Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Исследование явления высокотемпературной сверхпроводимости

Свистунова М.

Руководитель:

Пурышева Н.С.

Москва 2012

Содержание:

Введение

Первая глава. Обзор литературы

§1 - Электрическая проводимость различных сред

§2 - Свет. Фотон. Фотоэлектронная эмиссия

§3 - Явление сверхпроводимости

Вторая глава. Рассмотрение однофотонного детектора типа SSPD

§1 - Однофотонные детекторы типа SSPD

§2 - Измерение квантовой эффективности

§3 - Измерение вольт-амперной характеристики

Заключение

Список литературы

свет фотон фотоэлектронная эмиссия сверхпроводимость

Введение

Явление сверхпроводимости уже прочно вошло в нашу жизнь и поэтому, говоря об актуальности данной темы, не стоит бояться преувеличений. Это явление находит своё применение во многих областях деятельности человека. Оно используется для получения сильных магнитных полей, создания однофотонных детекторов (в данной работе будет рассмотрен один из видов таких детекторов). Некоторые особенности сверхпроводников применяются для создания ячеек памяти нового поколения, за которыми стит будущее электронных носителей информации. Физика сверхпроводников имеет огромный потенциал развития, и её значение в нашей жизни действительно огромно.

Лично для меня данная тема актуальна, потому что, во-первых, она является темой исследований моего деда (Свистунова Владимира Михайловича), а во-вторых, связана с моим профилем и интересами в целом.

В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости, изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела. Суть открытия Камерлинга-Оннеса заключалась в том, что при температуре, близкой к 4⁰К, электрическое сопротивление ртути скачком обращалось в нуль .

Как потом оказалось, многие металлы и сплавы при температурах, близких к абсолютному нулю, переходят в особое состояние, поразительным свойством которого является полное отсутствие сопротивления постоянному электрическому току - сверхпроводимость. Существование данного явления подтвердил эксперимент, проведённый в 1959 американским учённым Коллинзом. Наведенный в сверхпроводящем кольце ток сохранялся неизменным практически бесконечно долго - в течение нескольких лет не удалось обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока.

Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О⁰ К, температуре ( критическая температура- Т_к ).

Открытие Камерлинга-Оннеса спровоцировало интерес к исследованиям состояния некоторых веществ (сверхпроводников), находящихся при низких температурах. Были замечены аномалии ряда свойств вещества (магнитных, тепловых), так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества .

В конце 1986 года был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Данное открытие расширило область реального применения сверхпроводимости для создания новой техники. Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование данного свойства началось в середине шестидесятых годов, после разработки первых сверхпроводящих материалов, пригодных для технического применения. Критическая температура этих материалов не превышала 20 К, поэтому все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты, сложность и высокая стоимость теплоизоляционных систем не помешали началу практического использования явления сверхпроводимости по целому ряду направлений. Наиболее яркими примерами применения сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, сверхпроводниковые электрогенераторы, линии электропередачи, накопители энергии.

Затраты необходимые для достижения и поддержания сверхпроводящего состояния снижаются в 50-100 раз, при использовании современных высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, поэтому использование явления сверхпроводимости с каждым годом становится всё более массовым.

В данной работе будет рассмотренно явление высокотемпературной сверхпроводимости, а также основанный на данном явлении однофотонный детектор типа SSPD. Во второй главе работы будут предоставлены данные, полученные в результате исследования вольт-амперной зависимости данного образца и описана установка для измерения квантовой эффективности однофотонного детектора.

В своей работе я применял теоретический метод (анализ литературы) и экспериментальный метод (практическая часть). Мною была поставлена цель доступным языком описать явление сверхпроводимости и получить навыки работы со сверхпроводниковыми детекторами. Для достижения этой цели мною был поставлен ряд задач, таких как: прочитать и проанализировать литературу, написать теоретическую часть работы, научиться измерять квантовую эффективность однофотонных детекторов, построить графики вольт-амперной характеристики, написать практическую часть работы.

Глава первая. Обзор литературы.

