Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
до открытия эффекта Мейснера - Оксенфельда появились отдельные
теоретические работы, в которых на основе термодинамики различные
тепловые свойства связывались с критической температурой Ткр. Однако
обоснованность подобного подхода вызывала сомнение даже у некоторых
авторов. Первую гипотезу выдвинули совместно Гортер из Фонда Тейлера,
Хаарлем, и Казимир из Лейденского университета. Она состояла в том, что
электроны в сверхпроводнике образуют две "жидкие" компоненты, одна из
которых ведет себя обычно, а другая как бы конденсирована в некую
сверхтекучую жидкость, пронизывающую жидкость нормальных электронов. Доля
электронов в сверхтекучем состоянии определялась величиной, позднее
получившей название пара-матра порядка (r), которая изменяется от о) = 0при
Т=Ткр до (о = 1 при Т-0 *... Эта гипотеза позволила объяснить многие из
термодинамических свойств сверхпроводника. Затем в 1935 г. братья Фриц и
Хейнц Лондоны, сотрудники Кларендонской лаборатории Оксфордского
университета, предложили теорию, которая исходила из диамагнитных свойств
и смогла "объяснить" как эффект Мейснера - Оксенфельда, так и наличие
бесконечной проводимости. Однако глубина проникновения оказывалась в
теории слишком малой; расхождение составляло один-два порядка величины.
Лондоны сознавали, что для полного понимания природы сверхпроводимости
тре-
1 Ср. с гипотезой Лондона относительно жидкого гелия II (гл. 5).
360
буется квантовая теория. В частности, они предположили, что идеальный
диамагнетизм, возможно, является результатом "жесткой связи", или
когерентности, волновых функций электронов, которая приводит к
возникновению экранирующих токов в присутствии магнитного поля. Эту
концепцию особенно активно развивал Фриц Лондон. В 1950 г. он
сформулировал ее более точно, высказав предположение, что электроны
претерпевают в некотором смысле "конденсацию", но не в пространстве
координат, а в импульсном пространстве; вследствие этого возникает
энергетическая щель между основным и возбужденным состояниями.
В 1950 г. был установлен важный экспериментальный факт: Эмануэль Максвелл
из Национального бюро стандартов и (независимо от него) Рейнольдс,
Бернард Серии, Райт и Несбитт из Рутгерского университета обнаружили, что
значение ТКР для различных изотопов одного и того же элемента (ртути)
различно, причем Тир приблизительно обратно пропорционально квадратному
корню из атомной массы. Этот факт указывал на то, что явление
сверхпроводимости связано с взаимодействием электронов с колебаниями
ионов решетки. Действительно, в том же году Герберт Фрелих из
Ливерпульского университета, а год спустя Джон Бардин независимо
предложили теории, развивающие это положение. Обе они были неудачны.
Однако механизм, связанный с взаимодействием этого типа, в конечном счете
оказался правильным, поэтому здесь уместно обсудить его. Электроны
взаимодействуют друг с другом непосредственно - кулоновское
взаимодействие - и косвенно - через ионы решетки. Кулоновское
взаимодействие может быть описано как результат обмена виртуальными
квантами электромагнитного излучения, фотонами Г Аналогично
взаимодействие через ионы решетки возникает вследствие обмена квантами ее
колебаний, называемых фононами. Результирующее поведение электронов
зависит от соотношения этих двух типов взаимодействия. Как Фрелих, так и
1 В качестве грубой, но полезной классической аналогии можно привести
следующую ситуацию, два человека на очень гладкой поверхности (такой, как
лед) бросают друг другу мяч, при этом они обмениваются энергией и
импульсом, в результате чего возникает взаимодействие отталкивания.
361
Бардин установили, что второе взаимодействие имеет характер притяжения и
может быть даже достаточно большим, чтобы преодолеть кулоновское
отталкивание. Проблема состояла в том, чтобы найти способ использования
этого результата.
В период 1950-1954 гг. Пиппард из Мондовской лаборатории Кембриджского
университета снова вернулся к идее когерентности волновой функции и
включил ее в теорию Лондонов. Приняв длину когерентности равной по
порядку величины 10-4 см, он смог получить правильное значение глубины
проникновения в эффекте Мейснера - Оксенфельда. Также в 1950 г. советские
ученые В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау из Института физических проблем АН
СССР обобщили теорию Лондонов другим путем, введя параметр порядка со,
равный квадрату абсолютной величины волновой функции ф. К этой концепции
мы еще вернемся позднее. Гинзбург и Ландау вывели уравнения для функции
ф, которые особенно полезны в том случае, когда со изменяется в
пространстве. В их теорию очень естественно входит длина когерентности g-
в составе безразмерного параметра, равного обратному отношению g к
глубине проникновения Мейснера - Оксенфельда.
Концепция щели в энергетическом спектре была впервые введена Лондонами
еще в 1935 г., но первым явным свидетельством ее существования послужили
эксперименты Хейнца Лондона в 1940 г. Сразу же после работы Пиппарда,
