Bản chất của tính siêu dẫn

2

Vào đầu thế kỷ 20, vật lý đã tìm cách thâm nhập vào phạm vi nhiệt độ gần tuyệt đối
rất nhiều không. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của một lĩnh vực khoa học mới hiện đại - vật lý
nhiệt độ thấp.

Chất được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm “lạnh” như vậy ở dạng không chứa chất hiện đại.
điều kiện bình thường. Chúng khác với điều kiện bình thường ở chỗ nhiệt độ giảm xuống
vợ gần như 300°.

Trong thế giới có nhiệt độ thấp, người ta quan sát thấy một loạt hiện tượng kỳ dị. Và nhất
đáng chú ý trong số đó là hai “siêu hiện tượng”: tính siêu dẫn, trong đó
Điều được thảo luận trong bài viết này là tính siêu lỏng của gel lỏng.

Trạng thái siêu dẫn của vật chất

Khám phá tính siêu dẫn. Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện nhiều hơn một chút so với
60 năm trước, vào năm 1911. Trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý người Hà Lan Kamerlingh Onnes, người ta đã nghiên cứu điện trở của kim loại ở nhiệt độ cực thấp.

Kamerlingh Onnes đã chỉ ra khả năng dẫn dòng điện của kim loại nguyên chất thay đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi. Lực cản chuyển động của các electron trong kim loại nguyên chất phát sinh do dao động nhiệt của các ion nằm ở các nút của mạng tinh thể. Khi nhiệt độ tăng lên, những dao động này trở nên ít dữ dội hơn, dẫn đến điện trở giảm. Ptruth được chọn làm đối tượng nghiên cứu vì nó có thể dễ dàng được làm sạch khỏi tạp chất. Ban đầu ở $T = 3,71^\circ$*) (sau này điểm này được gọi là nhiệt độ tới hạn và bắt đầu biểu thị

*) Ở đây và bên dưới chúng tôi đưa ra các giá trị nhiệt độ theo thang Kelvin.

Cơm. 1.

3

Việc không có điện trở nghĩa là hoàn toàn không bị mất năng lượng khi có dòng điện chạy qua. Suy cho cùng, tổn thất nhiệt khi dòng điện đi qua kim loại bình thường, không siêu dẫn (kim loại như vậy được gọi là bình thường) là do điện trở của dây dẫn. Điều này có thể được nhìn thấy từ công thức nổi tiếng thể hiện định luật Joule-Lenz:

$$Q = I^2 Rt.$$

Trong chất siêu dẫn, các electron không gặp điện trở và không mất năng lượng. Do đó, dòng siêu dẫn không bị suy giảm.

Năm 1959, một thí nghiệm như vậy đã được thực hiện. Dòng điện siêu dẫn xuất hiện trong vòng kim loại. Sau hai năm rưỡi, các thiết bị không nhận thấy dòng điện này giảm đi chút nào. Việc không có tổn thất nhiệt dẫn đến thời gian dòng điện chạy qua vòng gần như dài vô tận.

Chất siêu dẫn được phát hiện đầu tiên khi sử dụng chất khác. Tuy nhiên, chất siêu dẫn mới đã sớm được phát hiện.

Hiện nay, người ta đã biết khoảng 25 nguyên tố chuyển sang trạng thái siêu dẫn khi nhiệt độ giảm. Nhiệt độ tới hạn cao nhất là đối với nubium ($T_K = 9,2^\circ$) và thấp nhất là đối với pridinium. Ở Pridinium, tính siêu dẫn được phát hiện ở nhiệt độ chỉ 0,140°. Nhiệt độ hàng nghìn độ hiện đã đạt tới. Có thể nhiều nguyên tố trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp hơn $T_K$ Pridinium.

Phần lớn các chất siêu dẫn không phải là chất nguyên chất mà là hợp kim và hợp chất. Khoảng 500 chất siêu dẫn như vậy hiện đã được biết đến và số lượng của chúng không ngừng tăng lên. Nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đang tích cực tìm kiếm vật liệu siêu dẫn mới.