§1 - Электрическая проводимость различных сред

Понятие электропроводности

При соединении проволокой двух проводников, между которыми была создана разность потенциалов, потенциалы выравниваются, при этом заряды на проводниках перераспределяются, а в соединительной проволоке происходит направленное перемещение зарядов, называемые током. Ток под действием приложений разности потенциалов возникает в любой среде, где имеются свободные электроны. Электрическая проводимость характеризует способность вещества проводить ток. Электропроводность обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, имеет размерность [Ом^-1= См (сименс)].

Виды электропроводности

Проводимость подразделяется на электронную, ионную и дырочную, в зависимости от вида и природы зарядоносителей. Электронной проводимостью обладают металлы. Существует такая проводимость и в газе, обладающем низкой плотностью, например, в верхних слоях атмосферы, где плотность вещества мала, благодаря чему электроны могут свободно перемещаться, избегая соединения с положительно заряженными ионами. Жидкие электролиты обладают ионной проводимостью. Заряженные частицы - ионы, при движении перемещают вещество, в результате чего происходит его накопление на электродах. Существует механизм проводимости, проявляющийся благодаря разрыву валентной связи, приводящему к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое “пустое” место с отсутствующими электронами связи получило название - дырка. Возникновение дырки в кристалле проводника создаёт дополнительную возможность для переноса заряда. Этот процесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочной проводимости.

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, пропускался постоянный электрический ток, в течение долгого времени (нескольких месяцев). После этого материал вблизи контактов подвергался анализу. Исследование материала показало, что никакого переноса вещества через границу не наблюдается и вещество с разных сторон границы раздела имеет одинаковый состав с веществом, которое было там до проведения эксперимента. Этот опыт наглядно показал, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока. Но ответ на вопрос о природе носителей заряда в металлах так и не был найден. Прямым доказательством того факта, что электрический ток в металлах существует благодаря движению электронов, были опыты Толмена и Стюарта, проведённые в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Электропроводность электролитов.

В качестве проводника тока может также выступать электролит - вещество, способность раствора или расплава которого проводить электрический ток при приложении электрического напряжения обусловлена наличием свободных носителей заряда - ионов. Носителями тока в данной среде являются положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы и анионы, которые существуют в растворе вследствие электролитической диссоциации. Ионная проводимость, в отличие от электронной, характерной для металлов, сопровождается переносом в-ва к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений (данный процесс получил название электролиз). Электролиз имеет достаточно широкий спектр областей применения, используется для получения чистых металлов, на явлении электролиза основаны технологии гальваностегии и гальванопластики. Электролиты используются при изготовлении химических источников тока: гальванических элементов и аккумуляторов.

§2 - Свет. Фотон. Фотоэлектронная эмиссия

Свет -- это электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, видимое человеческим глазом. Нередко, под данным термином понимают не только воспринимаемый человеком свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра (ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны).

В современном представлении свет рассматривается либо как электромагнитная волна, скорость распространения которой в вакууме постоянна (299 792 458 метров в секунду), либо как поток фотонов. Отсюда возникает дуализм в понимании данного явления.

Говоря о свете, как о физическом явлении нельзя не дать характеристику его мельчайшей части. Этой частью, квантом электромагнитного излучения (в обыденном понимании -- света) является фотон, представляющий собой частицу, не имеющую массы, способную существовать только двигаясь со скоростью света. Фотон электрически нейтрален. Как квантовой частице, ему свойственен корпускулярно-волновой дуализм, что означает совмещение в себе свойств частицы и волны. Обозначается греческой буквой гамма, поэтому данные частицы часто называют гамма-квантами. Фотон -- самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Рассмотрим важное для понимания представленного во второй главе материала явление, называемое фотоэлектронной эмиссией. Для начала стоит определить более общий термин - электронную эмиссию.

Электронной эмиссией называют явление испускания электронов поверхностью тела, представленного твёрдым веществом или жидкостью. Существуют несколько типов эмиссии: термоэлектронная, электростатическая, фотоэлектронная, вторичная, ионно-электронная, взрывная и криогенная. Рассмотрим подробнее явление фотоэлектронной эмиссии.

Фотоэлектронной эмиссией (или внешним фотоэффектом) называется явление испускания телом электронов при его облучении гамма-квантами. Вылетающие из тела электроны приобрели название фотоэлектроны, а ток, образующийся при их упорядоченном движении под действием электромагнитного поля, - фототок.

