Технические дисциплины - Микроэлектроника

Криоэлектроника.

Сверхпроводимость.

 

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году при исследовании проводимости ртути при низких температурах.

В дальнейшем сверхпроводимость была обнаружена у многих веществ.

Температура сверхпроводимости у Nb3Ga составляет 20,3 К.

Однако продвижение в этой области слабое.

В 1986 г. Инженеры IBM получили на основе керамики La-Ba-CuO сверхпроводник при 30 К.

В 1988 г. При замене лантана на иттрий температуру удалось повысить до 93 К. При использовании же теллура – 125 К.

На сегодняшний день рекорд продвижение остановилось на отметке 190 К, что было получено в начале 90-х годов прошлого века.

 

Купер предложил модель сверхпроводимости, в основе которой лежит спаривание электронов при низких температурах. Электроны объединяются в куперовские пары. Каждая пара имеет заряд 2e.

Обычные электроны в зоне проводимости являются условно свободными (их энергия значительно больше энергии взаимодействия) и обладают спином ±1/2, т.е. подчиняются статистике Ферми-Дирака и являются фермионами.

При температурах, близких к абсолютному нулю электроны занимают все низшие состояния. При этом уровень с максимальной энергией – поверхность Ферми. Скорость электрона на уровне Ферми составляет порядка 108 см/с.

Купер предположил, что вблизи поверхности Ферми при низкой температуре электроны не отталкиваются, а притягиваются. Даже при очень слабом притяжении электроны с противоположными спинами должны объединяться в куперовские пары.

Одноименно заряженные частицы отталкиваются только в вакууме. Электроны же проводимости находятся в решетке.

 

Взаимодействие между двумя частицами сопровождается появлением третьей частицы, существующей некоторое короткое время.

Максимальная частота колебаний кристаллической решетки определяется минимальной длиной волны колебания, приблизительно равной 3А0.

, V – скорость звука в среде (~105 м/с)

Гц.

(при 100 К).

Эта энергия уже может осуществить подавление кулоновского отталкивания электронов.

Два электрона, объединяясь в пару, образуют новую виртуальную чатицу. При образовании выделяется энергия связи Eсвязи = 2Δ = 0,001 эВ.

Если энергия связи выделяется, значит образование куперовской пары электронов энергетически выгодно. Расстояние между электронами достигает 10000 А0, т.е. эти электроны находятся очень далеко друг от друга (это расстояние порядка 1000-10000 атомных слоев).

В связи с этим возможны 2 варианта расположения пар  -упорядоченно и хаотично:

 

Упорядоченное расположение энергетически выгодно. При этом внутренняя энергия системы уменьшается на 2ΔN.

А поскольку все пары друг с другом связаны и перекрыты, то они могут либо все вместе двигаться, либо все вместе «стоять на месте».

Спин у куперовской пары равен целому числу. Значит они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, являясь бозонами. Они стремятся находиться в одном и том же энергетическом состоянии – у них одни и те же значения λ, E, p, фазы.

При переходе материала в сверхпроводящее состояние должна образоваться энергетическая щель шириной 2Δ = 10-3 эВ. При этом куперовские пары размещаются на дне щели, а свободные электроны – на ее потолке.

Определение значения 2Δ:

- по пороговому поглощению электромагнитных волн (если энергия кванта ≥ 2Δ, то произойдет резонансное поглощение, иначе поглощения не произойдет).

- туннельная спектроскопия.

<- туннелирования не будет, т.к. напротив уровня Ферми – запрещенная щель

 

Эффект Джозевсона

 

В 1962 г. В Кембридже был защищен диплом на тему «Математическая оценка двух сверхпроводников при туннельном контакте».

3 вывода из этой работы:

1. Через туннельный контакт двух сверхпроводящий материалов может протекать ток при нулевом напряжении на контакте. Величина этого тока должна быть очень чувствительна к величине магнитного поля, приложенного в области контакта.

 

 

2. Если к туннельному контакту приложено постоянное напряжение, то в дополнение к постоянному току должен возникнуть переменный ток с частотой

3. Ели к туннельному контакту приложено переменное напряжение с частотой f, то это переменное напряжение модулирует по частоте переменные ток, который появился по действием мгновенной постоянной составляющей напряжения.

 

ВАХ контакта двух сверхпроводников

 

Куперовские пары пару будут туннелировать через переход при включении напряжения в любую сторону. В пределах ±Iкрит будет изменяться ток. Куперовские пары – бозоны. Отсутствие свободных мест им не мешает.

Критический ток – ток, который может быть обеспечен туннелированием куперовских пар; зависит от толщины барьера δ.

При увеличении тока до величины, большей критической, куперовские пары перестают обеспечивать данный уровень тока. Сразу же на туннельном контакте появляется напряжение.

- туннелирования нет.

- куперовская пара распадается на 2 электрона.

 

У куперовских пар одна и та же фаза. Если напряжение на контакте равно 0, то фаза не меняется. Когда появляется напряжение, появляется и приращение фазы:

Когда появляется постоянное напряжение:

Если появляется переменная составляющая с частотой f, то:

 

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить