gototopgototop

УДК 538.945

Гипотеза о причинах сверхпроводимости

Савинов Сергей Николаевич – студент Белорусского государственного университета.

Аннотация: В статье приводится краткое описание гипотезы о механизмах сверхпроводимости. Тематика статьи является изученной, по явлению сверхпроводимости на современном уровне развития науки разработана теоретическая модель, позволяющая не только успешно описать многие свойства сверхпроводников, но и в достаточном объеме производить расчеты их свойств сверхпроводников.

Ключевые слова: Сверхпроводимость, «резонансная волна».

Известно, что сверхпроводимость представляет собой состояние некоторых веществ, характеризующееся появлением у этих вещества ряда свойств и проявления, в том числе отсутствием электрического сопротивления (меньше уровня доступного современным измерениям). Сверхпроводимость появляется скачкообразно, фазовым переходом 2 рода, при понижении температуры ниже критической температуры, величина которой характерна для каждого сверхпроводника в отсутствие внешнего магнитного поля. В кристаллических решетках металлов имеются свободные электроны, обеспечивающие электрическую проводимость металлов. Электроны распределены в кристаллической решетке металлов неоднородно, подчиняясь закону распределения Ферми-Дирака они находятся в соответствии с уровнем своей энергии в большинстве в пределах так называемых поверхностей Ферми (для электронов с энергией меньше энергии Ферми) и часть электронов (возбужденные) в остальном пространстве. Поверхности Ферми скоординированы симметрично ионам в кристаллической решетке и имеют весьма различную геометрию, зависящую от вещества.

В целях дальнейшего объяснения механизма сверхпроводимости следует предположить существование нового квантового состояния, в которое переходят свободные электронов. Рассматривая в аспекте корпускулярно-волнового дуализма свойства электрона, которые являются волновыми, можно предположить, что несколько электронов, обладающих одинаковой энергией и находящиеся друг от друга на расстоянии величины длины волны Де Бройля, соответствующей энергии каждого из этих электронов, взаимодействуют по типу резонанса, образуя общий вектор и одно волновое состояние (далее в тексте «резонансная волна») с вектором, соответствующему суперпозиции вектором образующих её электронов. Волновые функции двух и более электронов формируют вектор волны (1):

Образуемое несколькими электронами квантовое состояние многоэлектронной волны, вероятно, представляющей собой стоячую волну электрического поля с корпускулярной основой в виде цепочки электронов образующих вектор распространения волны. Посредством колебаний электрического поля волны происходит передача энергии вдоль вектора резонансной волны без пространственного перемещения образующих её электронов. В отличие от электронов в обычном состоянии, многоэлектронная резонансная волна не взаимодействует с атомами кристаллической решетки проводника, кроме дифракции, и не требует переноса массы, производя в сверхпроводнике бездиссипативный перенос энергии в виде электрического тока. Квантовое состояние резонансной волны, вероятно, имеет место при образовании устойчивых стационарных орбит электронов в атоме, соответствующих принципу квантования стационарных орбит Де Бройля. Электроны на орбите вокруг ядра взаимодействуют, образуя замкнутую резонансную волну, обусловливая более вероятностным квантовым состоянием стационарность орбит.

Перенос тепловой энергии в кристалле происходит посредством кинетического движения электронов, электронные же волны в теплопроводности не задействованы, так как представляют собой волны электрического поля. Принцип Паули сохраняется для электронов в многоэлектронной резонансной волне по причине того, что их волновые функции в ином квантовом состоянии представляются единой квантовой структурой, а не единым квантовым состоянием. Сама же резонансная волна, будучи состоящей из электронов с разными спинами, имеет собственный целочисленный спин, подчиняясь статистике Бозе-Эйнштейна.

Нестационарный эффект Джозефсона является следствием волнового механизма переноса электрической энергии в сверхпроводнике и представляет собой прохождение электрического тока в виде резонансных волн через пространство лишенное электронов проводимости, например, через тонкий диэлектрический слой, своей толщиной не превосходящий длину резонансной волны. Электрической ток в таком контакте переходит без переноса электронов. Нестационарный эффект Джозефсона связан с эмиссией электронов между сверхпроводящими контактами, экранирующие при этом резонансные волны, излучая при это квант энергии равной 2Ve - сумме собственно энергии эмиссионного электрона и поглощенной энергии резонансной волны.