Nhiệt độ cao nhất mà tại đó tính chất siêu dẫn được bảo toàn được quan sát chính xác trong hợp kim. Trong nhiều năm, “người giữ kỷ lục” là hợp kim Nizya với trứng Nb$_3$Sn, nhiệt độ tới hạn của nó là 18,1°. Hiện nay, $T_K$ cao nhất thuộc về hợp chất phức tạp Nb$_3$Al·Nb$_3$Ge, được tổng hợp cách đây vài năm và vẫn giữ được đặc tính siêu dẫn lên đến nhiệt độ $T_K = 20,1^\circ$.

Ngay cả một nghiên cứu đơn giản về tính chất của chất siêu dẫn cũng cho phép chúng ta rút ra một số kết luận thú vị.

Có các hợp kim (ví dụ, hợp kim của đồng với lưu huỳnh CuS hoặc vàng với bicmut Au$_2$Bi), các thành phần của chúng không phải là chất siêu dẫn.

Beryllium chỉ trở nên siêu dẫn nếu mẫu được chuẩn bị ở dạng màng mỏng, độ dày của nó không vượt quá 10$^{-5}$ cm.

Các kim loại khác nhau dẫn điện khác nhau. Người ta có thể mong đợi rằng những chất dẫn điện tốt như đồng, vàng, bạc, có điện trở trong điều kiện bình thường vốn đã rất nhỏ, sẽ dễ dàng chuyển sang trạng thái siêu dẫn hơn các chất khác. Tuy nhiên, trong trải nghiệm, người ta quan sát thấy một bức tranh hoàn toàn khác. Chính ở những kim loại này mà tính siêu dẫn vẫn chưa được phát hiện. Tầm quan trọng của thực tế này đã được các nhà vật lý lưu ý từ lâu trước khi tạo ra lý thuyết siêu dẫn. Vì vậy, trong cuốn sách của Ya. G. Dorfman và I. K. Kikon, xuất bản 40 năm trước (*), chúng ta đọc: “Sự cản trở là cả Ag, Cu và các chất dẫn điện tốt nhất khác đều không chuyển sang trạng thái siêu dẫn, mà ngược lại, … dây dẫn phẳng… có đặc điểm đáng kinh ngạc này, cho thấy cơ chế siêu dẫn hoàn toàn khác với cơ chế dẫn điện thông thường”.

*) Y. G. Dorfman, I. K. Kikon. Vật lý của kim loại. GTTI, 1933.

4

Gần đây người ta phát hiện ra rằng một số chất bán dẫn cũng có thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp.

Một trạng thái đặc biệt của vật chất. Từ “siêu dẫn” phản ánh khả năng của các chất dẫn dòng điện mà không có bất kỳ điện trở nào. Nhưng đây không phải là tính năng duy nhất của chất siêu dẫn. Quá trình chuyển đổi siêu dẫn không chỉ là sự biến mất của điện trở. Đây là sự chuyển đổi sang một trạng thái vật lý siêu mới. Sự bất thường của hầu hết các tính chất vật lý đã biết đều được quan sát thấy ở chất siêu dẫn. Bất cứ điều gì chúng ta đang nói đến - về nhiệt dung, về sự hấp thụ ánh sáng hoặc âm thanh, về sự gia tăng từ trường - chúng luôn bỏ qua các tính chất đặc biệt của chất siêu dẫn, khác biệt rõ rệt so với tính chất của kim loại thông thường. Khi vượt qua nhiệt độ tới hạn $T_k$, chúng ta thấy mình đang ở trong một thế giới của những định luật đặc biệt. Đó là lý do tại sao chúng ta sẽ không chỉ nói về tính siêu dẫn mà còn nói về trạng thái siêu dẫn của vật chất.

Trước tiên chúng ta hãy tập trung vào câu hỏi chính: bản chất của tính siêu dẫn là gì? Hiện tượng siêu dẫn được giải thích như thế nào và điều gì xảy ra trong một chất khi nhiệt độ của nó tiến tới độ không tuyệt đối?

Hiện tượng siêu dẫn được giải thích như thế nào?

