Эффект Литтла — Паркса
Эффект Литтла — Паркса был обнаружен в 1962 году Уильямом А. Литтлом и Роландом Д. Парком в экспериментах с тонкостенными сверхпроводящими цилиндрами помещёнными в параллельное магнитное поле.[1] Это одно из первых указаний на важность куперовского спаривания.
Суть эффекта заключается в незначительном подавлении сверхпроводимости незатухающим током.
Результаты схематически показаны на рис. где наблюдаются периодические осцилляции критической температуры (Тс) на параболическом фоне.
Содержание
Объяснение
Электрическое сопротивление таких цилиндров демонстрирует периодические колебания в зависимости от магнитного потока, пронизывающего этот цилиндр, с периодом
- h/2e ≈ 2,07×10-15 T⋅m2
где h — это постоянная Планка, а e — это абсолютный заряд электрона. Объяснение Литтла и Паркса состоит в том, что осцилляции сопротивления отражают более фундаментальное явление, то есть периодические колебания температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc.
Эффект Литтла — Паркса состоит в периодическом изменении Tc с магнитным потоком, который равен произведению магнитного поля (коаксиального) и площади поперечного сечения цилиндра. Тс зависит от кинетической энергии (КЭ) сверхпроводящих электронов. Точнее, Tc — это такая температура, при которой свободные энергии нормальных и сверхпроводящих электронов равны, для данного магнитного поля. Чтобы понять периодические колебания Tc, необходимо разобраться в периодическом изменении кинетической энергии. КЭ осциллирует, поскольку приложенный магнитный поток увеличивает КЭ в то время как сверхпроводящие вихри, периодически пронизывающие цилиндр, компенсируют действие магнитного потока и снижают КЭ.[1] Таким образом, периодические колебания кинетической энергии и соответствующие периодические осцилляции критической температуры происходят вместе.
Эффект Литтла — Паркса результат коллективного квантового поведения сверхпроводящих электронов. [2]
Эффект Литтла — Паркса можно рассматривать как результат требования, что квантовая физика должна быть инвариантна относительно выбора калибровки для электромагнитного потенциала, часть которого составляет магнитный векторный потенциал A.
Электромагнитная теория предполагает, что частицы с электрическим зарядом Q двигающаяся по некоторому пути P в области с нулевым магнитным полем B, но не нулевым, A (потому что <math>\mathbf{B} = 0 = \nabla \times \mathbf{A}</math>), приобретает фазовый сдвиг <math>\varphi</math>, заданный в единицах Си как
- <math>\varphi = \frac{q}{\hbar} \int_P \mathbf{A} \cdot d\mathbf{x},</math>
В сверхпроводнике электроны образуют квантовый сверхпроводящий конденсат, называемый конденсатом Бардина — Купера — Шриффера (БКШ). В конденсате БКШ все электроны ведут себя когерентно, то есть как одна частица. Таким образом, фаза коллективной волновой функции ведёт себя под воздействием векторного потенциала A так же, как фаза одного электрона. Поэтому конденсат БКШ текущий по замкнутому контуру в многосвязных сверхпроводящих образцах приобретает разность фаз Δφ определяемую магнитным потоком ΦB через площадь, ограниченную контуром (по теореме Стокса и <math>\nabla \times \mathbf{A} = \mathbf{B}</math>), по формуле:
- <math>\Delta\varphi = \frac{q\Phi_B}{\hbar}.</math>
Эта фаза отвечает за квантование магнитного потока и эффект Литтла — Паркса в сверхпроводящих кольцах и пустых цилиндрах. Квантование возникает из однозначности сверхпроводящей волновой функции в кольце или пустотелом сверхпроводящем цилиндре: её разность фаз Δφ вокруг замкнутого контура должна быть кратной 2π, с зарядом q = 2e для куперовских пар.
Если период осцилляций Литтла — Паркса 2π по отношению к сверхпроводящей фазе, то из формулы выше следует, что период относительно магнитного потока равен кванту магнитного потока, а именно
- <math>\Delta \Phi_B = 2\pi\hbar/2e=h/2e.</math>
Приложения
Эффект Литтла — Паркса широко используется для доказательства механизма куперовского спаривания. Одним из хороших примеров является изучение перехода сверхпроводник — диэлектрик.[3][4][5]
Трудность заключается в том, чтобы отделить осцилляции Литтла — Паркса от слабой (анти-)локализации (Альтшулер и соавт., где авторы наблюдали осцилляции Ааронова — Бома в грязных металлических пленках).
