Философия сверхпроводимости

 

Исследуем поведение некоего образца некоего материала. Поскольку исследование носит чисто философский характер, то интересовать будет сугубо качественная сторона вопроса, без серьезного вникания в «технические детали», что дает истинно правоверным физикам основание сказать «фи» и далее не читать. Для более всеядных читателей отметим, что без некоторых «деталей» нам не обойтись, материал придется брать не абы какой, а предъявлять к нему ряд специфических требований.

Требование 1: энергетическая характеристика материала должна обеспечивать существование хотя бы одной не перекрываемой энергетической щели между последовательными зонами Бриллюэна.

Другими словами, совсем не обязательно энергетические характеристики материала по осям симметрии решетки должны быть строго идентичными и разрешенные/запрещенные энергетические полосы могут быть отличными, но обязательно должна существовать общая запрещенная полоса и чем она шире, тем лучше.

Исходя из этого лучше, чтобы материал был изолятором.

Рассмотрим поведение материала при различных температурах.

  1. kT>>Tс

в обычных высокотемпературных условиях (до разрушения связей в решетке)  особенностей не предвидится. Решетка материала характеризуется некими постоянными по осям симметрии «а», элементы узлов решетки совершают тепловые колебания с энергетическим распределением близким к распределению Бози-Эйнштейна, а электроны энергетически группируются в «капли», из которой нас будет интересовать те, что образуют ее «поверхность Ферми». В этих исходных стандартных условиях для изоляторов фазовый контур поверхности Ферми будет «квадратным», углы которого могут быть скруглены, если применен какой-нибудь метод «допирования» свободных электронов/дырок. Ничего необычного.

  1. kT>Tс

При температурах, приближающихся к фазовому переходу сверхпроводимости начинают происходить некоторые качественные изменения в энергетических свойствах материала. Из-за того, что стремительно уменьшается доля фононов с энергиями, с верхними разрешенными и большими уровнями, начинают все большее значение приобретать резонансные волновые свойства решетки. Все более ощутимая часть узлов решетки оказывается в энергетическом состоянии нижней разрешенной зоны. А поскольку электроны с уровнем поверхности Ферми активно взаимодействуют с узлами решетки, то проявляющаяся особенность энергетического состояния решетки неизбежно скажется и на энергетическом распределении электронов на поверхности Ферми, на поверхности появятся псевдощели в силу того, что все большее количество электронов контура будут иметь энергию, определяемую колебательными резонансными свойствами решетки.

  1. kT~Tс

Наметившиеся ранее качественные изменения в энергетическом состоянии материала приводят его структурной перестройке. При температуре фазового перехода практически отсутствуют воздействия с энергиями, достигающими верхний уровень запрещенной щели, в силу чего узлы решетки спонтанно переходят в энергетическое состояние нижнего разрешенного уровня. Поскольку абсолютно изолированных систем не существует, то часть квантов переходов неизбежно рассеивается. В результате при температуре возникновения сверхпроводимости возникает достаточно «идентичное» энергетическое состояние узлов решетки у по крайней мере части образца материала. Энергетические состония валентных электронов, образующих первый контур уровня Ферми, в силу идентичности энергетических состояний узлов решетки и отсутствия переходов в возбужденные состояния, вырождаются до предельных значений, соответствующих стоячим, в не бегущим волнам.

 

Это можно ассоциировать с «замораживанием» электронов связей в межузловых промежутках, поскольку при таких условиях энергетического обмена электронная плотность именно там становится наибольшей. А «вмораживание» электронов в стоячие волны связей в решетку приводит в некоторых случаях к скачкообразным качественным изменениям.

Требование 2: должен существовать энергетический выигрыш структурной перестройки решетки.

Поскольку реструктуризация осуществляется за счет энергетического выигрыша на связях валентными электронами поверхности Ферми, то разнообразие возможных надсистем врядли должно уступать разнообразию химических связей, что «технически», несомненно, важно, но с философской точки зрения не принципиально.

Образующиеся таким образом надструктуры формируются фактически из бозе-конденсата узлов и в силу этого между собой должны быть весьма идентичны. Энергетический обмен в материале образца происходит уже на другом системном уровне, когда в возбужденные состояния переходят не отдельные узлы решетки, а их коллективные надсистемы.

Требование 3: энергетические состояния надструктур должны иметь по крайней мере две полосы состояний, укладывающиеся в ширину энергетического диапазона основной запрещенной зоны.

Вообще-то это требование является в чистым пижонством, поскольку надструктуры являются заведомо более крупномасштабными и в силу этого более «длинноволновыми», соответственно с заведомо меньшим «шагом» между разрешенными состояниями. Но упомянуть в любом случае необходимо.

Собственно, вся философия.

Итак, есть основания утверждать, что при фазовом переходе сверхпроводимости исследуемый материал находится в ином структурном состоянии с иными энергетическими уровнями. Упоминать о том, что внешнее упорядоченное воздействие должно быть неразрушающим сверхпроводящие надструктуры как-то уже и не удобно.

При стоячей волне наибольшая вероятность регистрации электрона по основному состоянию приходится на средину межузлия. Это – важно. То, что узлы находятся в одинаковом энергетическом состоянии и объединены электромагнитной связью – это тоже важно. Тогда сверхпроводящую часть исследуемого образца можно представить в образе тумана бозе-конденсата, в котором две «капли» этого "конденсата" разделены промежутком, в котором с высокой долей вероятности может находиться вмороженный туда электрон связи. Поскольку каждая «капля» состоит, судя по известным эффективным масштабам, из большого числа атомов/молекул в тождественно неразличимом энергетическом состоянии, то совершенно не видно причин, почему эту «каплю» в сочетании с нейтрализующим электроном связи не представить в виде единого «иона» с электроном. В конечном счете и традиционное представление об ионе в известной мере аналогичное, атом – тоже система, только до определенного уровня воздействия проявляющая свое единство и ядро у атома – тоже система, и даже протоны/нейтроны ядра – тоже системы. «Каплю» не меньше оснований рассматривать единой системой - ионом, чем отдельный атом, лишенный/приобретший электрон, поскольку внутренняя начинка «капли» в куда большей мере энергетически неразличима. Поскольку каждая «капля» связана не с одной соседней «каплей», соответственно, промежутков больше, чем один, то волна вероятности электрона связи не сосредоточена именно на межкаплевом промежутке, перекрывает межкаплеплевое пространство каждой капли, то есть, одного порядка размерности с самой «каплей». С технической точки зрения здесь важны только эффективный размер «капли» и тот факт, что «капля» с электроном связи составляет хорошо знакомый «парный дуэт» электрон-дырка, из чего и следует "классическая" трактовка "электронных пар". То есть, технически данная трактовка не слишком различается с классикой, но есть и регистрируемая разница. Пространственная структуризация на капли-ионы здесь неизбежна и естественна, а для БКШ теории взаимное не перекрытие пар - факт известный, но совершенно не объяснимый.

Таким образом, сверхпроводящую фазу образца, тот самый бозе-туман можно представить множеством ионов-капель, связанных зарядово нейтрализующим множеством электронов. Сверхпроводящая фаза будет характеризоваться совершенно иным параметром «постоянной решетки», поскольку структурно сверхпроводящий «узел» будет ассоциироваться с «бозе-каплей», размер которых предопределен величиной неразрушающий действий, то есть, шириной запрещенной зоны. Не нарушая внутренней целостности капли «законы физики» не препятствуют рассматривать «бозе-каплю» как систему, имеющую множество разрешенных состояний, систему, переходящую под внешним воздействием в одно из возбужденных состояний и спонтанно возвращающейся в основное состояние и нет никаких «закономерных» запретов, чтобы неразрушающее упорядоченное внешнее воздействие не приводило к регистрируемой макроупорядоченности спонтанных переходов, известных под названием «ток сверхпроводимости».

 

 

Станислав Кравченко

Hosted by uCoz