Tính siêu dẫn: lịch sử, ý tưởng hiện đại, những tiến bộ gần đây

5

SIÊU DẪN…

Tính siêu dẫn:

lịch sử, ý tưởng hiện đại, những thành công gần đây

A.ABRIKOSOV

Hiện tượng siêu dẫn được nhà vật lý người Hà Lan Kamerlingh Onnes phát hiện vào năm 1911. Kamerlingh Onnes là người đầu tiên thu được helium lỏng và ông đã sử dụng nó để tạo ra máy điều hòa nhiệt độ - thiết bị có thể duy trì nhiệt độ ở nhiệt độ rất thấp. Đặc biệt, ông quyết định kiểm tra tính đúng đắn của những ý tưởng tồn tại vào thời điểm đó về hành vi của điện trở ở nhiệt độ thấp. Đo điện trở của thủy ngân, Kamerlingh Onnes phát hiện ra rằng nó đột ngột biến mất ở nhiệt độ khoảng 4 K. Hiện tượng này được gọi là siêu dẫn, và nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn được gọi là tới hạn. Hiện nay, nhiều chất siêu dẫn được biết đến với nhiều nhiệt độ tới hạn khác nhau, từ vài phần một độ đến khoảng 100 K. Nhưng tôi sẽ nói về nhiệt độ tới hạn sau. Các nghiên cứu sau đó về chất siêu dẫn đã tiết lộ nhiều tính chất đáng chú ý của chúng. Vì vậy, hóa ra chất siêu dẫn bị phá hủy bởi từ trường. Trường tới hạn mà tại đó điều này xảy ra phụ thuộc vào nhiệt độ. Người ta còn phát hiện thêm rằng tính siêu dẫn biến mất ngay cả khi có dòng điện đủ lớn chạy qua mẫu. Cuối cùng, cái gọi là hiệu ứng Meissner đã được phát hiện, bản chất của nó như sau. Nếu bạn đặt một kim loại vào từ trường không mạnh lắm và hạ nhiệt độ xuống thì khi kim loại chuyển sang trạng thái siêu dẫn, các đường sức sẽ đùn ra

Xuất bản năm «Kvant» số 6, 1988.

thoát khỏi nó Nghiên cứu sau đó cho thấy, trên thực tế, trong quá trình chuyển đổi như vậy, một lớp nhỏ dày $10^{5} 10^{6}$ cm xuất hiện trên bề mặt chất siêu dẫn, trong đó dòng điện luân chuyển, che chắn hoàn toàn các vùng bên trong của mẫu khỏi từ trường bên ngoài. Độ dày của lớp này được gọi là độ sâu thâm nhập. Tôi sẽ không liệt kê tất cả các sự kiện chỉ ra tính chất của chất siêu dẫn. Rất nhiều trong số đó đã được phát hiện. Tuy nhiên, bản thân hiện tượng này vẫn còn bí ẩn. Hơn nữa, có một số tình huống cơ bản dường như khiến cho hiện tượng siêu dẫn không thể xảy ra. Năm 1937, PL. Kapitsa đã phát hiện ra hiện tượng siêu chảy của helium lỏng - khả năng nó chảy qua các mao mạch hẹp mà không có bất kỳ ma sát nào. Bốn năm sau, L.D. Landau đã có thể giải thích hiện tượng này. Trong lý thuyết của Landau, cái gọi là tiêu chí siêu chảy đã được rút ra, theo đó độ nhớt có thể phát sinh khi di chuyển với tốc độ vượt quá một tốc độ tới hạn nhất định. Tôi sẽ mô tả nó một cách định tính. Sự giảm tốc của helium có nghĩa là sự thay đổi năng lượng và động lượng của nó. Tuy nhiên, helium lỏng là chất lỏng lượng tử và có thể thay đổi năng lượng và động lượng bằng cách hấp thụ và phát ra một số lượng tử nhất định gọi là giả hạt. Những giả hạt này hành xử giống như những hạt thực về thể tích của một vật thể, mặc dù có mối quan hệ bất thường giữa năng lượng và động lượng. Sự khác biệt giữa chúng và các hạt thông thường - electron, photon - là các giả hạt không thể tồn tại bên ngoài cơ thể. TRONG