История
Фриц Лондон предсказал, что манитный поток квантуется в многосвязных сверхпроводниках. Экспериментально было показано,[6] , что захваченный магнитный поток существовал только для дискретных квантовых значений h/2e. Дивер и Файрбэнк измерили квантование с точностью 20-30 % определяемую толщиной стенок цилиндра.
Литтл и Паркс рассмотрели тонкостенные (материалы: Al, In, Pb, Sn и Sn-In-сплавы) цилиндры (диаметр около 1 микрона) при Т вблизи температуры перехода в коаксиальном магнитном поле. Они наблюдали осцилляции магнитосопротивленияОни на самом деле измеряли малые изменения сопротивления в зависимости от температуры для различных постоянных магнитных полей, как это показано на рис.
References
- ↑ 1 2 W. A. Little and R. D. Parks, «Observation of Quantum Periodicity in the Transition Temperature of a Superconducting Cylinder», Physical Review Letters 9, 9 (1962), doi:10.1103/PhysRevLett.9.9
- ↑ Tinkham M. Introduction to Superconductivity, Second Edition. — New York, NY: McGraw-Hill, 1996. — ISBN 0486435032.
- ↑ G. Kopnov et al., «Little-Parks Oscillations in an Insulator», Physical Review Letters 109, 167002 (2012), doi: [dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.167002]
- ↑ I. Sochnikov et al., «Large oscillations of the magnetoresistance in nanopatterned high-temperature superconducting films», Nature Nanotechnology 5, 516—519 (2010), doi: [www.nature.com/nnano/journal/v5/n7/full/nnano.2010.111.html]
- ↑ D. Gurovich et al., «Little-Parks oscillations in a single ring in the vicinity of the superconductor-insulator transition», PHYSICAL REVIEW B 91, 174505 (2015), doi: [dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.174505]
- ↑ Bascom S. Deaver, Jr. and William M. Fairbank, «Experimental Evidence for Quantized Flux in Superconducting Cylinders», Physical Review Letters 7, 43 (1961), doi: [journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.7.43]
Напишите отзыв о статье "Эффект Литтла — Паркса"
Отрывок, характеризующий Эффект Литтла — Паркса
«Может быть, – думал он, – я и казался тогда странен и смешон; но я тогда не был так безумен, как казалось. Напротив, я был тогда умнее и проницательнее, чем когда либо, и понимал все, что стоит понимать в жизни, потому что… я был счастлив».Безумие Пьера состояло в том, что он не дожидался, как прежде, личных причин, которые он называл достоинствами людей, для того чтобы любить их, а любовь переполняла его сердце, и он, беспричинно любя людей, находил несомненные причины, за которые стоило любить их.
С первого того вечера, когда Наташа, после отъезда Пьера, с радостно насмешливой улыбкой сказала княжне Марье, что он точно, ну точно из бани, и сюртучок, и стриженый, с этой минуты что то скрытое и самой ей неизвестное, но непреодолимое проснулось в душе Наташи.
Все: лицо, походка, взгляд, голос – все вдруг изменилось в ней. Неожиданные для нее самой – сила жизни, надежды на счастье всплыли наружу и требовали удовлетворения. С первого вечера Наташа как будто забыла все то, что с ней было. Она с тех пор ни разу не пожаловалась на свое положение, ни одного слова не сказала о прошедшем и не боялась уже делать веселые планы на будущее. Она мало говорила о Пьере, но когда княжна Марья упоминала о нем, давно потухший блеск зажигался в ее глазах и губы морщились странной улыбкой.
Перемена, происшедшая в Наташе, сначала удивила княжну Марью; но когда она поняла ее значение, то перемена эта огорчила ее. «Неужели она так мало любила брата, что так скоро могла забыть его», – думала княжна Марья, когда она одна обдумывала происшедшую перемену. Но когда она была с Наташей, то не сердилась на нее и не упрекала ее. Проснувшаяся сила жизни, охватившая Наташу, была, очевидно, так неудержима, так неожиданна для нее самой, что княжна Марья в присутствии Наташи чувствовала, что она не имела права упрекать ее даже в душе своей.
Наташа с такой полнотой и искренностью вся отдалась новому чувству, что и не пыталась скрывать, что ей было теперь не горестно, а радостно и весело.
Когда, после ночного объяснения с Пьером, княжна Марья вернулась в свою комнату, Наташа встретила ее на пороге.
