Независимое аналитическое интернет-издание "Искра" это право на информацию.

Руководить - это значит не мешать хорошим людям работать. © Сергей Капица

На главную страницу

Парольный вход для авторов.

автор: c до


Автор: Кравченко      Дата: 31.10.2018 20:38


     Сверхпроводимость – это просто
     
     Явление, открытое достаточно давно. Но оно оказалось столь неординарным, что вопросы по нему остались до сих пор. Даже определений множество с достаточно различным акцентированием на выявляемые свойства.
     Например:
     - Википедия: сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура).
     - Словарь нанотерминов: сверхпроводимость (англ. superconductivity) — явление отсутствия (равенства нулю) сопротивления постоянному току некоторых материалов ниже определенной температуры Tc , называемой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой), сопровождающееся выталкиванием слабого (меньше критического поля Hc) магнитного поля из объема материала при переходе его в сверхпроводящее состояние (эффект Мейснера–Оксенфельда).
     - элементы: Сверхпроводимость, как явление, возникает в результате образования куперовских пар электронов, ведущих себя подобно единой частице.
     Произнесено волшебное слово «куперовские пары» и всем стало до тошноты ясно…
     Если бы это было так, то сверхпроводимость давно стала бы таким же заурядным явлением повседневности, как оконное стекло или разговор по телефону. Но это далеко не так. Сверхпроводимость окружена ореолом мистической таинственности, а существующие теории в лучшем случае кое-как описывают лишь низкотемпературную сверхпроводимость и имеют нулевой прогностический потенциал.
     Кстати о теориях:
     Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном. Для того времени это была очень удачная попытка теоретического осмысления явления. Они предположили потенциально очень перспективную идею абсолютной жесткости сверхпроводящих волновых функций по отношению к воздействию внешнего поля, что в сочетании со весьма стандартным положением о минимуме свободной энергии относительно распределения тока и поля позволило им парой уравнений установить связь между током и магнитным полем в сверхпроводниках.
     Очень значимой была более общая теория сверхпроводимости, построенная в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Эта феноменологическая теория, построенная на идее фазовых переходов второго рода с учетом квантованности явлений.
     Следующим было получено в 1953 г. А. Б. Пиппардом уравнение, которое устанавливало нелокальную связь между током и векторным потенциалом в чистых сверхпроводниках. Пиппард ввел понятие длины когерентности – характерного расстояния, на котором происходят значительные изменения в степени упорядочения сверхпроводящего состояния.
     А венцом всей этой теоретической гонки стала достаточно детальная микроскопическая теория, разработанная в 1957 году в работах американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории являются те самые куперовские пары электронов. Теория хороша уже тем, что дала весьма удовлетворительную математическую модель, как для вычисления параметров, так и для теоретического обоснования существования, формы и пределов применимости предшествующих феноменологических теорий. Эта теория целенаправленна именно на моделирование собственно эффекта сверхпроводимости и за это Джону Бардину, Леону Куперу и Джону Шрифферу честь и хвала. В абсолютном большинстве случаев детали процесса просчитываются очень тщательно и прекрасно соответствуют экспериментам. Нобелевская премия 1972 года по физике ими получена вполне заслужено. И не их беда, что они не смогли охватить все аспекты явления сразу. Это никогда и никому не удавалось. Но, к сожалению, на данном этапе в исследованиях на первый план выходит прогностическая сторона вопроса, которому авторы микроскопической теории сверхпроводимости, скажем мягко, уделили не достаточное внимание. К примеру, следуя букве теории, было трудно предсказать высокотемпературную сверхпроводимость. Тем более искусственную.
     Что не нравится в БКШ:
