Термоэлектрический эффект в обычных телах состоит в появлении электрического потенциала на границе
двух проводников, находящихся при разной температуре. Несколько иная
ситуация возникает в сверхпроводниках, т. к. их свойства не позволяют
электрическому полю проникнуть внутрь тела. Нормальный ток в
сверхпроводниках в результате оказывается скомпенсирован сверхпроводящим
током. Академик Виталий Лазаревич Гинзбург в 1944 году
продемонстрировал, что такая компенсация отсутствует в неоднородных или
анизотропных сверхпроводниках, что позволяет экспериментально обнаружить
термоэлектрический ток в этих структурах. Эксперименты действительно
подтвердили наличие термоэлектрического тока, однако и величина эффекта,
и его зависимость от температуры существенно разошлись с теоретическими
построениями. Так, к удивлению ученых, величина эффекта превысила
спрогнозированное ранее значение на несколько порядков. Убедительного
объяснения такого расхождения между теорией и экспериментом пока не
предложено, и парадокс остается неразрешенным до сих пор.
В 2004 году шведские ученые теоретически изучили появление
термоэлектрического эффекта в высокотемпературных сверхпроводниках и
установили, что он может достигать в них еще больших значений, поэтому
его назвали «гигантским».
Фото с сайта fian-inform.ru
Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и
Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им.
Р.Е. Алексеева решили посмотреть, как проявит себя термоэлектрический
эффект в низкотемпературных сверхпроводниках и возможно ли выявить
механизм его увеличения в них.
Ключевую роль в этом процессе играет асимметрия между электронами и
дырками (носителями положительного заряда, численно равного заряду
электронов). В нормальном состоянии «вклады» электроноподобных и
дырочных возбуждений в термоэлектрический эффект имеют противоположные
знаки и практически полностью взаимосокращаются. В то же время в
сверхпроводниках с «необычным» (анизотропным) спариванием электронов
рассеяние на примесях может приводить к более существенным значениям
термоэлектрического коэффициента. Это происходит благодаря появлению т.
н. квазисвязанных андреевских состояний рядом с примесями.
Суть данного явления объясняет участник эксперимента, старший научный
сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Каленков:
«Андреевские состояния появляются в процессе отражения электронов на
границе нормального металла и сверхпроводника. Появление этих состояний
проще всего проиллюстрировать на примере «слойки», состоящей из слоя
нормального металла, зажатого между двумя сверхпроводниками. Когда
электрон, находящийся в нормальном слое, достигает сверхпроводника, он
отражается обратно в виде дырки. Эта дырка попадает в другой
сверхпроводящий слой и отражается от него в виде электрона. Появляется
замкнутая орбита. При этом из квантовой механики известно, что если
возникает замкнутая орбита, то у нас появляется квантование, а значит,
возникает связанное состояние. Оно называется андреевским состоянием».
Для того чтобы «получить» андреевское состояние в низкотемпературном
сверхпроводнике, физики решили добавить в него т. н. магнитную примесь:
этот выбор обусловлен тем, что именно такая примесь подавляет
сверхпроводимость. «Если «уменьшить» долю нормального металла и взять
уже не прослойку, а гранулу, то в случае обычного, изотропного
сверхпроводника ничего не получится: андреевские состояния быстро
потеряют стабильность, они будут «выдавливаться» из щели и потом просто
пропадут. А если внутрь сверхпроводника добавить магнитную примесь, т.
е. точечный дефект, то вблизи появляется связанное состояние, которое
нам и нужно», – поясняет Михаил Каленков.
В итоге появляющееся андреевское состояние нарушает симметрию между
электроноподобными и дырочными возбуждениями, а это, в свою очередь,
приводит к появлению «гигантского» термоэлектрического эффекта. Ему
дополнительно способствует различие во времени рассеяния для электронов и
дырок. Впрочем, в случае низкотемпературных сверхпроводников, по словам
Михаила Каленкова, не совсем корректно разделять электронное и дырочное
возбуждение, т. к. эти частицы находятся в суперпозиции, т. е. как
будто «смешиваются». Тем не менее, даже с учетом этого можно уверенно
считать, что процесс идет по схеме, присущей высокотемпературным
сверхпроводникам, и расчеты можно проводить сходным образом.
Поводом для проведения данного исследования стала разработка болометра
(теплового приемника излучения), которая проводится в НГТУ. Этот прибор
будет исследовать параметры реликтового излучения с борта аэростата.
Основным компонентом болометра должен стать сверхпроводящий элемент,
поэтому исследование его термоэлектрических характеристик было особенно
важно. Одна из идей по увеличению эффекта – добавление магнитных
примесей – и получила развитие в работе ученых из ФИАН и НГТУ. Несмотря
на то, что сейчас исследователи предполагают использовать другой, более
эффективный способ детектирования излучения, создание болометра стало
важной отправной точкой для проведения вышеописанной теоретической
работы и остается одним из возможных способов ее экспериментальной
проверки.
Источник: АНИ «ФИАН-информ»
|