Tính siêu dẫn được phát hiện, như đã đề cập ở trên, vào năm 1911. Việc phát hiện ra Kamerlingh Onnes đã thu hút sự quan tâm lớn. Nhiều nhà vật lý đã thử bằng nhiều cách khác nhau để giải thích sự biến mất của điện trở và các đặc tính khác của trạng thái siêu dẫn. Trong số đó có A. Einstein, người hồi năm 1920 đã ghi nhận sự tương tự giữa chất siêu dẫn và chất sắt từ; một trong những người sáng tạo ra cơ học lượng tử W. Heisenberg, tra tấn

Cơm. 2.

đòi hỏi tính siêu dẫn phải ở độ tuổi tĩnh điện đặc biệt. Chỉ đến năm 1957, công trình của các nhà vật lý người Mỹ D. Bardeen, L. Cooper và D. Schriefer mới xuất hiện, trong đó lý thuyết về tính siêu dẫn được vạch ra.

Lực hút giữa các electron. Tiêu đề của phần này có thể gây ra sự hài lòng về mặt pháp lý. Trên thực tế, các electron, là những hạt có điện tích giống nhau, không nên hút mà đẩy nhau. Tuy nhiên, hóa ra hiệu ứng siêu dẫn được xác định chính xác bởi sự hiện diện của lực giữa các electron.

Khí electron trong kim loại hoặc chất bán dẫn chịu tác dụng của mạng tinh thể, do đó xuất hiện lực hút cơ học. Chúng ta hãy thử hình dung cơ chế phát sinh sự hấp dẫn này. Khoảng cách giữa sự tương tác của hai electron bất kỳ $e_1$ và $e_2$ nằm trong kim loại (Hình 2). Giữa chúng, trước hết, các lực chung của lực đẩy Coulomb tác dụng. Tuy nhiên, ngoài ra, sự hiện diện của mạng tinh thể còn dẫn đến sự xuất hiện của tương tác cơ học bổ sung. Điện tử $e_1$

5

thu hút một hạt từ mạng tinh thể mới và đánh bật nó (ví dụ: nó là $I$ trong Hình 2) khỏi vị trí cân bằng. Điện trường do nano $I$ tạo ra cũng ảnh hưởng đến các electron còn lại nên sự trộn lẫn cũng ảnh hưởng đến chúng. Do đó, với sự “trợ giúp”, tương tác điện bổ sung của các electron được đổi mới. Thuyết siêu dẫn chứng tỏ nó có bản chất là lực hút.

Như vậy, mạng tinh thể là môi trường trung gian tạo ra lực hút giữa các electron. Bản thân sự hấp dẫn có thể được hình dung như sau. Electron thu hút các mạng tinh thể mới. Do sự biến dạng của mạng, electron trở thành một “đám mây” hình tròn mang điện tích dương. Hãy tưởng tượng rằng độ lớn của điện tích dương này vượt quá điện tích của electron, khi đó electron cùng với môi trường xung quanh sẽ hút một electron khác. Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt đủ mạnh sẽ đẩy các hạt ra xa nhau, làm xói mòn “lớp áo” nonna, điều này thực sự làm giảm lực hút xoắn ốc. Ở nhiệt độ thấp, lực hấp dẫn đóng vai trò rất quan trọng.

Câu hỏi có thể được đặt ra: liệu sự tồn tại của lực hút electron giữa các electron có mâu thuẫn với định luật vật lý đã biết hay không? Nếu hai electron ở trong chân không thì tất nhiên chúng sẽ đẩy nhau. Trong môi trường, lực tương tác của chúng bằng
$$F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{e}{r^2}$$

(ε là hằng số điện môi của môi trường). Môi trường có thể có hằng số điện môi âm ε < 0. Điều này dẫn đến sự thay đổi dấu của lực và các electron trong môi trường như vậy sẽ hút nhau. Mạng tinh thể hóa ra là môi trường làm cho hằng số điện môi trong chất siêu dẫn âm.

Do đó, ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, lực đẩy Coulomb và lực hút bổ sung tác dụng giữa các electron. Mọi thứ khác phụ thuộc vào kích thước. Nếu lực đẩy chiếm ưu thế ở độ không tuyệt đối thì kim loại vẫn bình thường và tính chất của nó không thay đổi hoàn toàn. Nếu ở một nhiệt độ nhất định, lực hấp dẫn bắt đầu chiếm ưu thế thì chất đó sẽ chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

Cá cược điện tử. Lực hút giữa các electron dẫn đến hiện tượng siêu dẫn được đặc trưng bởi một số đặc điểm thú vị. Nếu chúng ta theo dõi hành vi của một electron trong chất siêu dẫn, thì hóa ra electron này thu hút các electron khác nhau một cách khác nhau. Nó sẽ “chọn” một electron cụ thể mà nó sẽ hút mạnh nhất. Đặc biệt, electron “được chọn” này tại một thời điểm nhất định sẽ có xung lực ngược lại.