     - что не скомпенсированный заряд ионов в куперовскую пару никак не входит.
     - что ввод электрона меняет «вакуум» кристалла, что автоматически должно нарушать основное состояние всех куперовских пар.
     - что фонон никак не зависит от координаты, что есть нонсенс.
     - что есть принципиально неустранимое противоречие между быстротой куперовских пар и медленностью перестройки решетки.
     - не вычислено, каким конкретным набором квантовых чисел характеризуется основное состояние куперовской пары.
     - не вычислены возбужденные состояния куперовских пар.
     Однако с 1957 года никаких фундаментально значимых работ уже не было, кроме разве работы Александра Фёдоровича Андреева, теоретически предсказавшего в 1964 году тип отражения, при котором электрон, падающий из нормального металла на границу со сверхпроводником, превращается в дырку, меняет обе компоненты скорости на противоположные (при ретро-отражении), а в сверхпроводник попадает два электрона. Это предсказание делалось на базе формализма БКШ.
     К сожалению, в микроскопической теории сверхпроводимости обойден вниманием, буквально постулирован важнейший прогностический вопрос – каким образом в среде создаются условия для образования куперовских пар. Его можно сформулировать по разному. Но в любом случае исходно статистически равномерное распределение обобществленных электронов, ионов и нейтральных атомов в узлах кристаллической решетки при некоторых, прежде всего температурных, условиях рекомбинируется в гораздо более упорядоченную структуру. Её можно охарактеризовать примерно таким образом:
     an – период решетки
     N – число обобществленных электронов (ионов)
     ξ- длина когеренции.
     Тогда:
     N*an – суммарная длина участков, занятых электронами и ионами
     ξ/2-N*an – длина участка нейтральных атомов в основном состоянии (длина изолятора с диэлектрической проницаемостью ε)
     Ne – суммарный заряд обобществленных электронов (ионов).
     И возникает вопрос:
     - при каких измеримых условиях группировка обобществленных электронов с зарядом Ne-, отделенная от группировки ионов с зарядом Ne+ изолятором толщиной ξ/2-N*an с диэлектрической проницаемостью ε может образовать множественную квантовую псевдосистему?
     Эту задачу деталировки теории можно формулировать иначе:
     - при какой длине когеренции (ξ), внутренних (N, an, ε …) и внешних условиях (Tc) становится энергетически выгодным образование коллективных пар (электрон-дырка/ион)?
     - при какой длине когеренции (ξ), внутренних ((N, an, ε …) и внешних условиях (Tc) волновые функции ионов решетки и свободных электронов будут иметь иметь один и тот же период (ξ) и сдвинуты на фазу ξ/2?
     - при какой длине когеренции (ξ), внутренних ((N, an, ε …) и внешних условиях (Tc) возможна долговременная устойчивость возбужденного состояния электрона внешней орбитали атома решетки?
     - при какой длине когеренции (ξ), внутренних ((N, an, ε …) и внешних условиях (Tc) в энергетических полосах решетки появляются локальные провалы?
     Лично для меня единственным приемлемым решением является появление в спектре атомов решетки второго локального минимума именно вследствие проявления группового эффекта поляризации. В данном диапазоне воздействия энергетически выгоднее не переходить в основное состояние, а быть в данном (дальнодействующем) возбужденном состоянии, которое поляризует нейтральные атомы, в силу чего энергия связи оказывается гораздо меньше, чем она могла бы быть в вакууме. И чтобы выйти из него надо действие большей величины, чем имеющиеся. И этот локальный минимум неизбежно и естественно становится групповым эффектом, что и приводит в свою очередь к эффекту энергетической щели электронных состояний.
     Для детального математического обоснования конечно надо считать. Однако роскошью просчитать спектр, к примеру, атомов свинца (олова, алюминия, ртути …) в решетке я не располагаю. Более того, я вообще не считаю математические расчеты доказательством. Лишь весомым аргументом для поиска доказательства.
     Тогда обратимся к поиску доказательств. Прежде всего, рассмотрим схему.
     