Образование и распространение многоэлектронных резонансных волн в металле при обычных условиях (при высокой температуре) невозможно, ввиду наполненности объема кристаллической решетки свободными электронами с широким спектром энергий – при этом многообразие величин длин волн Де Бройля этих электронов вносит между ними волновой диссонанс, а образующиеся многоэлектронные волны теряя условия резонанса на электронах с иными длинами волн прекращают свое распространение и существование. Свободные возбужденные электроны экранируют многоэлектронные резонансные волны, поэтому сверхпроводимости при таких условиях не возникает. При экранировании энергия резонансных волн передается экранирующим электронам, преобразуясь в кинетическую энергию, которая в свою очередь рассеивается в энергию других электронов или ионов вещества, сохраняя общее термодинамическое равновесие системы, на которое трансформация резонансных волн в кинетическую энергию электронов, разумеется, не влияет. Резонансные волны представляют собой квантовое состояние электрического поля с волновыми свойствами, при котором кинетическая энергию участвующих в её образовании электронов не изменяется, поэтому резонансные волны, собственно, в свойствах теплоемкости не дают вклада.

Известно, что свободные электроны в кристаллической решетке металлов подчиняясь статистике Ферми-Дирака распределяются в кристаллической решетке неоднородно, образуя концентрации, форма которых характерна для разных металлов и ограничена поверхностью Ферми. При температуре Т=0К, за пределами поверхности Ферми нет электронов, а электроны самих поверхностей характеризуются величиной энергии равной энергии Ферми. Поверхность Ферми возможно в плане источника распространения резонансных волн считать более фактической, чем просто математическая формальность. Величина энергии Ферми электронов металлов находится в диапазоне около 1-15 эВ, при этих же условиях длина волны Де Бройля для таких электронов составляет около 7-10 А, что в несколько раз больше среднего расстояния между ионами кристаллической решетки. При температуре Т=0К поверхности Ферми представляют собой набор электронов с калиброванным уровнем энергии (обладают равными уровнями энергий), и благодаря тому, что между поверхностями Ферми в металле отсутствуют свободные электроны с иными энергиями и длинами волн, появляются условия для резонанса электронов с равными энергиями сосредоточенными на поверхностях Ферми, собственно происходит образование и распространение многоэлектронных резонансных волн в металле, появляется показатель порядка, обусловливающий фазовый переход II рода и образуя сверхпроводимость. При температуре Т=0К имеются необходимые условия для сверхпроводимости и единственным ограничением является геометрия кристаллической решетки и поверхностей Ферми, которая по тем или иным причинам исключает перемещения в веществе резонансных волн, поскольку в пределах поверхности Ферми также происходит экранирование резонансных волн ввиду наличия электронов с широким спектром энергий, поэтому сверхпроводимость при Т=0К возникает не во всех металлах. Экранирующий эффект свободных электронов проводимости связанный с их наличием и концентрацией в кристаллической решетке пропорционально снижается по мере приближения температуры металла к 0К, поэтому переход в сверхпроводящее состояние должен возникать более постепенно по мере повышения вероятности прохождения резонансных волн через экранирующие электроны. В процессе прекращения экранирования резонансных волн электронами отводится ионам кристаллической решетки, ионы благодаря совершаемым тепловым колебаниям осуществляют воздействие на экранирующие электроны находящиеся рядом. Колебания ионов посредством кулоновского взаимодействия формируют в среде свободных электронов волны соответствующих частот колебаний, которые носят характер периодических изменений «волн» концентрации распределения электронов проводимости в межатомном пространстве, что при совокупности условий формирует тоннели с достаточно низкой концентрацией экранирующих электронов, становящиеся областями проведения резонирующих волн и образованию сверхпроводимости. Колебания атомов кристалла, таким образом, среди прочих условий окончательно определяет величину критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние, обуславливая изотопический эффект. Суммируя описанные механизмы перемещения резонансных волн в веществе возможно описать возможность возникновения сверхпроводящего состояния уравнением:

где, n – плотность возбужденных электронов с энергией большей энергии Ферми, p – изменение плотности возбужденных электронов вызанное колебаниями ионов, l – коэффициент зависимости длины пробега резонансных волн от концентрации экранирующих электронов, a – среднее расстояние между атомами кристаллической решетки, k – коэффициент, зависящий от геометрии поверхностей Ферми, определяющий возможность в данной структуре сверхпроводимости при Т = 0К.

Поскольку резонансные волны имеют электрический заряд, под действием магнитного поля имеющиеся в веществе резонансные волны с хаотической ориентацией векторов приобретают упорядоченность образуя замкнутые токи подчиненные правилу стационарных орбит атомов, то есть кратность длины окружности длинам вол Де Бройля образующих их электронов. Образующиеся сверхпроводящие токи собственным магнитным полем противоположны по вектору внешнему магнитному полю. Аналогично при эффекте Джозефсона резонансные волны в диэлектрической щели между сверхпроводниками в виде электрического тока входят в суперпозицию с сонаправленным внешним магнитным полем.

