Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные статьи
Начало сайта / Научные статьи

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Безумные идеи

Время, хранимое как драгоценность

Генри Форд. Моя жизнь, мои достижения

Пионеры атомного века

Приключения великих уравнений

Цепная реакция идей

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

«Сверхпроводимость и сверхтекучесть» – новая книга по физике

Леонид Максимов, член-корреспондент РАН

Недавно в издательстве SciencePG (NY) вышла книга:
Boris V. Vasiliev. «Superconductivity and Superfluidity».

Основное содержание этой книги сводится к следующим положениям:

1. Доминирующая сейчас теория БКШ базируется на фононном механизме. Стимулом для разработки её послужило открытие изотоп-эффекта, поскольку было замечено, что у этого эффекта (для некоторых сверхпроводников) оказалась та же зависимость от массы изотопа, что и у граничной частоты фононного спектра.

Позже было экспериментально обнаружено, что замена изотопа ведёт к изменению межатомных расстояний в решетке, к изменению плотности электронного газа и его энергии Ферми, так как оказалось, что нулевые колебания ионов в решётке ангармоничны.

Во время создания БКШ это известно не было.

2. В металле электроны проводимости находятся в некоторой потенциальной яме. Нужно подействовать фотонами или нагревом, чтобы вытащить их из ямы. Наинизший уровень в яме – это уровень нулевых колебаний. Квантовая механика обязывает частицы на низшем уровне совершать эти колебания. При достаточно низкой температуре все бозоны (пары электронов, которые спарились за счёт какого-то (неважно какого) механизма) собираются на низшем уровне и все имеют одну и ту же энергию. То есть одинаковые частоты и амплитуды нулевых колебаний. Но пары при одной и той же энергии могут иметь разные фазы и ориентацию (поляризацию) нулевых колебаний и будут описываться разными волновыми функциями.

3. В силу того, что колеблются заряженные частицы, между ними существует взаимодействие. При достаточно низкой температуре это взаимодействие приводит к некой упорядоченной структуре нулевых колебаний, при которой происходит понижение их энергии за счёт их взаимного притяжения. В результате притяжения образуется сверхпроводящий конденсат, который не рассеивается на дефектах, если энергия рассеяния меньше энергии притяжения.

4. Расчёты показывают, что отношение критической температуры образования такого конденсата в сверхпроводниках 1-го рода к температуре Ферми:

Tc / TF ≈ 5πα3 ≈ 6·10–6(1)

(здесь α – постоянная тонкой структуры).

Для сверхпроводников 2-го рода необходимо сделать ещё одно допущение, и тогда они тоже хорошо описываются подобной формулой. Высокотемпературные сверхпроводники могут быть как 1-го рода, так и 2-го рода.

Эти результаты хорошо согласуются с измерениями (рис. 1).

Сравнение вычисленных значений критических температур сверхпроводников с данными измерений

Рис. 1. Сравнение вычисленных значений критических температур сверхпроводников с данными измерений

Критическое магнитное поле в этой модели – это то поле, которое разрушает когерентность нулевых колебаний частиц конденсата. Это тоже хорошо согласуется с измерениями (рис. 2).

Сравнение вычисленной энергии сверхпроводящей пары в критическом магнитном поле с измеренным значением величины щели в сверхпроводниках

Рис. 2. Сравнение вычисленной энергии сверхпроводящей пары в критическом магнитном поле с измеренным значением величины щели в сверхпроводниках

Здесь уместно подчеркнуть, что в теории БКШ вообще нет работоспособной формулы, определяющей критические параметры конкретных сверхпроводников.

5. Нулевые колебания оболочек нейтральных атомов в s-состоянии рассмотрел Ф. Лондон (в 1937 г.). Он показал, что атомы гелия упорядочивают колебания своих оболочек примерно при 4 К. Это упорядочение энергетически выгодно, так как при этом между атомами возникает притяжение. Он не обратил внимания на то, что при этой температуре упорядочивается только одна мода колебаний. Но и этого достаточно, чтобы ожижить гелий, так как в газе нейтральных бозонов нет отталкивания. Полное упорядочение колебаний происходит при в 2 раза меньшей температуре. Расчёт показывает, что температура полного упорядочения нулевых колебаний зависит только от мировых констант:

\[{T_0} = \frac{1}{3}\frac{{{M_4}{c^2}{\alpha ^6}}}{k} \approx 2,1778K\](2)

Это очень хорошо согласуется с измеренным значением температуры сверхтекучего перехода Tλ = 2,1768K.

Так же при этом появляется возможность вычислить плотность сверхтекучего конденсата в жидком гелии. Оказывается, что плотность частиц в конденсате, также как и T0, зависит только от отношения мировых констант:

\[{n_0} = \frac{{{\alpha ^2}}}{{a_B^3}}\sqrt {\frac{{{M_4}}}{{2{m_e}}},} \](3)

здесь aB – радиус Бора.

Так как при низкой температуре в конденсат переходят все атомы гелия, то отсюда можно вычислить плотность жидкого гелия:

γ4 = n0M4 ≈ 0,1443 г/см3,(4)

что хорошо согласуется с измеренной плотностью жидкого гелия равной 0,145 г/см3.

Уместно подчеркнуть, что вышеприведённые формулы получены из рассмотрения механизма упорядочения нулевых колебаний и ранее известны не были.

На основании согласия полученных формул с данными измерений автор делает вывод о том, что и сверхпроводимость, и сверхтекучесть являются следствием работы одного и того же механизма – оба этих родственных явления возникают в результате упорядочения нулевых колебаний.

Таково основное содержание книги Б. Васильева. Полагаю, что физикам нашей страны будет интересно её прочесть, поскольку в ней представлено новое оригинальное объяснение явлений сверхпроводимости и сверхтекучести. С этой новой теорией можно соглашаться или не соглашаться, но её обсуждение будет полезным для развития понимания этих явлений.

 

Об авторе:

Леонид Александрович Максимов, член-корреспондент РАН. Главный научный сотрудник Института сверхпроводимости и физики твёрдого тела Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».

Дата публикации:

18 сентября 2015 года

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика