Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья об эффекте близости в сверхпроводимости. Чтобы узнать о других значениях, см. Эффект близости (значения) .
График , показывающий сверхпроводящий электронной плотности в зависимости от глубины в нормальных и сверхпроводящих слоев с двумя длинами когерентности , и .

Эффект близости или эффект Холма-Мейснера - это термин, используемый в области сверхпроводимости для описания явлений, которые происходят, когда сверхпроводник (S) находится в контакте с «нормальным» (N) несверхпроводником. Обычно критическая температура сверхпроводника подавляется, и в нормальном материале наблюдаются признаки слабой сверхпроводимости на мезоскопических расстояниях. Эффект близости известен со времен новаторских работ Р. Холма и У. Мейснера. [1]Они наблюдали нулевое сопротивление в прессованных контактах SNS, в которых два сверхпроводящих металла разделены тонкой пленкой из несверхпроводящего (то есть нормального) металла. Открытие сверхтока в контактах SNS иногда ошибочно приписывают работе Брайана Джозефсона 1962 года, однако этот эффект был известен задолго до его публикации и понимался как эффект близости. [2]

Происхождение эффекта [ править ]

Электроны в сверхпроводящем состоянии сверхпроводника упорядочены совсем иначе, чем в обычном металле, то есть они спарены в пары Купера . Кроме того, нельзя сказать, что электроны в материале имеют определенное положение из-за комплементарности импульса и положения . В физике твердого тела обычно выбирают пространственно-импульсный базис, и все электронные состояния заполняются электронами до поверхности Ферми в металле или до энергии края зазора в сверхпроводнике.

Из-за нелокальности электронов в металлах свойства этих электронов не могут изменяться бесконечно быстро. В сверхпроводнике электроны упорядочены как сверхпроводящие куперовские пары; в нормальном металле электронный порядок бесщелевой (одноэлектронные состояния заполнены до поверхности Ферми ). Если сверхпроводник и нормальный металл объединить, электронный порядок в одной системе не может бесконечно резко измениться на другой порядок на границе. Вместо этого спаренное состояние в сверхпроводящем слое переносится на нормальный металл, где спаривание разрушается в результате рассеяния, в результате чего куперовские пары теряют свою когерентность. Для очень чистых металлов, таких как медь , образование пар может сохраняться на протяжении сотен микрон.

Напротив, электронный порядок (без щели), присутствующий в нормальном металле, также переносится на сверхпроводник, так как сверхпроводящая щель уменьшается вблизи границы раздела.

Микроскопическая модель, описывающая это поведение в терминах одноэлектронных процессов, получила название андреевского отражения . Он описывает, как электроны в одном материале принимают порядок соседнего слоя, принимая во внимание прозрачность интерфейса и состояния (в другом материале), из которых электроны могут рассеиваться.

Обзор [ править ]

Как контактный эффект, эффект близости тесно связан с термоэлектрическими явлениями, такими как эффект Пельтье или образование pn-переходов в полупроводниках . Усиление эффекта близости является наибольшим, когда нормальный материал представляет собой металл с большим коэффициентом диффузии, а не изолятор (I). Подавление эффекта близости в спин-синглетном сверхпроводнике является наибольшим, когда нормальный материал является ферромагнетиком, поскольку наличие внутреннего магнитного поля ослабляет сверхпроводимость ( разрыв куперовских пар ).

Исследование [ править ]

Изучение двойных и многослойных слоев S / N, S / I и S / S '(S' - нижний сверхпроводник) было особенно активной областью исследований сверхпроводящего эффекта близости. Поведение составной структуры в направлении, параллельном интерфейсу, отличается от поведения, перпендикулярного интерфейсу. В сверхпроводниках типа II, подвергнутых воздействию магнитного поля, параллельного границе раздела, вихревые дефекты будут зарождаться преимущественно в N- или I-слоях, и наблюдается разрыв в поведении, когда возрастающее поле заставляет их проникать в S-слои. В сверхпроводниках типа I поток аналогичным образом сначала проникает через N слоев. Подобные качественные изменения в поведении не происходят, когда магнитное поле прикладывается перпендикулярно границе S / I или S / N. В мультислоях S / N и S / I при низких температурах длиннаяГлубина проникновения и длина когерентности куперовских пар позволит S-слоям поддерживать взаимное трехмерное квантовое состояние. При повышении температуры связь между S-слоями нарушается, что приводит к переходу к двумерному поведению. Анизотропное поведение бислоев и мультислоев S / N, S / I и S / S 'послужило основой для понимания гораздо более сложных явлений критического поля, наблюдаемых в высокоанизотропных купратных высокотемпературных сверхпроводниках .

Недавно группа исследователей Морпурго наблюдала эффект близости Хольма-Мейснера в графене . [3] Эксперименты проводились на устройствах нанометрового масштаба, сделанных из отдельных слоев графена с наложенными сверхпроводящими электродами толщиной 10  нм.Пленки из титана и алюминия 70 нм. Алюминий - это сверхпроводник, ответственный за создание сверхпроводимости в графене. Расстояние между электродами находилось в диапазоне от 100 нм до 500 нм. Эффект близости проявляется в наблюдении сверхтока, т. Е. Тока, протекающего через переход графена с нулевым напряжением на переходе. Используя электроды затвора, исследования показали, что эффект близости возникает, когда носителями в графене являются электроны, а также когда носителями являются дырки. Критический ток устройств был выше нуля даже в точке Дирака.

Вихрь Абрикосова и эффект близости [ править ]

Здесь показано, что квантовый вихрь с четко выраженной сердцевиной может существовать в достаточно толстом нормальном металле, проксимальном со сверхпроводником. [4]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Holm, R .; Мейснер, В. (1932). "Messungen mit Hilfe von flüssigem Helium. XIII". Z. Phys . 74 (11–12): 715. Bibcode : 1932ZPhy ... 74..715H . DOI : 10.1007 / bf01340420 .
  2. Перейти ↑ Meissner, H. (1960). «Сверхпроводимость в контактах с вставленными барьерами». Phys. Ред . 117 (3): 672–680. Bibcode : 1960PhRv..117..672M . DOI : 10.1103 / Physrev.117.672 .
  3. ^ Heersche, HB; и другие. (2007). «Биполярный сверхток в графене». Природа . 446 (7131): 56–59. arXiv : cond-mat / 0612121 . Bibcode : 2007Natur.446 ... 56H . DOI : 10,1038 / природа05555 .
  4. ^ Столяров, Василий С .; Крен, Тристан; Брун, Кристоф; Головчанский, Игорь А .; Скрябина, Ольга В .; Касатонов, Даниил И .; Хапаев Михаил М .; Куприянов Михаил Юрьевич; Голубов, Александр А .; Родичев, Дмитрий (11 июня 2018 г.). «Расширение ядра сверхпроводящего вихря в диффузионный металл» . Nature Communications . 9 (1): 2277. DOI : 10.1038 / s41467-018-04582-1 .
  • Сверхпроводимость металлов и сплавов, автор - П.Г. де Жен , ISBN 0-201-40842-2 , учебник, в котором значительное место отводится сверхпроводящему эффекту близости (называемому в книге «граничным эффектом»).