Hệ thống điện tử trong chất siêu dẫn hóa ra được chia thành các cặp electron liên kết. Thành phần các cặp electron không ổn định. Nó thay đổi liên tục nên hệ thống cân kim cương điện tử cũng vậy. Điều này sẽ được thể hiện như thể các electron được thu thập tại một vũ hội và một điệu nhảy được biểu diễn, trong đó các đối tác liên tục thay đổi.

Một hệ quả đặc biệt sẽ tập trung vào câu hỏi về kích thước của một cặp electron. Nó nằm ở mức $10^{-4}$ cm. Để so sánh, chúng tôi lưu ý rằng chu kỳ mạng tinh thể là khoảng $10^{-8}$ cm, do đó các electron có trong cặp nằm ở một khoảng cách rất lớn là $10^4$ chu kỳ mạng với nhau. Tuy nhiên họ lại là những người thu hút mạnh mẽ nhất

6

uốn cong về phía nhau. Nếu trạng thái của một trong các electron trong cặp thay đổi dưới tác động của một lực nào đó (ví dụ, dưới tác dụng của từ trường), thì sự thay đổi này sẽ ngay lập tức ảnh hưởng đến hoạt động của electron kia. Chất siêu dẫn thể hiện ví dụ hiếm nhất về giao tiếp đường dài trong môi trường vô tri.

Khi nhiệt độ tăng lên, vai trò của chuyển động nhiệt hỗn loạn cũng tăng lên. Sự chấp nhận liên điện tử yếu đi, và cuối cùng, ở một nhiệt độ nào đó (đây là nhiệt độ tới hạn $T_k$), chất chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái bình thường, bình thường.

Không có điện trở. Các chất siêu dẫn rất đáng chú ý vì các electron trong chúng không đẩy nhau mà dính vào nhau.

Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, hệ thống điện tử trở thành một tập thể được kết nối. Lực kết dính tác dụng giữa các bộ phận.

Trong kim loại bình thường, khí điện tử có thể tăng năng lượng của nó ở bất kỳ phần nhỏ nào. Trong chất siêu dẫn, khí electron không thể hấp thụ bất kỳ năng lượng nào. Phần năng lượng tối thiểu mà nó có thể hấp thụ là năng lượng liên kết của một cặp electron. Hình ảnh sự vỡ ra của một cặp electron cũng tương tự như sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Các neutron và proton liên kết thành một tổng thể duy nhất và việc phá vỡ hệ thống đòi hỏi năng lượng hữu hạn - năng lượng liên kết của hạt nhân nguyên tử.

Điện trở được biết là có liên quan đến sự tán xạ của các electron do dao động nhiệt của mạng hoặc tạp chất *). Cơ năng của các electron chuyển động chuyển thành năng lượng ấm

*) Chi tiết hơn về bản chất của lực cản được mô tả trong bài viết của M. I. Kaganov và G. L. Lyubarsky “Electron chuyển động có ma sát” («Kvant», 1973, số 6).

Cơm. 3.

7

Ở nhiệt độ trên $T_k$, các đường sức từ sẽ xuyên vào vật chất, giống như bất kỳ kim loại bình thường nào (Hình 3, a). Hãy bắt đầu giảm nhiệt độ mà không tắt từ trường. Ngay khi đạt đến nhiệt độ tới hạn $T_k$, sự chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn sẽ xảy ra; trong trường hợp này, các đường lực bị đẩy ra khỏi chiều dày của mẫu (Hình 3, b). Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Meissner, được phát hiện vào năm 1933.

Làm thế nào để đường sức từ đẩy ra khỏi chất siêu dẫn? Đáp số câu hỏi này có liên quan chặt chẽ đến tác dụng của bản thân tính siêu dẫn, tức là với khả năng xuất hiện dòng điện bất diệt.

