было бы немыслimo безполупроводниковых элементов. Из металлов делают соединительные провода, а также различные электросиловые установки (генераторы тока, электромоторы, трансформаторы и т. д.).

В последнее время в технически начиная от вторгаться и сверхпроводники. Основное преимущество сверхпроводников состоит в их способности проводить ток без потерь энергии. Это свойство сверхпроводников оказывается очень ценным не только при проектировании будущих линей электропередач от мощных ГЭС к потребителям, но и в тех областях, где расходы энергии сравнительно невысоки. В частности — при конструкировании сверхмощных (по числу выполняемых операций, а не по потребляемой мощности) ЭВМ со скоростью вычисления в столе или тысячу миллионов операций в секунду.*)

Недостаток же существенно сверхпроводников состоит в необходимости охлаждать их до очень низких температуры (далее «высокотемпературный» сплав Nb$_3$Ge переходит в сверхпроводящие состояние лишь при 21,3 К). Поэтому ясно, что очень заманчивой является задача создания проводника тока, который становится бы сверхпроводником при обычных температуре или хотя бы при температуре жидкого азота, равной 77 К (жидкий азот намного дешевле жидкого геля, его сейчас использует даже при транспортировке скоропортящихся продуктов). В этом направлении уже было сделано немало оригинальных предложений. Интересные и перспективные идеи были высказаны в 1964 году.

*) См. статью Л. Г. Асламазова «ЭВМ на сверхпроводниковах» в «Кванте» № 11 за 1983 год.

Рис. 1.

19

шается. При дальнейшем пожженении температуры в веществе пронсходит переход типа пайерловского и сопротивление увеличивается. Но при последующем охлаждения при температуре около 1 К критал переходит в сверхпроводящее состояние! Ясно, конечно, что это не высокотемпературная сверхпроводимость, хотя и несовсем понятно, почему вещество из полупроводникового состояния переходит сразу в сверхпроводящее. Имеются экспериментальные данные, показывающие, что сверхпроводимость в этом веществе отличается по своим свойством от сверхпроводимости в обычных металлах. Однако полной ясности относительно природы обнаруженной сверхпроводимости пока нет, и вопрос о ее механизме остается открытым. Исследования его продолжатся.

Новый механизм проводимости

Как же обстоит дело с ответом на второй вопрос — об отличии квазидномерного пайерловского проводника от общного полупроводника? Здесь успешная физика была вполне вознаграждены природой. Как оказалось, такие отличия есть, и они настолько существенно, что подчас трудно решить, к какому типу веществ отнесится пайерловские проводники: к металлам, полупроводником или к диэлектрикам. В некоторых квазидномерных веществ можно обнаружить черты поведения, свойстваные всем тем типам. Более того, в пайерловских проводниках наблюдаются явления, обусловленные коллектribным поведением электронов и сходы с теми, которые пронсходят в сверхпроводниках. Остановимся на одном из наиболее ярких отличий пайерловского проводника от общих проводников и расскажем о новом механизме проводимости.

Несмотря на то, что, как мы уже говорили, проводимость металла, полупроводника и диэлектрика очень сильно различаются по величины, механизмов conductivities не зависит от температуры и является самой большей: в кубическом сантиметре содержится примерно $10^{22}$ свободных электронов. В полупроводниках и диэлектриках при достаточно низких температурах свободных электронов практически нет — все электроны участвуют в образования химических связей. С повышением температуры часть связи разрывается, и некоторые электроны становятся свободными. В полупроводниках разрывся проискот легче (при более низких температурах), чем в диэлектриках. Именно свободные электроны и создают ток в твердом теле при приложении к нему напряжения. Телловые колбания atomов кристаллической решетки мешают дивигаться электронам, ограничивая их среднюю скорость. Поэтому и уменьшается сопротивление металла при охлаждения — при низких температурах atoms решетки колблются слабее, с меньшей амплитудой. В полупроводниках и диэлектриках тепловое движение, как правило, также уменьшается направленную скорость имеющихся в наличии свободных электронов. Это самое число электронов сильно зависит от температуры: оно резко возрастает с повышением температуры. При охлаждения число свободных электронов уменьшается, и сопротивление полупроводника и диэлектрика увеличивается.

Как же ведет себя пайерловский проводник, когда к нему приложено напряжение? В слабых электrictских полях выполняется закон Ома: ток пропорционален приложенному напряжению $I=U/R$. Сопротивление $R$ велико и увеличивается при попжении температуры, как в полупроводнике или в диэлектрике. Оdnako, когда напряжение $U$ превышает некоторое поро-