Эксперименты с ртутью показали, что ни одна из гипотез не является верной. При температуре около 4,1 К электрическое сопротивление ртути, изменявшееся до этого постепенно, резко падало до нулевой отметки. Таким образом было открыто явление сверхпроводимости, за открытие которого Камерлинг-Оннесу в 1913 году была присуждена Нобелевская премия.
После открытия свойства сверхпроводимости у ртути возник логичный вопрос, обладают ли этим свойством ещё какие-нибудь вещества. Оказалось, что в сверхпроводящее состояние способны переходить многие другие металлы, такие как свинец, олово, ниобий. С другой стороны не удалось проследить перехода в сверхпроводящее состояние у таких металлов, как медь, золото, серебро, несмотря на то, что они являются лучшими по своим проводящим свойствам.
В то время не было ещё досконально известно, действительно ли сопротивление сверхпроводника падает до нуля, а не просто сильно уменьшается. Для получения ответа на данный вопрос был проведён опыт, суть которого заключалась в том, что по кольцевому проводнику, опущенному в жидкий гелий, однократно пускали электрический ток, который в последствие по прошествии даже нескольких лет оставался неизменным по своей силе. Этот опыт окончательно поставил точку в поставленном вопросе: сопротивление проводника в сверхпроводящем состоянии действительно равно нулю.
Нулевое сопротивление представляло небывалый интерес, ввиду многих причин. Во-первых, данное явление казалось чрезвычайно странным и необъяснимым. Во-вторых, оно открывало широкие возможности в области практического применения. Используя сверхпроводники можно до нуля свести расходуемую на проводнике мощность (исходя из закона Джоуля-Ленца P= I2R). Также теперь представлялось возможным создание на много более сильных, чем прежде, магнитных полей с помощью электромагнитов со сверхпроводящими соленоидами. Но как оказалось позднее, данным проектам не суждено было сбыться, так как пропускание через сверхпроводник более-менее значительного тока тут же разрушало сверхпроводящее состояние.
В 1956 году Леоном Купером было установлено, что за состояние сверхпроводимости ответственны так называемые куперовские пары - пары электронов связанные фононным взаимодействием.
Следующим основополагающим свойством сверхпроводников является так называемый эффект Мейснера, который заключается в вытеснении магнитного поля из сверхпроводника. Данное явление объясняется возникновением во внешних слоях проводника экранирующих токов, которые создают равное и противоположное по направлению внешнему собственное магнитное поле. Таким образом получается, что проникнуть внутрь проводника внешнее поле никак не может. Если же это поле настолько велико, что становится причиной сильных экранирующих токов, способных разрушить сверхпроводящее состояние, проводник теряет свои свойства. Таким образом, магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества, также как и достаточно сильные токи.
Отсутствие сопротивление и нулевая магнитная проницаемость - явления, которые, собственно, и характеризуют сверхпроводящее состояние вещества.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
Величина критической температуры зависит от структуры кристаллической решётки, выполняющей роль посредника в образовании куперовских пар. Появляется вопрос, а нельзя ли найти такую решётку или другую среду, которая обеспечивала бы более сильное межэлектронное притяжение, тем самым повышая и критическую температуру?
Окончательного ответа на данный вопрос пока не существует. Но теоритически можно указать и другие механизмы сверхпроводимости, не связанные с колебаниями кристаллической решётки.
Один из таких предложил американский физик Литтл. Его идея заключалась в том, чтобы получить полимер особой структуры. Схематически модель такого органического сверхпроводника представляет собой длинную полимерную нить с ответвлениями по бокам. При этом, в результате взаимодействия двух разных групп электронов, в центральной нити возникает сверхпроводящее состояние, которое согласно расчётам, проведённым Литтлом, должно сохраняться до температуры T = 2400 К.
В основе своей эта идея правильна, но реализация её на практике в данный момент нереальна ввиду ряда причин.
Глава вторая. Рассмотрение однофотонного детектора типа SSPD
§1 - Однофотонные детекторы типа SSPD
В практической части своей работы я рассмотрел и изучил некоторые свойства и особенности сверхпроводникового однофотонного детектора типа SSPD.
Однофотонный детектор - это фоточувствительный прибор для регистрации единичных фотонов. В своей работе я рассматривал однофотонный детектор типа SSPD. Изученный мной сверхпроводниковый однофотонный детектор изготовлен из сверхпроводниковой пленки нитрида ниобия толщиной 3.5 - 4 нм. На поверхности пластины детектора сформирована узкая (шириной 100 нм), длинная (500 мкм) полоска, изогнутая в виде меандра, покрывающего площадь 7x7 мкм. Такие размеры детектора (по площади) позволяют эффективно согласовывать его с оптоволокном (т. к. светоносный кор оптоволокна имеет диаметр 9 мкм), что удобно для многих практических применений.
Принцип действия SSPD основан на переходе в резистивное состояние небольшой части полоски проводника. С помощью жидкого гелия температуру детектора понижают до 4К (критическая температура SSPD порядка 10 К). Через полоску нитрида ниобия пропускают ток, меньший критического. При поглощении фотона сверхпроводящей частью детектора, происходит локальный разогрев сверхпроводника и часть полоски переходит в резистивное состояние, вызывая этим самым скачок напряжения в цепи. Данные скачки напряжения считаются счетчиком, их число равно числу зарегистрированных фотонов. Резистивная область в полоске нитрида ниобия практически мгновенно исчезает за счет релаксационных процессов (охлаждение нагретого участка) и детектор готов к регистрации нового фотона.
Любой однофотонный детектор характеризуется отношением числа зарегистрированных фотонов к общему числу падающих на детектор фотонов - квантовой эффективностью. Для SSPD, как и для большинства других детекторов характерно значение квантовой эффективности в 10%.
Благодаря своим характеристикам SSPD уже нашел применение в решении многих научных задач, в том числе таких как: исследование люминесценции квантовых точек, в квантовой криптографии, в квантовом повторителе. Дальнейшее расширение области практического использования SSPD связано с необходимостью увеличения квантовой эффективности детектора. До появления SSPD для регистрации и подсчёта единичных фотонов использовались такие приборы, как фотоэлектронный умножитель и лавинный фотодиод.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) -- электровакуумный прибор, в котором фототок усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток на выходе цепи значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10^5 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930--1934 гг.
Лавинные фотодиоды, (ЛФД) -- это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта и усиливающие его посредством эффекта лавинного умножения. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей.
§2 - Измерение квантовой эффективности однофотонного детектора типа SSPD
Цель. Одной из целей практической части моей работы было освоение методики измерения квантовой эффективности, рассматриваемого мной однофотонного детектора.
Схема установки.
Ход работы. Для измерения квантовой эффективности изучаемый объект закрепляется на макете (длинная металлическая трубка с возможностью подключения к ней оптоволоконного кабеля и источника тока смещения) и охлаждается в сосуде с жидким гелием. С помощью источника тока (с возможностью регулировать силу тока с точностью до 0,1 мА) через детектор пропускают ток меньше критического (критический ток можно определить с помощью выше указанного прибора). По оптоволоконному кабелю система сообщается с усилителем и осциллографом, на экране которого в данный момент времени можно видеть своеобразную картину, отражающую многократные, повторяющиеся, усиленные скачки напряжения на детекторе. С помощью компьютера строится зависимость количества зарегестрированных фотонов от тока, пропускаемового через детектор (график №1).
Экспериментальные данные. Данные полученные в результате работы с установкой анализируются компьютером и предоставляются в виде графически выраженной зависимости количества зарегистрированных фотонов от тока смещения (График 1).
График 1. Зависимость количества зарегестрированных фотонов от тока смещения.
Результат эксперимента. Исходя из полученных данных делается вывод о квантовой эффективности данного образца (10^6 фотонов считается за один процент). Подсчёт ведётся по последней перед критическим током точке. Квантовая эффективность образца, рассмотренного нами для примера при описании принципа, равна примерно 5,3%.
§3 - Измерение вольт-амперной характеристики
Цель. Второй целью практической части моей работы является изучение принципа получения вольт-амперной характеристики рассматриваемого образца.
Экспериментальная установка. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) образца делается с помощью уже описанной установки (охлаждённый макет, усилитель, осциллограф, источник тока).
Ход эксперимента. С помощью специального ПО компьютер автоматически меняет напряжение на контактах макета, в то же время регистрируя для каждого значения напряжения значение силы тока.
Экспериментальные данные. Исходя из полученных данных строится зависимость силы тока в цепи от напряжения - вольт-амперная характеристика.
Результаты. На рисунках 2 и 3 представленны графики ВАХ для разных образцов. Плавный необъяснимый изгиб на участке близком к нулю по оси абсцисс обусловлен скорее всего каким-то незаметным дефектом детектора, оборудование было неоднократно проверенно посредством измерения ВАХ обычных резисторов (График 3 и 4), поэтому с ним проблем быть не должно.
График 2. ВАХ первого образца.
График 3. ВАХ второго образца и ВАХ обычного резистора.
Линейные, практически параллельные оси ОХ участки графика отображают поведение образца в резистивном состоянии. Участок, ограниченный с двух сторон резкими перепадами сопротивления отображает вольт-амперную зависимость проводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Наличие сопротивления системы в сверхпроводящем участке графика обусловлено сопротивлением подводящих проводов и контактов. Образец в данный момент действительно имеет нулевое сопротивление.
График 4. ВАХ обычных резисторов с разным сопротивлением, построенная для проверки работоспособности и корректности установки.
Анализ ситуации показывает, что с установкой действительно всё в порядке, а скачок сопротивления, зарегестрированный при построении ВАХ для SSPD, обусловлен неизвестным дефектом самого детектора или макета.
Заключение
Последнее столетие ознаменовано гигантским ускорением темпов научно-технического прогресса. То, что в начале двадцатого века было лишь гипотезой, к концу его превращается в одну из самых крупных и исследуемых научных теорий. Явление сверхпроводимости имеет огромный и не до конца пока что раскрытый потенциал применения и можно быть уверенным в том, что век грядущий принесёт нам множество открытий в данной области. Все поставленные мною задачи были решены, таким образом я считаю, что цель моей работы была достигнута.
Список использованной литературы
1.Виталий Лазаревич ГИНЗБУРГ, Евгений Александрович АНДРЮШИН Сверхпроводимость, Альфа-М, 2006 г.
2.Корнеев Александр Александрович, Квантовая эффективность и темновой счёт NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора, Москва, 2006 г.
3.В. З. Кресин - Сверхпроводимость и Сверхтекучесть, 1978 г.