На данном явлении основано устройство фотокатода - электрода вакуумного электронного прибора, подвергающегося непосредственному воздействию излучения и эмитирующего под действием этого излучения электроны.

§3 - Явление сверхпроводимости

В 1911 году Камерлинг-Оннесом было открыто явление полного исчезновения электрического сопротивления проводника (ртути) при его охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю (4 К). Сейчас данное явление известно науке, как явление сверхпроводимости.

Как уже было замечено, сверхпроводящее состояние достигается при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Абсолютному нулю соответствует температура - 273 °С. Достижение данной температуры на практике невозможно, но, тем не менее, учёным удалось достаточно близко подобраться к этой отметке. Исследования при сверхнизких температурах давно привлекали к себе внимание учёных. При таких температурах открывается множество удивительных явлений, поведение вещества не имеет ничего общего с его поведением при обычных температурах.

Первому удалось получить достаточно низкую для экспериментов температуру Камерлинг-Оннесу, который сумел перевести гелий в жидкое состояние (4,2 К). После этой удачи началась активная работа по изучению поведения вещества при данной рекордно низкой температуре. Одним из первых исследований в данной области было исследование зависимости электрического сопротивления от температуры. Относительно данного исследования существовало три гипотезы. Первой придерживалось большинство учёных того времени. Они считали, что при понижении температуры сопротивление должно постепенно уменьшаться и при температуре -273 обращаться в нуль. Другие считали, что при температуре -273 незначительное электрическое сопротивление может сохраниться, так как, несмотря на отсутствие колебаний кристаллической решётки, столкновения электронов с узлами не прекратиться. Третьи полагали, что при нулевой температуре электроны образуют неразрывные связи с атомами, ввиду отсутствия их теплового движения, и поэтому электрическое сопротивление должно стать бесконечно большим.

Эксперименты с ртутью показали, что ни одна из гипотез не является верной. При температуре около 4,1 К электрическое сопротивление ртути, изменявшееся до этого постепенно, резко падало до нулевой отметки. Таким образом было открыто явление сверхпроводимости, за открытие которого Камерлинг-Оннесу в 1913 году была присуждена Нобелевская премия.

После открытия свойства сверхпроводимости у ртути возник логичный вопрос, обладают ли этим свойством ещё какие-нибудь вещества. Оказалось, что в сверхпроводящее состояние способны переходить многие другие металлы, такие как свинец, олово, ниобий. С другой стороны не удалось проследить перехода в сверхпроводящее состояние у таких металлов, как медь, золото, серебро, несмотря на то, что они являются лучшими по своим проводящим свойствам.

В то время не было ещё досконально известно, действительно ли сопротивление сверхпроводника падает до нуля, а не просто сильно уменьшается. Для получения ответа на данный вопрос был проведён опыт, суть которого заключалась в том, что по кольцевому проводнику, опущенному в жидкий гелий, однократно пускали электрический ток, который в последствие по прошествии даже нескольких лет оставался неизменным по своей силе. Этот опыт окончательно поставил точку в поставленном вопросе: сопротивление проводника в сверхпроводящем состоянии действительно равно нулю.

Нулевое сопротивление представляло небывалый интерес, ввиду многих причин. Во-первых, данное явление казалось чрезвычайно странным и необъяснимым. Во-вторых, оно открывало широкие возможности в области практического применения. Используя сверхпроводники можно до нуля свести расходуемую на проводнике мощность (исходя из закона Джоуля-Ленца P= I²R). Также теперь представлялось возможным создание на много более сильных, чем прежде, магнитных полей с помощью электромагнитов со сверхпроводящими соленоидами. Но как оказалось позднее, данным проектам не суждено было сбыться, так как пропускание через сверхпроводник более-менее значительного тока тут же разрушало сверхпроводящее состояние.

В 1956 году Леоном Купером было установлено, что за состояние сверхпроводимости ответственны так называемые куперовские пары - пары электронов связанные фононным взаимодействием.

Следующим основополагающим свойством сверхпроводников является так называемый эффект Мейснера, который заключается в вытеснении магнитного поля из сверхпроводника. Данное явление объясняется возникновением во внешних слоях проводника экранирующих токов, которые создают равное и противоположное по направлению внешнему собственное магнитное поле. Таким образом получается, что проникнуть внутрь проводника внешнее поле никак не может. Если же это поле настолько велико, что становится причиной сильных экранирующих токов, способных разрушить сверхпроводящее состояние, проводник теряет свои свойства. Таким образом, магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества, также как и достаточно сильные токи.

Отсутствие сопротивление и нулевая магнитная проницаемость - явления, которые, собственно, и характеризуют сверхпроводящее состояние вещества.

Высокотемпературная сверхпроводимость.

Величина критической температуры зависит от структуры кристаллической решётки, выполняющей роль посредника в образовании куперовских пар. Появляется вопрос, а нельзя ли найти такую решётку или другую среду, которая обеспечивала бы более сильное межэлектронное притяжение, тем самым повышая и критическую температуру?

Окончательного ответа на данный вопрос пока не существует. Но теоритически можно указать и другие механизмы сверхпроводимости, не связанные с колебаниями кристаллической решётки.

Один из таких предложил американский физик Литтл. Его идея заключалась в том, чтобы получить полимер особой структуры. Схематически модель такого органического сверхпроводника представляет собой длинную полимерную нить с ответвлениями по бокам. При этом, в результате взаимодействия двух разных групп электронов, в центральной нити возникает сверхпроводящее состояние, которое согласно расчётам, проведённым Литтлом, должно сохраняться до температуры T = 2400 К.

В основе своей эта идея правильна, но реализация её на практике в данный момент нереальна ввиду ряда причин.

Глава вторая. Рассмотрение однофотонного детектора типа SSPD

§1 - Однофотонные детекторы типа SSPD

В практической части своей работы я рассмотрел и изучил некоторые свойства и особенности сверхпроводникового однофотонного детектора типа SSPD.

Однофотонный детектор - это фоточувствительный прибор для регистрации единичных фотонов. В своей работе я рассматривал однофотонный детектор типа SSPD. Изученный мной сверхпроводниковый однофотонный детектор изготовлен из сверхпроводниковой пленки нитрида ниобия толщиной 3.5 - 4 нм. На поверхности пластины детектора сформирована узкая (шириной 100 нм), длинная (500 мкм) полоска, изогнутая в виде меандра, покрывающего площадь 7x7 мкм. Такие размеры детектора (по площади) позволяют эффективно согласовывать его с оптоволокном (т. к. светоносный кор оптоволокна имеет диаметр 9 мкм), что удобно для многих практических применений.

Принцип действия SSPD основан на переходе в резистивное состояние небольшой части полоски проводника. С помощью жидкого гелия температуру детектора понижают до 4К (критическая температура SSPD порядка 10 К). Через полоску нитрида ниобия пропускают ток, меньший критического. При поглощении фотона сверхпроводящей частью детектора, происходит локальный разогрев сверхпроводника и часть полоски переходит в резистивное состояние, вызывая этим самым скачок напряжения в цепи. Данные скачки напряжения считаются счетчиком, их число равно числу зарегистрированных фотонов. Резистивная область в полоске нитрида ниобия практически мгновенно исчезает за счет релаксационных процессов (охлаждение нагретого участка) и детектор готов к регистрации нового фотона.

Любой однофотонный детектор характеризуется отношением числа зарегистрированных фотонов к общему числу падающих на детектор фотонов - квантовой эффективностью. Для SSPD, как и для большинства других детекторов характерно значение квантовой эффективности в 10%.
Благодаря своим характеристикам SSPD уже нашел применение в решении многих научных задач, в том числе таких как: исследование люминесценции квантовых точек, в квантовой криптографии, в квантовом повторителе. Дальнейшее расширение области практического использования SSPD связано с необходимостью увеличения квантовой эффективности детектора. До появления SSPD для регистрации и подсчёта единичных фотонов использовались такие приборы, как фотоэлектронный умножитель и лавинный фотодиод.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) -- электровакуумный прибор, в котором фототок усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток на выходе цепи значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10^5 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930--1934 гг.

Лавинные фотодиоды, (ЛФД) -- это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта и усиливающие его посредством эффекта лавинного умножения. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей.

§2 - Измерение квантовой эффективности однофотонного детектора типа SSPD

Цель. Одной из целей практической части моей работы было освоение методики измерения квантовой эффективности, рассматриваемого мной однофотонного детектора.

Схема установки.

Ход работы. Для измерения квантовой эффективности изучаемый объект закрепляется на макете (длинная металлическая трубка с возможностью подключения к ней оптоволоконного кабеля и источника тока смещения) и охлаждается в сосуде с жидким гелием. С помощью источника тока (с возможностью регулировать силу тока с точностью до 0,1 мА) через детектор пропускают ток меньше критического (критический ток можно определить с помощью выше указанного прибора). По оптоволоконному кабелю система сообщается с усилителем и осциллографом, на экране которого в данный момент времени можно видеть своеобразную картину, отражающую многократные, повторяющиеся, усиленные скачки напряжения на детекторе. С помощью компьютера строится зависимость количества зарегестрированных фотонов от тока, пропускаемового через детектор (график №1).

Экспериментальные данные. Данные полученные в результате работы с установкой анализируются компьютером и предоставляются в виде графически выраженной зависимости количества зарегистрированных фотонов от тока смещения (График 1).

График 1. Зависимость количества зарегестрированных фотонов от тока смещения.

Результат эксперимента. Исходя из полученных данных делается вывод о квантовой эффективности данного образца (10^6 фотонов считается за один процент). Подсчёт ведётся по последней перед критическим током точке. Квантовая эффективность образца, рассмотренного нами для примера при описании принципа, равна примерно 5,3%.

§3 - Измерение вольт-амперной характеристики

Цель. Второй целью практической части моей работы является изучение принципа получения вольт-амперной характеристики рассматриваемого образца.

Экспериментальная установка. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) образца делается с помощью уже описанной установки (охлаждённый макет, усилитель, осциллограф, источник тока).

Ход эксперимента. С помощью специального ПО компьютер автоматически меняет напряжение на контактах макета, в то же время регистрируя для каждого значения напряжения значение силы тока.

Экспериментальные данные. Исходя из полученных данных строится зависимость силы тока в цепи от напряжения - вольт-амперная характеристика.

Результаты. На рисунках 2 и 3 представленны графики ВАХ для разных образцов. Плавный необъяснимый изгиб на участке близком к нулю по оси абсцисс обусловлен скорее всего каким-то незаметным дефектом детектора, оборудование было неоднократно проверенно посредством измерения ВАХ обычных резисторов (График 3 и 4), поэтому с ним проблем быть не должно.

График 2. ВАХ первого образца.

График 3. ВАХ второго образца и ВАХ обычного резистора.

Линейные, практически параллельные оси ОХ участки графика отображают поведение образца в резистивном состоянии. Участок, ограниченный с двух сторон резкими перепадами сопротивления отображает вольт-амперную зависимость проводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Наличие сопротивления системы в сверхпроводящем участке графика обусловлено сопротивлением подводящих проводов и контактов. Образец в данный момент действительно имеет нулевое сопротивление.

График 4. ВАХ обычных резисторов с разным сопротивлением, построенная для проверки работоспособности и корректности установки.

Анализ ситуации показывает, что с установкой действительно всё в порядке, а скачок сопротивления, зарегестрированный при построении ВАХ для SSPD, обусловлен неизвестным дефектом самого детектора или макета.

Заключение

Последнее столетие ознаменовано гигантским ускорением темпов научно-технического прогресса. То, что в начале двадцатого века было лишь гипотезой, к концу его превращается в одну из самых крупных и исследуемых научных теорий. Явление сверхпроводимости имеет огромный и не до конца пока что раскрытый потенциал применения и можно быть уверенным в том, что век грядущий принесёт нам множество открытий в данной области. Все поставленные мною задачи были решены, таким образом я считаю, что цель моей работы была достигнута.

Список использованной литературы

1.Виталий Лазаревич ГИНЗБУРГ, Евгений Александрович АНДРЮШИН Сверхпроводимость, Альфа-М, 2006 г.

2.Корнеев Александр Александрович, Квантовая эффективность и темновой счёт NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора, Москва, 2006 г.

3.В. З. Кресин - Сверхпроводимость и Сверхтекучесть, 1978 г.

Размещено на Allbest.ru