Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
2. Принципы действия сквидов
2.1. Сверхпроводимость и измерение
магнитного поля с помощью сквидов
Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. Камерлинг-Оннесом вскоре после того, как ему удалось получить жидкий гелий. Он обнаружил, что при температуре, чуть большей 4 К, электрическое сопротивление ртути падает до неизмеримо малой величины. Впоследствии явление сверхпроводимости наблюдалось и для многих других металлов; два из них широко применяются в сверхпроводящих приборах-это олово и ниобий (температура перехода 7,2 и 9,2 К соответственно).
Разработка сквидов последовала за фундаментальными теоретическими и экспериментальными работами конца 50-х-начала 60-х годов, приведшими к созданию теории сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффера (теории БКШ) (Bardeen, Cooper, Schrieffer, 1957), а затем к предсказанию (Josephson, 1962) и наблюдению (Anderson, Rowell, 1963) туннелирования куперовских пар.
Сверхпроводящее состояние характеризуется прежде всего тем, что сопротивление металла при постоянном токе равно нулю. Феноменологическое описание этого явления основано на так называемой двухжидкостной модели, в которой предполагается, что ниже температуры перехода часть электронов как бы конденсируется в сверхпроводящее состояние, и при понижении температуры в этом состоянии оказывается все большая доля электронов. В сверхпроводнике, находящемся в постоянном электрическом поле, ток переносится исклю-
чительно такими «сверхпроводящими» электронами, распространяющимися в кристаллической решетке металла без рассеяния. В переменном же поле часть энергии передается «обычным» электронам, и возникает отличное от нуля сопротивление.
Другое явление, характерное для сверхпроводящего состояния,-это выталкивание магнитного потока, или эффект Мейснера. Он состоит в том, что на поверхности тела, находящегося во внешнем магнитном поле, при переходе в сверхпроводящее состояние возникают токи, магнитное поле которых в точности компенсирует поле в объеме тела. Известно, что обычно эффект Мейснера не бывает полным, поскольку часть потока все-таки захватывается внутри сверхпроводящего металла. Это обстоятельство связано с наличием в реальных металлах неоднородностей, на которых и происходит закрепление («пиннинг») захваченного потока, так что именно такое состояние оказывается энергетически более выгодным по сравнению с состоянием, когда поток полностью вытолкнут. Проблема захватывания потока является одной из самых серьезных при создании сверхпроводящих магнитных экранов. Заметим, что из-за эффекта Мейснера при сверхпроводящем переходе происходит существенное изменение магнитного поля в сверхпроводнике и его окрестности.
По характеру поведения в магнитном поле сверхпроводники подразделяются на две группы. К первой группе, называемой сверхпроводниками первого рода, относятся мягкие металлы-такие как свинец, олово и ниобий, с температурами перехода, не превышающими 9 К. В сверхпроводниках первого рода наблюдается полное выталкивание потока в полях, меньших критического Нс, которое обычно не превышает 1 ООО Гс. К сверхпроводникам второго рода относятся механически более твердые материалы-в основном сплавы и различные соединения. Для них значения критических полей выше-до 105 Гс, а температура перехода достигает 21,5 К. В этих материалах поток полностью выталкивается только в том случае, если внешнее поле не превосходит нижнего критического значения Нс1, которое составляет ~ 102 Гс. При больших полях магнитный поток начинает проникать внутрь образца, который, однако, продолжает сохранять сверхпроводящие свойства, пока поле не достигнет верхнего критического значения Нс2. Здесь сверхпроводимость исчезает, и металл переходит в обычное состояние. Сверхпроводники первого рода используются в случаях малых значений поля для магнитного экранирования, например в магнитометрах, применяющихся для исследования горных пород (см. ниже). В случае сильных магнитных полей необходимо применять сверхпроводники второго рода. Большинство сквидов также изготавливается из этих материалов, обычно из нагартованных ниобия или сплава ниобий-титан.
Согласно квантовомеханическим представлениям, часть электронов в сверхпроводнике находится в определенном макроскопическом состоянии, которое описывается одной волновой функцией. Эта идея была
предложена Фрицем Лондоном и основывалась на его концепции дальнего порядка в пространстве импульсов. Впоследствии Гинзбург и Лондон ввели в теорию параметр порядка, характеризующий сверхпроводящее состояние.
Микроскопическая теория сверхпроводимости (Bardeen et al., 1957) была создана после того, как удалось установить, что в сверхпроводниках существует слабое притяжение между некоторыми электронами, связывающее их в пары. Благодаря этому взаимодействию и возникает соответствующее упорядочение, отмеченное впервые Лондоном. Представление о коррелированном движении электронов позволяет просто объяснить отсутствие в сверхпроводнике обычного электрического сопротивления, которое, как известно, возникает из-за рассеяния электронов проводимости на атомах кристаллической решетки. Если движение большой группы электронов согласовано, то рассеяние одного электрона будет лишь слабо возмущать движение группы как целого. Именно поэтому рассеяние электронов почти не влияет на ток в сверхпроводнике. Важность представления о коррелированном движении электронов для объяснения явления сверхпроводимости оценил еще Лондон. Однако до создания теории БКШ не удавалось точно описать это явление, поскольку не был выявлен тот факт, что ток в сверхпроводнике создается не отдельными электронами, а парами электронов. Притяжение между электронами в паре возникает в результате их взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки. Образно говоря, один из электронов пары притягивается к «кильватерной струе», оставляемой другим электроном при его движении сквозь решетку. Такие пары взаимодействующих электронов принято называть купе-ровскими.