Giả sử rằng chúng ta muốn duy trì dòng điện không đổi trong một chất. Trong kim loại bình thường, điều này đòi hỏi phải tạo ra một điện trường không đổi. Từ trường không phù hợp cho mục đích này vì nó không thực hiện bất kỳ công nào và điều này là không cần thiết, vì có sự chuyển động của các electron, xảy ra tổn thất nhiệt và do đó cần phải cung cấp năng lượng liên tục.

Các quá trình hoàn toàn khác nhau phát triển trong chất siêu dẫn. Chúng có điện trở bằng 0 nên không cần thực hiện công để duy trì dòng điện. Dòng điện một chiều trong chất siêu dẫn có thể được tạo ra bởi từ trường. Đây là một tính năng rất quan trọng của điện từ của chất siêu dẫn.

Bây giờ chúng ta quay lại hiệu ứng Meissner. Khi một chất siêu dẫn tiếp xúc với từ trường bên ngoài, một dòng điện siêu dẫn do trường này gây ra sẽ xuất hiện trên bề mặt của nó. Dòng điện này, giống như trường hợp chuyển động của các điện tích, tạo ra từ trường riêng của nó, ngược chiều với từ trường bên ngoài. Lý thuyết siêu dẫn chứng minh rằng bên trong chất siêu dẫn, các trường này được bù hoàn toàn nên không có từ trường ở đó. Như vậy, lớp bề mặt của chất siêu dẫn là một lá chắn từ tính không cho từ trường đi qua chất đó.

“Quan tài của Mohammed” Hiệu ứng Meissner giúp người ta có thể quan sát được một số hiện tượng rất nhỏ.

Ví dụ, đây là một trong số đó. Nếu chúng ta lấy một vòng kim loại trong đó có dòng điện siêu dẫn chạy qua và đặt một quả cầu phía trên nó, cũng ở trạng thái siêu dẫn, thì chúng ta sẽ thấy rằng quả cầu (nếu nó không nặng lắm) nhìn thấy phía trên vòng mà không cần bất kỳ vật đỡ nào.

Hình 4 cho thấy một quả cầu cao hơn các vòng siêu dẫn. Khả năng đình chỉ như vậy được giải thích như thế nào?

Khi dòng điện chạy qua vòng, một từ trường xuất hiện trong không gian xung quanh. Ở trên chúng ta đã nói về dòng điện siêu dẫn có thể được tạo ra bởi từ trường. Đây chính xác là dòng điện sẽ phát sinh trong quả cầu kim loại. Dòng điện này có hướng trong đó từ trường của chính nó ngược chiều với từ trường do dòng điện trong vòng tạo ra. Điều này tuân theo định luật bảo toàn năng lượng giống như định luật Lenz, xác định hướng của dòng điện cảm ứng.

8

Hướng của dòng điện trong vòng và trong quả cầu ngược chiều nhau và điều này dẫn đến xuất hiện lực đẩy. Quả cầu treo ở độ cao được xác định bởi sự cân bằng giữa trọng lực của nó và lực đẩy của dòng điện.

Hình 5 cho thấy một thí nghiệm khác. Nam châm vĩnh cửu là một mẫu kim loại trong đó dòng điện siêu dẫn được tạo ra bởi từ trường. Thí nghiệm này tương tự như thí nghiệm trước. Vai trò của các bánh xe được tạo ra bởi từ trường được thực hiện bởi một nam châm vĩnh cửu. Thí nghiệm này dẫn đến ý nghĩa của “quan tài của Mohammed” (theo truyền thuyết, quan tài của phó Mohammed được nhìn thấy trên không mà không có bất kỳ sự hỗ trợ nào).

Chất siêu dẫn trong từ trường. Lĩnh vực quan trọng. Nếu bạn tăng từ trường bên ngoài, thì ở một số giá trị của nó $B_K$ (giá trị này được gọi là từ trường tới hạn), trạng thái siêu dẫn bị phá hủy và chất này chuyển sang trạng thái bình thường thông thường. Giá trị của $B_K$ phụ thuộc vào nhiệt độ. Càng gần nhiệt độ tới hạn, giá trị $B_K$ càng nhỏ và trạng thái siêu dẫn càng dễ bị phá hủy.