     
     Вот так примерно я вижу схему сверхпроводника. Электроны куперовских пар вынесены, дабы не загромождать рисунок.
     Из того, что потенциально может быть физическими приборами зарегистрировано и измерено согласно предлагаемой мною схемы, мы имеем всего два множества квантовых систем:
     1. нейтральные атомы в состоянии поляризации
     2. сильновозбужденные атомы, которые лучше в свою очередь рассматривать как двойное множество:
     - множество псевдоионов
     - множество псевдосвободных электронов.
     Наличие двух больших множеств нейтральных поляризованных атомов и ионов вполне может быть ассоциировано по специфическим спектральным всплескам. Из этого следует, что спектры сверхпроводников должны быть двугорбыми, с целочисленными отношениями в осях горбов по длине волны/частоте, поскольку среда для атомов сверхпроводника в целом единая. Помимо отмеченных в БКШ и прекрасно исследованных куперовских пар данная схема предполагает также наличие и куперовских антипар из положительно заряженных дырок. К сожалению, это отмечено и в БКШ, куперовские пары, как и куперовские антипары, являются динамическими образованиями, имеющими лишь единственное основное состояние, принципиально не имеющие возбужденных состояний (это разрушало бы условия перехода в сверхпроводящее состояние), потому приборно принципиально не регистрируемые. Другими словами, куперовские пары – чисто математическое образование, но отражающее крайне существенные аспекты состояния сверхпроводимости. И в силу этого их теоретическое значение трудно переоценить.
     Другой регистрируемой и измеряемой характеристикой сверхпроводников по данной схеме является то, что внешнее воздействие на сверхпроводник будет вызывать реакцию не только куперовских пар, точнее – того, что за ними стоит, но и куперовских антипар с весьма примечательной особенностью неодновременности. Можно сказать в волновых понятиях – противофазности. «Двигаться» конечно будут не ионы решетки, «двигаться» будет их рекомбинация, из чего следует, что дырки вполне будут характеризоваться динамикой электронов, но противоположным зарядом. Другими словами, на них распространяется прекрасно разработанный в БКШ формализм куперовских пар, но с фазовой и зарядовой спецификой.
     Таким образом, данная модель не является самостоятельной теоретической разработкой. Она целиком укладывается в конструкцию БКШ, является её дальнейшим развитием и конкретизацией, имеющим большой прогностический и экспериментальный потенциал.
     Эксперименты:
     1. Спектральные исследования. Спектры сверхпроводников должны быть двугорбыми, с целочисленными отношениями в осях горбов по длине волны/частоте.
     2. Исследование отклика сверхпроводника на дельта-воздействие.
     Грубо говоря, безиндуктивным способом на некую основу (или без таковой) наматывается достаточно длинная нить какого-нибудь пусть даже классического металла/сплава (олово ...), имеющего фазовое состояние сверхпроводимости. Переводим его в сверхпроводящее состояние.
     И начинаем исследовать:
     - подаем на вход очень короткий импульс тока до критической амплитуды, длительностью желательно не большей чем - длина когерентности/скорость света.
     - регистрируем отклик и спектры как на входе, так и на выходе.
     - сравниваем временные соотношения.
     В идеале сравнение временных характеристик процессов входа-выхода должно дать стандартный колокол чисто стохастического распределения во времени, в том числе и с обращением во времени.
     Среднее время задержки ответа должно быть нулевым.
     3. Третий эксперимент, который следовало бы обязательно провести, как минимум предложить - это искусственная сверхпроводимость в заведомом не сверхпроводнике. К примеру, охладить до 1-3К тонкую полоску серебра (меди ...) и инфракрасным лазером с соответствующим зеркалом создать на нем интерференционную картинку с соответствующим шагом когерентности. Картинка создаст условия для образования стоячих волн и, соответственно, сверхпроводимость в полоске. Полоска будет сверхпроводником, пока включен лазер.
     4. Четвертый эксперимент - взять чистый не слишком анизотропный по осям изолятор и ввести в него электронную (дырочную) примесь с расчетной концентрацией для получения стоячих волн плотности для соответствующей температуры. Лучше – полосками поочередно p и n проводимости с общим интервалом параметра порядка. Опять же должны получить сверхпроводник.
     5. Пятый эксперимент – исследование сверхпроводника на частотах с длиной волны когерентности (параметром порядка). Там свойства сверхпроводника должны быть существенно отличными от свойств на других частотах. Вопреки формулам Лондонов сверхпроводник должен быть прозрачен для этих частот.
     6. Шестой эксперимент – исследование пространственной плотности распределения псевдосвободных электронов в сверхпроводнике. Должна наблюдаться регулярная структура с пиками плотности и пустыми участками с чередованием на расстояниях порядка длины когерентности.
     7. Исследование ионизации атомов решетки сверхпроводника. В основном состоянии атомов быть не должно. Нейтральные атомы должны быть в состоянии поляризации. А псевдоионы должны иметь аналогичную пространственному распределению электронов структуру, но с противофазным сдвигом.
     Надеюсь, стало немного понятнее.
     
     Станислав Кравченко
     st_krav@mail.ru
     


Автор: Кравченко прочтений: 20 оценки: 0 от 0
© Свидетельство о публикации № 23266
  Цена: 1 noo



Ваши комментарии

Пароль :

Комментарий :

Осталось символов

Доступна с мобильного телефона
Чат
Опросы
Музыка
Треки
НеForМат
Академия
Целит
Юрпомощь


О сервере


О проекте
Юмор
Работа
О нас

Earn&Play
Для контактов
skype:noo.inc


Этот сайт посвящен Георгию Гонгадзе, символу борьбы за свободу, журналисту, патриоту, человеку... Ukraine NBU Hrivnya rate
Russian ruble rate
Noo Web System



Редакция за авторские материалы ответственности не несет
стать автором
Micronoo Links Neformat Links Noo Links Chess Links Forex Links Weapon Links

Идея и разработка
компании NOO
На сайт разработчика