Способ усиления термоэлектрического эффекта в сверхпроводниках
Сотрудники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) нашли способ усиления термоэлектрического эффекта в низкотемпературных сверхпроводниках. Под термоэлектрическим эффектом здесь понимается возникновение термоэлектродвижущей силы или термотока в контурах вроде тех, что показаны на рисунке ниже. Если представить себе, что эти цепи составлены из двух различных металлов в обычном состоянии, а спаи находятся при разных температурах Т1 и Т2, то в разомкнутом контуре появится термоэдс ε, а в замкнутом — ток I = ε/R.
В первой половине ХХ века было принято считать, что замена металлов на материалы в сверхпроводящем состоянии приводит к исчезновению термоэлектрического эффекта в таком опыте. Другими словами, в случае температур Т1 и Т2, опускающихся ниже меньшей из двух критических температур задействованных сверхпроводников, обнаружить не удавалось ни термоэдс, ни термоток.
Иллюстрация из журнала «Успехи физических наук».
Ошибочность вывода об исчезновении эффекта ещё в 1944 году показал Виталий Гинзбург. В своих выкладках он полагался на двухжидкостную модель сверхпроводников, согласно которой полная плотность тока записывается в виде js + jn — суммы плотностей сверхпроводящего и «нормального» тока. Последний переносится «нормальными электронами», то есть квазичастицами электронного или дырочного типа, всегда присутствующими в металле. В сверхпроводящем состоянии концентрация этих квазичастиц сильно зависит от температуры и, вообще говоря, стремится к нулю при Т → 0.
Таким образом, термоток в сверхпроводнике при наличии градиента температуры пропадать не должен, но может и не наблюдаться, если он окажется скомпенсирован током js. Однако полная компенсация, как утверждал академик Гинзбург, достижима только в простейшем случае однородного и изотропного сверхпроводника. Если же речь идёт о неоднородном или анизотропном образце, зарегистрировать эффект можно.
Последующие эксперименты подтвердили правоту физика, но величина эффекта и его зависимость от температуры не согласовались с теоретическими предсказаниями. К удивлению специалистов, он оказался на несколько порядков более сильным, чем ожидалось, и убедительно объяснить такое расхождение никто пока не сумел. Более того, в 2004 году шведские исследователи, рассмотревшие высокотемпературные сверхпроводники, установили, что в них эффект может становиться ещё более сильным — «гигантским».
Российских физиков заинтересовала возможность наблюдения «гигантского» эффекта в низкотемпературных сверхпроводниках. Поводом для исследования стала ведущаяся в НГТУ разработка болометра (теплового приёмника излучения), который будет оценивать параметры реликтового фона с борта аэростата. Ключевой деталью прибора, согласно первоначальному плану, должен был стать сверхпроводящий элемент.
Размышляя над тем, как можно оптимизировать термоэлектрические характеристики элемента, учёные пришли к идее о введении в сверхпроводник магнитной примеси. Подобная добавка, по мысли учёных, даст возможность получить так называемые квазисвязанные андреевские состояния. «Эти состояния появляются в процессе отражения электронов на границе нормального металла и сверхпроводника, — поясняет кандидат физико-математических наук Михаил Каленков. — Можно проиллюстрировать это на примере «слойки» — слоя нормального металла, зажатого между двумя сверхпроводниками. Когда электрон из нормального слоя достигает сверхпроводника, он отражается обратно в виде дырки, которая затем попадает в другой сверхпроводящий слой и отражается от него в виде электрона. Появляется замкнутая орбита. Из квантовой механики известно, что если возникает замкнутая орбита, то у нас появляется квантование, а значит, и связанное состояние — андреевское. Если уменьшить долю нормального металла и взять уже не прослойку, а гранулу, то в случае обычного, изотропного сверхпроводника ничего не выйдет: андреевские состояния быстро потеряют стабильность. А вот когда внутрь сверхпроводника добавляют магнитную примесь, то есть точечный дефект, вблизи появляется связанное состояние, которое нам нужно».
Андреевское состояние нарушает симметрию между электроноподобными и дырочными возбуждениями, вклады которых в термоэлектрический эффект имеют противоположные знаки. Следствием этого и должен быть «гигантский» термоэлектрический эффект.
Результаты расчётов необходимо будет проверить на опыте. Хотя в схему упомянутого выше болометра сейчас заложен уже более эффективный способ регистрации излучения, методы тестирования сверхпроводящего элемента авторам известны.
по информации: compulenta.ru