Hình 6 cho thấy giá trị của trường tới hạn $B_K$ thay đổi như thế nào khi nhiệt độ tăng. Trạng thái siêu dẫn ổn định nhất là ở mức không tuyệt đối (giá trị $B_K$, tương ứng với $T = 0^\circ$, tối đa). Khi nhiệt độ trở thành $T_K$, độ lớn của từ trường tới hạn đương nhiên sẽ bằng không.

Do đó, kim loại có thể chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái bình thường mà không làm tăng nhiệt độ. Sự chuyển đổi như vậy có thể xảy ra khi chất siêu dẫn tiếp xúc với từ trường.

Do đó, người ta không nên cho rằng một chất ở nhiệt độ dưới $T_K$ nhất thiết phải là chất siêu dẫn. Nó cũng có thể là kim loại bình thường nếu cường độ từ trường xung quanh vượt quá $B_K$.

Thoạt nhìn, có vẻ như dòng điện siêu dẫn chảy mà không mất nhiệt là lý tưởng để tạo ra từ trường cực mạnh. Thật vậy, khi sử dụng nam châm điện thông thường, tổn thất Joule đóng một vai trò lớn. Nếu muốn thu được từ trường thật mạnh thì cần phải tạo ra những điểm đủ mạnh trong cuộn dây; trong trường hợp này, do tổn thất nhiệt, dây có thể bị nóng chảy.

Trong chất siêu dẫn, do không có tổn thất nhiệt nên không có mối nguy hiểm như vậy. Do đó, có vẻ như bằng cách tăng dòng điện siêu dẫn, chúng ta có thể thu được bất kỳ giá trị cần thiết nào của cảm ứng từ trường. Tuy nhiên, ngay khi ra sân

9

đạt giá trị $B_k$, tính siêu dẫn bị phá hủy và do đó tình hình không đơn giản như vậy.

Tuy nhiên, một loại chất siêu dẫn đã được phát hiện có thể tạo ra từ trường mạnh và chịu được dòng điện mạnh. Nhưng việc mô tả đặc tính của chúng là chủ đề của một câu chuyện riêng.

Nói về tính chất điện từ của chất siêu dẫn, cần lưu ý một đặc điểm thú vị nữa là sự có mặt của các cặp electron liên kết.

Định luật cơ bản mô tả dòng điện một chiều trong kim loại thông thường là định luật Ohm, có thể viết dưới dạng cục bộ: $j = E/\rho$ ($\rho$ là điện trở suất của dây dẫn, $E$ là điện áp điện trường, $j$ là mật độ dòng điện). Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện ở một nơi nhất định trong kim loại được xác định bởi giá trị của điện trường ở nơi đó.

Trong chất siêu dẫn, mọi thứ trông hoàn toàn khác. Như chúng ta đã lưu ý, một dòng điện siêu dẫn không đổi được tạo ra không phải bằng điện trường mà bằng từ trường. Nhưng đây không phải là sự khác biệt duy nhất. Do sự liên kết giữa các điện tử, hóa ra là nếu một trường bên ngoài tác dụng lên bất kỳ electron nào trong chất siêu dẫn, thì hành động này sẽ được “cảm nhận” bởi một electron khác liên kết với nó trong một cặp.

Hãy đặt chất siêu dẫn trong từ trường ngoài. Các electron nằm ở lớp bề mặt (trường không xuyên qua độ dày của mẫu) bắt đầu chuyển động và tạo ra dòng điện siêu dẫn. Trong trường hợp này, electron chuyển động do tác động trực tiếp của từ trường bên ngoài lên nó và dưới tác động của các electron khác liên kết với nó, cũng chịu tác động của trường. Do đó, dòng điện phát sinh ở một vị trí nhất định của chất siêu dẫn không chỉ được xác định bởi giá trị của trường ngoài tại vị trí này,

Cơm. 7. Độ dẫn nhiệt χ của kim loại thường được đánh dấu trên hình bằng các vạch màu xanh, độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn được đánh dấu bằng các vạch màu đỏ.

mà còn có ý nghĩa của nó trong một lĩnh vực nhất định. Mối liên hệ như vậy giữa dòng điện và trường bên ngoài, trái ngược với trường hợp của kim loại thông thường, được gọi là không tiêu điểm.

