научная статья по теме ДВА КЛАССИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТА КИКОИНА ПО СВЕРХПРОВОДИМОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ДВА КЛАССИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТА КИКОИНА ПО СВЕРХПРОВОДИМОСТИ»

Ава классических эксперимента Кикоина по сверхпроводимости

Е.З.Мейлихов,

доктор физико-математических наук ГНЦ «Курчатовский институт»

К.Л.Сорокина,

кандидат физико-математических наук Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН Москва

Исаак Константинович Кикоин был в полном смысле слова блистательным физиком-экспериментатором. В этом легко убедиться на примере двух его классических экспериментальных работ: по эффекту Холла (совместно с Б.Г.Лазаревым, 1933) и гиромагнитному эффекту (совместно с С.В.Губа-рем, 1938, 1940 и 1946)в сверхпроводниках.

К началу 30-х годов было известно 10 чистых металлов, становящихся сверхпроводниками при достаточно низких (Т < 10 К) температурах (Д Ga, №, 1п, Бп, Та, Ыя, Т1, РЬ и ТИ). Возник естественный вопрос, какие свойства (кроме самого факта сверхпроводимости) отличают металлы-сверхпроводники от остальных металлов при обычных (не очень низких) температурах. В одной из гипотез (В.Мейснер, Х.Лоренц) сверхпроводящий ток относился на счет не «свободных» электронов, а электронов, более или менее прочно связанных с атомами. (Сейчас мы понимаем, что в этой гипотезе «что-то есть»: на современном языке речь идет о слабой или сильной электрон-фононной связи.) Кикоин предположил [1], что «степень связанности электронов

© Мейлихов Е.З., Сорокина К.Л., 2008

у сверхпроводников и у обычных металлов различна уже при обыкновенных температурах, и именно это отличает сверхпроводники от остальных проводников». «Свобода связи» электронов определяется, как известно, их подвижностью — способностью набирать определенную дрейфовую скорость при движении в электрическом поле, когда ускорение в поле ограничивается неким торможением. Частицы разгоняются не бесконечно, а лишь на длине свободного пробега, после чего из-за рассеяния происходит «сброс» набранной скорости. Подобное рассеяние происходит на всех отклонениях кристаллической решетки от идеального порядка, в том числе на фононах — тепловых колебаниях атомов решетки. Экспериментально подвижность проще всего определить по величинам постоянной Холла Кы и электропроводности о, так как первая выражается через произведение двух последних. Напомним, что постоянная Холла — это коэффициент в выражении для поперечного электрического поля, возникающего в проводнике, по которому течет ток. (Если проводник помещен в магнитное поле, не параллельное направлению тока, движущиеся заряженные частицы под дейст-

вием силы Лоренца отклоняются в направлении, перпендикулярном направлениям тока и поля, накапливаются на боковых гранях и порождают поле Холла.)

Исследования эффекта Холла и электропроводности большинства чистых металлов к тому времени были уже проведены, однако часть наименее достоверных или просто не очень точных результатов пришлось перепроверить. В результате была установлена совершенно новая замечательная закономерность: «сверхпроводники, в отличие от остальных проводников, при обычных температурах обладают значительно меньшими значениями произведения Rso, а также самих Rh» [1]. Было показано, что открытое правило в одинаковой степени справедливо не только для чистых металлов, но также и для сплавов металлов (Pb — Bi, Bi — Tl, Sb — Tl) и ряда соединений металлов с неметаллами. Таким образом, установленная закономерность имела совершенно общий характер и открыла наличие «связи между эффектом Холла и сверхпроводимостью» [1]. По существу, это было одно из первых экспериментальных свидетельств (а может быть, и первое) определяющей роли силы электрон-

фононного взаимодействия в сверхпроводимости.

Полученный в этой работе критерий сверхпроводимости можно записать в виде RhO < 50, где Rh измеряется в см3/Кл, а о — в (Ом-см)-1. Интересно, что в ранних теоретических работах Х.Фрелиха [2] и Дж.Бардина [3] условие возникновения сверхпроводимости также выражалось через электросопротивление материала (при комнатной температуре). Так, в теории Бардина это условие приближенно можно представить как о/п < 1017 (n — концентрация носителей заряда), где о измеряется в (Ом-см)-1, а п — в см-3. Вспомнив, что Rh = 1/en (e — заряд электрона), легко убедиться, что два приведенных критерия совпадают друг с другом!

Другая работа Кикоина по сверхпроводимости [4—6] восходит к двум выдающимся экспериментам XX в. — эффекту Эйнштейна—де Гааза (1915) и эффекту Мейснера (1933). Первый из этих эффектов относится к группе так называемых гиромагнитных, или магнитоме-ханических, явлений, которые обусловлены связью между механическим и магнитным моментами частиц и систем из них (изменение одного вызывает изменение другого). Он состоит в том, что тело, намагниченное вдоль некоторой оси, приобретает относительно этой оси вращательный момент, пропорциональный намагниченности.

Эффект Мейснера заключается в выталкивании внешнего магнитного поля из объема сверхпроводника, подобно экранированию электростатического поля в проводнике обычном. После включения внешнего электрического поля свободные носители заряда перераспределяются вблизи поверхности так, что их поле компенсирует внешнее, и суммарное поле в объеме проводника вновь обращается в ноль. Аналогично незатухающие сверхпроводящие токи, индуцируемые внеш-

ПРИРОДА • №3 • 2008

ним магнитным полем вблизи поверхности (мейснеровские токи), создают магнитное поле, которое компенсирует внешнее внутри сверхпроводника. Иначе говоря, сверхпроводник ведет себя как идеальный диамагне-тик (диамагнитные материалы намагничиваются навстречу внешнему магнитному полю, т.е. поле в них ослабляется). Вообще же в создании диамагнитного момента участвуют не только свободные носители заряда, но и все электроны атомов. И, с учетом специфики диамагнетизма сверхпроводников, особенно интересен вопрос о его природе: связан ли он со спинами электронов (их собственным механическим моментом) или обусловлен их орбитальным движением (т.е. током). Ответ на этот вопрос был, как писал Д.Шенберг в своей монографии по сверхпроводимости [7], «очень важен для подтверждения основной мысли феноменологической теории Ф.Лондона и Г.Лондона». Естественно было попытаться решить проблему тем же прямым методом, который был использован при доказательстве спиновой природы ферромагнетизма, а именно непосредственным изучением гиромагнитного эффекта, когда изучается механический отклик системы на изменение намагниченности.

В подобных экспериментах определяется так называемый множитель Ланде, или §-фак-тор* (отношение магнитного момента частицы к механическому, выраженное в единицах магнетона Бора). Из квантовой теории следует, что g = 2, если магнитный момент атома обусловлен спином его электронов, и g = 1, если магнитный момент создается лишь орбитальным движением. Для элементов группы железа ^-фактор оказался близким к 2, что свидетельству-

* С развитием резонансных методов определения ^-фактора магнитомеханиче-ские методы отошли на второй план и имеют в большей степени историческое значение.

В 1930-е годы.

ет о спиновой природе их ферромагнетизма. Однако в случае сверхпроводников было неясно, возможно ли наблюдение подобного эффекта в принципе, поскольку отсутствие в них взаимодействия электронов с решеткой не должно, казалось бы, приводить к появлению «отдачи» образца при изменении магнитного момента тела.

«Измерение гиромагнитного эффекта, несмотря на его кажущуюся принципиальную простоту, является в действительности чрезвычайно трудной экспериментальной задачей, даже в случае измерений на ферромагнитных телах, намагничение которых уже при сравнительно слабых внешних полях велико. Трудности еще больше возрастают при исследовании гиромагнитного эффекта на сверхпроводниках, когда намагничение образца приблизительно в 50—100 раз меньше, нежели у ферромагнетиков. Дополнительная трудность вносится необходимостью вести измерения при низких температурах» [6].

Проиллюстрировать методическую сложность эксперимента, направленного на измерение фактора Ланде в сверх-

В

проводниках, можно следующим образом. Во всех экспериментах того времени образец имел форму длинного цилиндра, подвешенного на нити так, что его ось и нить были параллельны внешнему полю. Вращающий момент, который действует (при наличии «отдачи») на тело с изменяющейся намагниченностью, есть сумма двух составляющих, направленных вдоль оси, — полезной и паразитной. Первая подлежит измерению, а вторая появляется из-за (всегда имеющейся) небольшой непараллельности оси ци-

линдра и поля, а также неполной компенсации магнитного поля Земли. В реальном эксперименте паразитный эффект оказывался на порядок больше основного.

Поэтому ясно, что необходимо было выбрать такой метод исследования, при котором побочные эффекты по возможности исключались бы. Это удалось сделать с помощью резонансного метода, предлагавшегося еще Эйнштейном и усовершенствованного в 1932 г. П.Шерером и Ф.Котерье [8]. Основная идея метода состоит в следующем.

Общий вид установки и схема подвесной системы (справа) [6]. Н — соленоид; С — капка, к которой прикреплен дьюаровский сосуд с гелием 0г; — дьюаровский сосуд с жидким азотом; Т — подъемный стол; Е — катушка Гельмгольца; R — стеклянная трубка, посеребренная изнутри, внутри которой находится образец; R1 — трубка для откачки; Г — окошко в трубке R; ММ — два зеркала; 5 — стеклянная трубочка; К — образец. Сбоку в увеличенном масштабе показано прикрепление кварцевой нити к трубочке 5 и образца к трубочке 5.

Если паразитного момента нет, то вынужденные колебания образца, подвешенного в соленоиде с периодически меняющимся полем, отстают от него по фазе на четверть периода (ф = п/2). При наличии паразитного момента ф ф п/2.

Можно, однако, и в последнем случае искусственно обеспечить ф = п/2, переключая поле в момент прохождения образца через положение равновесия. Тогда ШИ/Ш достигает максимального значения при ф = 0 независимо от наличия или отсутствия каких-либо побочных эффектов и появляется возможность по амплитуде колебаний установить основную величину — фактор Ланде.

Указанная выше синхронизация переключения поля с колебаниями образца «лучше всего... осуществляется, если предоставить самому обр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком