ання магнітного поля з надпровідного зразка (ефект Мейснера) означає, що у присутності зовнішнього магнітного поля такий зразок поводиться як ідеальний діамагнетик тієї ж форми з магнітною сприйнятливістю?=1/4 ?. Зокрема, якщо зразок має форму довгого суцільного циліндра, а зовнішнє поле Н однорідно і паралельно осі циліндра, то магнітний момент, віднесений до одиниці об'єму, М=-Н/4?. Це приблизно в 106 разів більше за абсолютною величиною, ніж для металу в нормальному стані. Ефект Мейснера пов'язаний з тим, що при Н lt; НК в поверхневому шарі (завтовшки 10-5-10-6 см) надпровідного циліндра з'являється кругової незатухаючий струм, сила якого якраз така, що магнітне поле цього струму компенсує зовнішнє поле в товщі надпровідника.
Малюнок 8.3 - Схема утворення електронних пар в надпровідному металі
Фізична природа надпровідності. Явище надпровідності можна зрозуміти і обгрунтувати тільки за допомогою квантових уявлень. Майже півстоліття з моменту відкриття сутність цього явища залишалася нерозгаданою через те, що методи квантової механіки ще не повною мірою використовувалися у фізиці твердого тіла. Мікроскопічна теорія надпровідності, що пояснює всі досвідчені дані, була запропонована в 1957 р американськими вченими Бардіним, Купером і Шріффером (теорія БКШ). Значний внесок у розвиток теорії надпровідності внесли роботи радянського академіка Н.Н. Боголюбова. Згідно сталим уявленням, явище надпровідності виникає в тому випадку, коли електрони в металі притягуються один до одного. Тяжіння електронів можливо тільки в середовищі, що містить позитивно заряджені іони, поле яких послаблює сили кулонівського відштовхування між електронами. Притягатися можуть лише ті електрони, які беруть участь в електропровідності, тобто розташовані поблизу рівня Фермі. Якщо таке притягання має місце, то електрони з протилежним напрямком імпульсу і спина зв'язуються в пари, звані куперовскими. В освіті куперовских пар вирішальну роль відіграють взаємодія електронів з тепловими коливаннями решітки - фононами. У твердому тілі електрони можуть як поглинати, так і породжувати фонони. Подумки уявімо собі наступний процес: один з електронів, взаємодіючи з гратами, переводить її в збуджений стан і змінює свій імпульс; інший електрон, також взаємодіючи з гратами, переводить її в нормальний стан і теж змінює свій імпульс. В результаті стан решітки не змінюється, а електрони обмінюються квантами теплової енергії - фононами. Обмінне фононне взаємодія і викликає сили притягання між електронами, які перевершують сили кулонівського відштовхування. Обмін фононами за участі решітки відбувається безперервно. У спрощеному вигляді обмінне фононне взаємодія проілюстровано схемою (малюнок 8.3). Електрон, що рухається серед позитивно заряджених іонів, поляризує решітку, т. Е. Електростатичними силами притягує до себе найближчі іони. Завдяки такому зміщенню іонів в околиці траєкторії електрона локально зростає щільність позитивного заряду. Другий електрон, що рухається слідом за першим, природно, може притягатися областю з надмірною позитивним зарядом. У результаті непрямим чином, за рахунок взаємодії з гратами, між електронами 1 і 2 виникають сили тяжіння. Другий електрон стає партнером першого - утворюється куперівська пара. Оскільки сили тяжіння невеликі, спарені електрони слабо локалізовані в просторі. Ефективний діаметр куперовской пари має порядок 10-7 м, т. Е. Охоплює тисячі елементарних комірцік. Ці парні освіти перекривають один одного, постійно розпадаються і знову створюються, але в цілому всі пари утворюють електронний конденсат, енергія якого за рахунок внутрішньої взаємодії менше, ніж у сукупності роз'єднаних нормальних електронів. Внаслідок цього в енергетичному спектрі надпровідника з'являється енергетична щілина? Д - область заборонених енергетичних станів (малюнок 8.4). Сприяння електрони розташовуються на дні енергетичної щілини. Груба оцінка показує, що кількість таких електронів становить близько 10-4 від загального їх числа [2, С.69].
Розмір енергетичної щілини залежить від температури, досягаючи максимального значення при абсолютному нулі і повністю зникаючи при Т=ТСВ. Теорія БКШ дає наступну зв'язок ширини щілини з критичною температурою переходу
(8.1)
Формула (8.1) досить добре підтверджується експериментально. Для більшості надпровідників енергетична щілина складає 10-4-10-3 еВ.
Як було показано, електричний опір металу обумовлено розсіюванням електронів на теплових коливаннях решітки та на домішках. Однак при наявності енергетичної щілини для переходу електронів з основного стану в збуджений потрібно достатня порція теплової енергії, яку при низьких температурах електрони не можуть отримати від решітки, оскільки енергія теплових коливань менше ширини щілини. Саме тому спарені електрони не розсіюют...
