Старовойтов Даниил. Теоретическое обоснование и разработка нового демонстрационного эксперимента по левитации сверхпроводников

Научный руководитель — А.Р. Кауль, ХФ МГУ

Старовойтов Даниил презентация

Целью нашей работы является разработка нового демонстрационного эксперимента по левитации.

Задачи:

1. Проведение научной работы на тему сверхпроводимости
2. Теоретическая разработка установки, позволяющей продемонстрировать левитацию сверхпроводников

Актуальность работы заключается в том, что на основе сверхпроводниковой левитации возможно создание бесконтактных магнитных подшипников, которые имеют перспективу применения в кинетических накопителях энергии и в поездах на магнитном подвесе, также этот эксперимент будет чрезвычайно важен для понимания природы сверхпроводников второго рода.

Первое, что мы должны понимать, это причины левитации сверхпроводников 2-го рода, это их свойство в основном обуславливается тремя явлениями:

1. Во-первых, Эффектом Мейснера, его суть заключается в том, что при достижении сверхпроводником критической температуры, происходит полное вытеснение магнитного поля из его объёма.
2. Во-вторых, вихрями Абрикосова, которые являются отдельными нитями магнитного поля, образованными круговыми токами в объёме сверхпроводника и закрепляющимися на центрах пиннинга. Каждая нить имеет нормальную сердцевину с радиусом порядка длины когерентности сверхпроводника ξ. Вокруг этого цилиндра течёт вихревой незатухающий ток куперовских пар. При этом каждый вихрь несёт один квант магнитного потока.
3. В-третьих, Куперовскими парами, связанными состояниями двух взаимодействующих через фонон электронов, обладающими суммарным нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона.

Для понимания процессов, происходящих в сверхпроводниках следует ввести несколько важных понятий и уточнений:

Ток куперовских пар ориентирован так, что создаваемое им магнитное поле направлено вдоль нормальной сердцевины, то есть совпадает с направлением внешнего магнитного поля.

Фонон — квазичастица, квант энер­гии со­гла­со­ван­но­го ко­ле­ба­тель­но­го дви­же­ния атомов твёр­до­го те­ла, об­ра­зую­щих иде­аль­ную кри­стал­лическую ре­шёт­ку.

Квант магнитного потока — макроскопическое квантовое явление, состоящее в том, что магнитный поток через кольцо из сверхпроводника с током может принимать только дискретные значения с минимальным значением Φ₀ = h/(2e) ≈ 2.067833 848 … × 10⁻¹⁵ Вб, которое представляет собой комбинацию фундаментальных физических констант.

Вихри движутся в сверхпроводящем материале, когда через него течёт ток. Однако вихри могут самопроизвольно закрепляться на наноразмерных неоднородностях в материале. Этот процесс называется пиннингом, а эти неоднородности — центрами пиннинга. Пиннинг вихрей нарушает порядок в решётке вихрей и способствует сохранению сверхпроводящей фазы даже при протекании очень больших токов.

Литература:

Абрикосов А. А. О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32. — С. 1442–1452.
London F. (1948-09-01). On the Problem of the Molecular Theory of Superconductivity // Physical Review. 74 (5): 562—573.
London F. Superfluids: Macroscopic theory of Superconductivity. —  NY : Dover, 1961.
Cooper L.N. Bound electron pairs in degenerate Fermi gas // Physical Review. – Vol. 104. – № 4 – P. 1189-1190.
Shankar R. Principles of Quantum Mechanics. — Springer Verlag, 2014.
Doll R., Näbauer M. Experimental Proof of Magnetic Flux Quantization in a Superconducting Ring // Physical Review Letters, 1961. 7 (2): 51—52.