Внешнее магнитное поле вызывает в сверхпроводнике не только замкнутые сверхпроводящие токи, образованные резонансными волнами, но и деформацию поверхностей Ферми, смещения колебаний ионов, перемещения свободных электронов, в совокупности происходит нарушение условий образования или, в большей степени, прохождения резонансных волн с соответствующим усилением условий возврата в сверхпроводящее состояние, в частности понижение критической температуры. Критический ток производит на сверхпроводник действие подобное внешнему магнитному полю. Величина глубины проникновения магнитного поля обусловлена влиянием магнитного поля на геометрию поверхностей Ферми, а влияние магнитного поля на состояние сверхпроводимости обусловлено увеличением количества экранирующих электронов близи поверхности Ферми.

В кристаллической структуре сплавов имеется обусловленная разнородным химическим составом диспропорции влияния разных ионов на свободные электроны проводимости возникает такое перераспределение свободных электронов с концентрацией к более крупным, заряженным и активным ионам, что в окрестностях менее сильного влияния других ионов имеет место снижение концентрации свободных ионов и соответственно участки ослабления экранирования электронами. В подобных сплавах, либо металлах с асимметрией ионов кристаллической решетки, наблюдается мозаичное распределение плотности экранирующих электронов, что соответственно, в некоторых областях сверхпроводника позволяет иметь материалу более облегченные условия для перехода в сверхпроводимость (большую величину критической температуры) – тоннели сверхпроводимости, а также наличие сверхпроводимости совместно с нормальной проводимостью, что наблюдается у сверхпроводников 2 рода. Вихри Абрикосовая оказываются следствием наличия в структуре участков обычной проводимости (аналогично диэлектрической щели Джозефсона), поэтому им свойственен пиннинг, то есть привязка их локализации к поверхности сверхпроводника. Внешнее магнитное поле двухступенчатое влияет на сверхпроводник 2 рода, нарушая сверхпроводимость в областях решетки с наименьшим выполнением условий распространения резонансных волн.

Исходя из рассмотренной гипотезы, следует предположить, что скорость распространения энергии в виде резонансных волн превосходит скорость кинетического движения электронов проводимости, возможно приближаясь к фазовой скорости света в данной среде. Опытная установка (рис 1.) может иметь следующий вид: в электрическую цепь параллельно подключены два проводника – одинаковой длины, поперечного сечения и одного материала, при этом один проводник сверхпроводящий с температурой близкой к критической температуре перехода в сверхпроводящее состояние и с присоединенным для компенсации сопротивления резистором со стороны контакта «-«, а другой проводник - нормальный проводник с температурой близкой к критической, но выше. Через оба проводника подключается переменный с высокой частотой ток с постоянной полярностью. Со стороны контакта «+» (сторона прихода электрического тока от обоих проводников), участки цепи между проводниками и источником тока соединены амперметром, фиксирующим разность между частями электрической цепи обоих проводников. При предполагаемом наличии разницы в скорости прохождения электрического тока между сверхпроводником и нормальном проводником при прочих равных условиях, в том числе при равных величинах сопротивления (за счет компенсирующего резистора у сверхпроводника) будет наблюдаться десинхронизация фаз между частями цепи обоих проводников, которое будет фиксировать амперметром.

Рисунок 1. Опыт по обнаружению скорости проведения электрического тока.

Вывод: Предложенная модель сверхпроводимости описывает несколько иные механизмы этого явления, чем в существующей на сегодняшний момент достаточно разработанных и проверенных теориях. Предположена гипотеза о существовании «резонансных волн», в некотором виде аналога куперовских пар электронов.

Список литературы

  1. Сверхпроводимость второго рода / Д. Сан-Жам, Г. Сарма, Е. Томас. – М.: Машиностроение, 2013.
  2. Сверхпроводимость / В.Л. Гинзбург, Е.А. Андрюшин. - М.: Альфа-М, 2006.
  3. Физические основы сверхпроводимости / Ципенюк Ю.М. :Учеб. для вузов. - М.: Высш. школа., 1996.
  4. Сверхпроводимость / Э. Линтон. - М.: Мир, 1990.
  5. Сверхпроводимость / Д. Шенберг. - М.: Изд. иностр. лит., 1989.
Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его изготовление и доставку, составляет 300 рублей для России и 600 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость печатного свидетельства о публикации составляет 100 рублей

Реквизиты для оплаты через банк