– Он сказал? Да? Он сказал? – повторила она. И радостное и вместе жалкое, просящее прощения за свою радость, выражение остановилось на лице Наташи.
– Я хотела слушать у двери; но я знала, что ты скажешь мне.
Как ни понятен, как ни трогателен был для княжны Марьи тот взгляд, которым смотрела на нее Наташа; как ни жалко ей было видеть ее волнение; но слова Наташи в первую минуту оскорбили княжну Марью. Она вспомнила о брате, о его любви.
«Но что же делать! она не может иначе», – подумала княжна Марья; и с грустным и несколько строгим лицом передала она Наташе все, что сказал ей Пьер. Услыхав, что он собирается в Петербург, Наташа изумилась.
– В Петербург? – повторила она, как бы не понимая. Но, вглядевшись в грустное выражение лица княжны Марьи, она догадалась о причине ее грусти и вдруг заплакала. – Мари, – сказала она, – научи, что мне делать. Я боюсь быть дурной. Что ты скажешь, то я буду делать; научи меня…
– Ты любишь его?
– Да, – прошептала Наташа.
– О чем же ты плачешь? Я счастлива за тебя, – сказала княжна Марья, за эти слезы простив уже совершенно радость Наташи.
– Это будет не скоро, когда нибудь. Ты подумай, какое счастие, когда я буду его женой, а ты выйдешь за Nicolas.
– Наташа, я тебя просила не говорить об этом. Будем говорить о тебе.
Они помолчали.
– Только для чего же в Петербург! – вдруг сказала Наташа, и сама же поспешно ответила себе: – Нет, нет, это так надо… Да, Мари? Так надо…
Прошло семь лет после 12 го года. Взволнованное историческое море Европы улеглось в свои берега. Оно казалось затихшим; но таинственные силы, двигающие человечество (таинственные потому, что законы, определяющие их движение, неизвестны нам), продолжали свое действие.
Несмотря на то, что поверхность исторического моря казалась неподвижною, так же непрерывно, как движение времени, двигалось человечество. Слагались, разлагались различные группы людских сцеплений; подготовлялись причины образования и разложения государств, перемещений народов.
Историческое море, не как прежде, направлялось порывами от одного берега к другому: оно бурлило в глубине. Исторические лица, не как прежде, носились волнами от одного берега к другому; теперь они, казалось, кружились на одном месте. Исторические лица, прежде во главе войск отражавшие приказаниями войн, походов, сражений движение масс, теперь отражали бурлившее движение политическими и дипломатическими соображениями, законами, трактатами…
Эту деятельность исторических лиц историки называют реакцией.
Описывая деятельность этих исторических лиц, бывших, по их мнению, причиною того, что они называют реакцией, историки строго осуждают их. Все известные люди того времени, от Александра и Наполеона до m me Stael, Фотия, Шеллинга, Фихте, Шатобриана и проч., проходят перед их строгим судом и оправдываются или осуждаются, смотря по тому, содействовали ли они прогрессу или реакции.
В России, по их описанию, в этот период времени тоже происходила реакция, и главным виновником этой реакции был Александр I – тот самый Александр I, который, по их же описаниям, был главным виновником либеральных начинаний своего царствования и спасения России.
В настоящей русской литературе, от гимназиста до ученого историка, нет человека, который не бросил бы своего камушка в Александра I за неправильные поступки его в этот период царствования.
«Он должен был поступить так то и так то. В таком случае он поступил хорошо, в таком дурно. Он прекрасно вел себя в начале царствования и во время 12 го года; но он поступил дурно, дав конституцию Польше, сделав Священный Союз, дав власть Аракчееву, поощряя Голицына и мистицизм, потом поощряя Шишкова и Фотия. Он сделал дурно, занимаясь фронтовой частью армии; он поступил дурно, раскассировав Семеновский полк, и т. д.».
Надо бы исписать десять листов для того, чтобы перечислить все те упреки, которые делают ему историки на основании того знания блага человечества, которым они обладают.
Что значат эти упреки?
Те самые поступки, за которые историки одобряют Александра I, – как то: либеральные начинания царствования, борьба с Наполеоном, твердость, выказанная им в 12 м году, и поход 13 го года, не вытекают ли из одних и тех же источников – условий крови, воспитания, жизни, сделавших личность Александра тем, чем она была, – из которых вытекают и те поступки, за которые историки порицают его, как то: Священный Союз, восстановление Польши, реакция 20 х годов?
