Efekt blízkosti (supravodivost) - Proximity effect (superconductivity)

Graf znázorňující supravodivou hustotu elektronů versus hloubku v normální a supravodivé vrstvě se dvěma koherenční délky, ${displaystyle xi}$ a ${displaystyle xi _ {n}}$.

Efekt blízkosti nebo Holm-Meissnerův efekt je termín používaný v oboru supravodivost popsat jevy, ke kterým dochází, když je supravodič (S) uveden do kontaktu s „normálním“ (N) nesupravodičem. Typicky kritická teplota ${displaystyle T_ {c}}$ supravodiče je potlačena a v normálním materiálu jsou pozorovány známky slabé supravodivosti mezoskopický vzdálenosti. Efekt blízkosti je známý od průkopnické práce R. Holma a W. Meissnera.^[1] Pozorovali nulový odpor u lisovaných kontaktů SNS, ve kterých jsou dva supravodivé kovy odděleny tenkým filmem nesupravodivého (tj. Normálního) kovu. Objev superproudu v kontaktech SNS se někdy mylně připisuje Brian Josephson Práce z roku 1962, přesto byl efekt znám dlouho před jeho vydáním a byl chápán jako efekt blízkosti.^[2]

Původ účinku

Elektrony v supravodivém stavu a supravodič jsou uspořádány velmi odlišným způsobem než v normálním kovu, tj. jsou spárovány do Cooperové páry. Navíc nelze říci, že elektrony v materiálu mají definitivní polohu kvůli poloze hybnosti doplňkovost. Ve fyzice pevných látek si člověk obvykle vybírá základ hybnosti a všechny stavy elektronů jsou plněny elektrony až do Fermiho povrch v kovu, nebo dokud energie okrajové mezery v supravodiči.

Kvůli nelokalitě elektronů v kovech se vlastnosti těchto elektronů nemohou nekonečně rychle měnit. V supravodiči jsou elektrony uspořádány jako supravodivé Cooperovy páry; v normálním kovu je elektronový řád bez mezer (jednoelektronové stavy se plní až do Fermiho povrch ). Pokud se supravodič a normální kov spojí, elektronový řád v jednom systému se nemůže nekonečně náhle změnit na druhý na hranici. Místo toho je spárovaný stav v supravodivé vrstvě přenesen do normálního kovu, kde je párování zničeno rozptylovými událostmi, což způsobí, že Cooperovy páry ztratí svoji soudržnost. Pro velmi čisté kovy, jako je např měď, párování může přetrvávat stovky mikronů.

Naopak (bez mezery) elektronový řád přítomný v normálním kovu je také přenesen do supravodiče v tom smyslu, že supravodivá mezera je snížena blízko rozhraní.

Mikroskopický model popisující toto chování z hlediska procesů s jedním elektronem se nazývá Andreevova reflexe. Popisuje, jak elektrony v jednom materiálu přebírají pořadí sousední vrstvy tím, že zohledňují průhlednost rozhraní a stavy (v druhém materiálu), ze kterých se mohou elektrony rozptylovat.

Přehled

Jako kontaktní efekt je efekt blízkosti úzce spojen s termoelektrickými jevy, jako je Peltierův efekt nebo vznik pn křižovatky v polovodiče. Vylepšení efektu blízkosti z ${displaystyle T_ {c}}$ je největší, když je normálním materiálem kov s velkou difuzivitou spíše než izolátor (I). Potlačení efektu blízkosti ${displaystyle T_ {c}}$ ve spin-singletovém supravodiči je největší, když je normální materiál feromagnetický, protože přítomnost vnitřního magnetického pole oslabuje supravodivost (Cooperové páry lámání).

Výzkum

Studium S / N, S / I a S / S '(S' je nižší supravodič) dvojvrstev a vícevrstev bylo obzvláště aktivní oblastí výzkumu supravodivých efektů blízkosti. Chování složené struktury ve směru rovnoběžném s rozhraním se liší od chování kolmého k rozhraní. v supravodiče typu II vystaveni magnetickému poli rovnoběžnému s rozhraním budou defekty víru přednostně nukleacovány ve vrstvách N nebo I a je pozorována diskontinuita v chování, když je rostoucí pole nutí do vrstev S. U supravodičů typu I bude tok podobně nejprve pronikat N vrstvami. K podobným kvalitativním změnám v chování nedochází, pokud je magnetické pole aplikováno kolmo na rozhraní S / I nebo S / N. V S / N a S / I vícevrstvých při nízkých teplotách, dlouhé hloubky průniku a koherenční délky Cooperových párů umožní vrstvám S udržovat vzájemný, trojrozměrný kvantový stav. Jak se teplota zvyšuje, komunikace mezi vrstvami S je zničena, což vede k přechodu na dvourozměrné chování. Anizotropní chování dvojvrstev a vícevrstev S / N, S / I a S / S 'sloužilo jako základ pro pochopení daleko složitějších jevů kritického pole pozorovaných u vysoce anizotropního kuprátu vysokoteplotní supravodiče.

Nedávno byl pozorován efekt blízkosti Holm-Meissnera u grafen výzkumnou skupinou Morpurgo.^[3] Pokusy byly prováděny na zařízeních v měřítku nanometrů vyrobených z jednotlivých grafenových vrstev se superponovanými supravodivými elektrodami vyrobenými z 10nm Titanové a 70 nm hliníkové fólie. Hliník je supravodič, který je zodpovědný za indukci supravodivosti do grafenu. Vzdálenost mezi elektrodami byla v rozmezí mezi 100 nm a 500 nm. Efekt blízkosti se projevuje pozorováním nadproudu, tj. Proudu protékajícího grafenovým spojem s nulovým napětím na spoji. Použitím hradlových elektrod výzkumy ukázaly, že efekt přiblížení nastává, když jsou nosiči v grafenu elektrony, stejně jako nosiči jsou otvory. Kritický proud zařízení byl nad nulou i v bodě Dirac.

Abrikosov vír a efekt blízkosti

Zde je ukázáno, že kvantový vír s dobře definovaným jádrem může existovat v poměrně tlustém normálním kovu, blízkém supravodiči ^[4].

Viz také

• Andreevova reflexe - Typ rozptylu částic, ke kterému dochází na rozhraních mezi supravodičem a materiálem v normálním stavu
• Josephsonův efekt - Kvantový fyzikální jev

Reference

• Supravodivost kovů a slitin podle P.G. de Gennes, ISBN  0-201-40842-2, učebnice, která věnuje značný prostor supravodivému efektu blízkosti (v knize se nazývá „hraniční efekt“).