8

KVANT 2017/№6

một chất siêu dẫn lớn sẽ không vỡ thành các lớp mỏng kim loại bình thường và siêu dẫn và không duy trì tính siêu dẫn ở trường cao hơn nhiều? Xét cho cùng, trường tới hạn của một lớp mỏng cao hơn trường tới hạn của chất siêu dẫn lớn. Sự phân chia thành các lớp không xảy ra vì trong tất cả các chất siêu dẫn nguyên chất chỉ gồm một kim loại, có một năng lượng bề mặt đặc biệt phát sinh ở ranh giới giữa pha thường và pha siêu dẫn. Năng lượng này, giống như sức căng bề mặt, có xu hướng làm giảm diện tích bề mặt của các ranh giới. Lý thuyết vi mô giải thích nguồn gốc của nó. Hóa ra nó có liên quan đến kích thước hữu hạn của các cặp Cooper. Nếu kích thước này giảm đi, năng lượng bề mặt có thể đổi dấu và trở nên âm. Do đó, sự phân chia tự nhiên của các chất siêu dẫn phát sinh thành chất siêu dẫn loại thứ nhất - có năng lượng bề mặt dương và chất siêu dẫn loại thứ hai - có năng lượng bề mặt âm. Cần lưu ý rằng chất siêu dẫn loại II phổ biến hơn nhiều so với chất siêu dẫn loại I. Hơn nữa, bất kỳ chất siêu dẫn nào thuộc loại thứ nhất đều có thể được chuyển đổi thành loại thứ hai. Để làm được điều này, chỉ cần đưa một lượng nguyên tử tạp chất nhất định vào đó hoặc làm hỏng mạng tinh thể là đủ. Các electron bắt đầu phân tán trên những khuyết tật này. Mô hình chuyển động của electron thay đổi và kích thước của các cặp trở nên nhỏ hơn. Với nồng độ khuyết tật đủ lớn, chất siêu dẫn loại 1 nhất thiết phải chuyển thành chất siêu dẫn loại 2. Bây giờ tôi sẽ nói một chút về tính chất của chất siêu dẫn loại II. Vì năng lượng bề mặt của chúng là âm nên không có gì ngăn cản được sự phân chia vô hạn thể tích của chúng thành các vùng bình thường và siêu dẫn. Do đó, tính siêu dẫn trong chúng dần bị dịch chuyển khi từ trường ngoài tăng dần, bắt đầu từ một giá trị trường nhất định $B_{кр1}$. Chuyển sang trạng thái bình thường

Trạng thái này được hiện thực hóa ở trường tới hạn trên $B_{кр2}$. Ý nghĩa vật lý của $B_{кр2}$ như sau. Trong từ trường, các electron, là các hạt tích điện, chuyển động dọc theo quỹ đạo xoắn ốc và bán kính xoắn ốc tỷ lệ nghịch với B. Nếu bán kính xoắn ốc nhỏ hơn kích thước của cặp thì cặp đó không thể tồn tại được nữa và tan rã. Nếu từ trường bên ngoài thấp hơn $B_{кр2}$, nhưng trên $B_{кр1}$, thì nó sẽ thâm nhập một phần vào chất siêu dẫn. Điều này xảy ra do sự xuất hiện của dòng điện xoáy trong chất siêu dẫn. Hóa ra những xoáy này là những vật thể lượng tử. Mỗi người trong số họ mang một lượng tử từ thông. Nếu muốn, chúng ta có thể nói rằng số đường sức đi qua mỗi cơn xoáy như vậy được xác định chặt chẽ. Lượng tử thông lượng có giá trị rất nhỏ và bằng

0 ℏ e

$2 10^{15}$ Wb.

Khi trường bên ngoài giảm, các xoáy phân kỳ và trong trường $B_{кр1}$ biến mất hoàn toàn khỏi chất siêu dẫn. Trên thực tế, trường $B_{кр1}$ là trường tại đó một xoáy vẫn có thể tồn tại trong chất siêu dẫn. Vùng giữa các trường $B_{кр1}$ và $B_{кр2}$ được gọi là trạng thái hỗn hợp. Ở trạng thái này, chất siêu dẫn bị xuyên qua bởi các sợi xoáy - các cuộn dây điện cực nhỏ được sắp xếp theo đúng thứ tự. Trong mặt cắt ngang chúng tạo thành một mạng hình tam giác. Mỗi xoáy có một lõi có kích thước bằng kích thước của cặp Cooper; lõi này có thể được coi là một vùng kim loại bình thường.

(Còn tiếp)