Tiểu luận chuyên đề vật lý -1- Các đại lượng đặc trưng cho vật liệu siêu dẫn 1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. 2. Điện trở 0 Trong trạng thái siêu dẫn, điện trở bằng 0 hay rất nhỏ? Thực tế, chưa có kết quả thực nghiệm nào đo được điện trở bằng 0 vì điện trở của chất siêu dẫn nhỏ hơn độ nhạy của các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Thực nghiệm với dụng cụ nhạy nhất cho ta điện trở của siêu dẫn kim loại < 10 -26 m  , do đó có thể coi điện trở của siêu dẫn kim loại bằng 0. 3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Nhiệt độ mà tại đó điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở, được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Kí hiệu là T c . Hay nói cách khác, nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Tiểu luận chuyên đề vật lý -2- Trạng thái không có điện trở của một chất gọi là trạng thái siêu dẫn và chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi điện trở bằng 0 được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn, kí hiệu T  . T  phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. Có 3 cách để phá vỡ trạng thái siêu dẫn là: ; ; c c c I I H H J J    với H c là từ trường tới hạn và J c là mật độ dòng tới hạn sẽ được trình bày ở các mục sau. 4. Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị ( c H ) xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường ( c H ) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Nói đơn giản, từ trường mạnh nhất mà một chất còn duy trì được tính siêu dẫn gọi là từ trường tới hạn c H . c H là hàm của nhiệt độ: 2 0 1 c c T H H T         , với H 0 là từ trường tại T = 0 và tại T = T c thì 0 c H  . Đường cong H c phụ thuộc vào T được gọi là đường cong ngưỡng. Nó là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng thuộc trạng thái thường. 5. Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn. Nói cách khác, dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn xem như bằng 0. Kí hiệu c I . Khi trong dây siêu dẫn có dòng điện I lớn hơn dòng tới hạn thì trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ. Tiểu luận chuyên đề vật lý -3- Ngoài khái niệm dòng tới hạn, người ta còn sử dụng khái niệm mật độ dòng tới hạn c J để thay thế. Đó là giá trị dòng tới hạn trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng là A/cm 2 . Giá trị c J phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn. 6. Độ dài kết hợp  Đó là khoảng cách giữa hai điện tử của cặp Cooper trong trạng thái siêu dẫn. Hay đó là khoảng cách n S = n S (r) thay đổi rất chậm theo r: – Đối với SD loại I: ~ 10 -4 cm ứng với ( ) s s r n n      – Đối với SD loại II:  ~ 10 -7 cm ứng với 0 s r n     Từ phương trình Ginzburg – Landau tính được: 1 2 2 2m           7. Năng lượng đặc trưng (khe năng lượng) Trong trạng thái SD, năng lượng của các trạng thái bị chiếm giảm do sự hình thành các cặp cooper làm xuất hiện các khe cấm năng lượng E g . Trong lý thuyết BCS ta có 2 3.5 g B C E k T    8. Độ xuyên sâu từ trường  Hiệu ứng Meissner xác nhận B = 0 bên trong thể tích vật siêu dẫn. Tuy nhiên, sự kiện này không đúng trên mặt của nó. Thực tế, để bù trừ B đòi hỏi có các dòng trên bề mặt gây ra từ độ M sao cho trong thể tích vật siêu dẫn M + H = 0. Do điện trở không các dòng bề mặt này không tiêu tán năng lượng, ta gọi là dòng siêu lỏng hay siêu dòng. Chiều dày Tiểu luận chuyên đề vật lý -4- của vùng mẫu siêu dòng chảy trong đó gọi là độ xuyên sâu của từ trường λ, là một trong các đại lượng đặc trưng của chất siêu dẫn. Từ phương trình London tính được: 1/2 1/2 2 2 2 2 2 4 4 o mc mc q q                       9. Phân loại chất siêu dẫn Thông số Ginzburg – Landau đợc đ/n là: 1/2 2 mc q               Tiêu chuẩn phân loại chất siêu dẫn theo lý thuyết Ginzburg – Landau là: 1 2   loại I và 1 2   loại II Chú ý: ,  vµ  là 3 thông số vĩ mô đặc trng trong trạng thái SD. – (  ) -> Độ thấm sâu của từ trường vào trong chất SD – (  ) -> Khoảng cách các vùng có n S thay đổi rất chậm trong từ trường. – (  ) -> Tiêu chuẩn để phân biệt SD loại I và II . Tiểu luận chuyên đề vật lý -1- Các đại lượng đặc trưng cho vật liệu siêu dẫn 1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt. siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Tiểu luận chuyên đề vật lý -2- Trạng thái không có điện trở của một chất gọi là trạng thái siêu dẫn. = 0. Do điện trở không các dòng bề mặt này không tiêu tán năng lượng, ta gọi là dòng siêu lỏng hay siêu dòng. Chiều dày Tiểu luận chuyên đề vật lý -4- của vùng mẫu siêu dòng chảy trong đó