Tính chất nhiệt của chất siêu dẫn ở nhiệt độ được chia từ $T_k$ hóa ra có giá trị rất nhỏ, kém nhiều so với độ dẫn nhiệt của kim loại thông thường ở cùng nhiệt độ (có thể thực hiện chuyển đổi sang trạng thái bình thường ở cùng nhiệt độ bằng cách sử dụng từ trường). Vì vậy, nhiệt độ của chất siêu dẫn thay đổi rất dễ dàng khi nhiệt lượng được cung cấp hoặc ngược lại khi nhiệt lượng bị loại bỏ.

Hình ảnh truyền nhiệt trong chất siêu dẫn là rất cần thiết. Độ dẫn nhiệt của kim loại thông thường thay đổi theo nhiệt độ. Ví dụ, khả năng dẫn nhiệt của hợp kim giảm khi nhiệt độ giảm. Hợp kim siêu dẫn thể hiện hành vi liên kết. Sau khi chuyển sang trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của nó không mất đi mà quay trở lại khi nhiệt độ giảm, sau đó đạt cực đại và chỉ sau đó mới bắt đầu giảm (Hình 7).

Điều này một lần nữa cho thấy tính siêu dẫn không chỉ là sự vắng mặt

10

Điện trở là một trạng thái đặc biệt của vật chất.

Hiệu ứng Josephson. Tiếp xúc khoảng cách (Hình 8), bao gồm hai màng siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp chất cách điện mỏng (khoảng $10^{-7}\text{cm}$). Các electron có thể di chuyển từ màng này sang màng khác. Ở đây chúng ta sẽ không thảo luận về cơ chế truyền electron qua lớp điện môi, vì điều này không liên quan trực tiếp đến chủ đề câu chuyện của chúng ta. Chúng ta chỉ lưu ý khả năng quan sát một hiện tượng đáng kinh ngạc, chỉ được phát hiện cách đây vài năm.

Nếu đặt một điện thế không đổi vào một tiếp điểm thì dòng điện xoay chiều sẽ được tiêu thụ qua nó. Dòng điện xoay chiều này, chẳng hạn như dòng điện trong mạch dao động, sẽ phát ra sóng điện từ và bức xạ này được quan sát bằng thực nghiệm.

Hiệu ứng này được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh Josephson, người đã dự đoán về mặt lý thuyết khả năng quan sát được nó vào năm 1962.

Như chúng ta đã nói, các cặp electron liên kết xuất hiện trong chất siêu dẫn. Các cặp này đi qua lớp điện môi và thu được năng lượng $2eU$ (U là hiệu điện thế đặt vào tiếp điểm). Ở kim loại thông thường, năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành năng lượng ấm. Khi có dòng điện siêu dẫn chạy qua thì không có điện trở và phần năng lượng $2eU$ mà cặp electron nhận được sẽ phát ra dưới dạng lượng tử có năng lượng $hv = 2eU$. Bức xạ có tần số $v = 2eU/h$ được quan sát bằng thực nghiệm.

Chỉ có dòng điện xoay chiều mới có thể phát ra sóng điện từ. Đây chính xác là dòng điện chạy qua tiếp điểm Josephon.

Biểu thức tần số của bức xạ bao gồm điện tích thỏa đáng của electron. Điều này là do sự tồn tại của các cặp electron; tổng phí của mỗi cái là $2e$. Một electron đơn lẻ khi đi qua hiệu điện thế $U$ sẽ thu được năng lượng $eU$. Việc bức xạ có tần số $v = 2eU/h$ thực sự được quan sát bằng thực nghiệm có thể được coi là sự xác nhận thực nghiệm về tính đúng đắn của ý tưởng về sự tồn tại của các cặp electron liên kết trong chất siêu dẫn.

Hiệu ứng Josephson cho phép bạn tạo ra dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng hiệu điện thế không đổi.

Chúng ta đã nói về bản chất của chất siêu dẫn và một số hiệu ứng quan sát thấy ở chất siêu dẫn. Người ta vẫn có thể mong đợi cơ sở vật lý của tính siêu dẫn sẽ tiết lộ thêm nhiều chitin.