АСҚЫНӨТКІЗГІШТІК – көптеген өткіз-
гіштердің берілген материалға тән кризистік температурасынан (шұғыл өзгерістік) (Тк) – төменгі белгілі бір температураға дейін суытылғанда электрлік кедергісінің секірмелі түрде нөлге дейін кему қасиеті. Бұл құбылыс 25-тен астам металл элементтерден, көптеген қорытпалар мен интерметалдық қосылыстардан, сондай-ақ бірқатар жартылайөткізгіштер мен полимерлерден 1-сызба. Сынап (Hg) пен плати- байқалған. Nb3Ge қосылысында Тк – кризистік на (Pt) кедергісінің (R) темпера-
тураға (Т) тәуелділігі. Сынап температурасының мәні ең үлкен (жуық шамамен
Т=4,15 К температурада асқын-
23 К). өткізгіштік күйге ауысады
Температура төмендеген кезде сынап кедергісінің секірісті түрде жоюылуын ең алғаш рет 1911 ж. голланд физигі Хейке (Гейке) Камерлинг-Оннес (1853 – 1926) байқаған (1-сызба). Ол сынаптың Т = 4,15 К температурада жаңа күйге ауысатыны туралы қорытындыға келіп, бұл құбылысты «асқынөткізгіштік» деп атаған. Кейіннен Камерлинг-Оннес сынаптың электрлік кедергісінің жеткілікті күшті магнит өрісінде Т < Тк қайтадан қалпына келетінін байқаған. Кедергінің нөлге дейін кемуі температуралық тар алқапта жүзеге асатынын, бұл температура таза үлгілер үшін 10–3–10–4 К аралығында болады да қоспалар қосылған жағдайда және басқа кемтіктік (дефект) құрылымы болса артатын болады.
Асқынөткізгіштік күйдегі сақинада іс жүзінде өшпейтін ток қоздырылады. Бұл тәжірибеде асқынөткізгіштік металдан екі сақина (біреуі үлкен екіншісі одан кіші) жасалып, оның үлкені қозғалмастай болып бекітілген, ал осы сақинаның ортасына екіншісі серпімді жіпке байланып ілінген. Жіп ширатылмай тұрған кезде әлгі екі сақинаның жазықтығы бірімен-бірі белгілі бір бұрыш жасап орналасқан. Сақиналар магнит өрісінде кризистік температурадан төменгі температураға дейін суытылған соң магнит өрісі ажыратылғанда сақиналарда ток қоздырылады да, олар бір-бірімен өзараәсерлесіп, сақиналар орналасқан жазықтықтардың арасындағы бастапқы бұрышты кемітуге әрекеттенеді. Жіп иіріледі, ал иірілу бұрышының тұрақты болуы, әлгі сақиналардағы токтардың өшпейтіндігінің айғағы болады. Тәжірибелер асқынөткізгіштік күйдегі металл кедергісінің
–29 Ом·см-ден аз болатынын айғақтаған. 2-кедергісі жойылатын шардың маңайын- сызба. Асқынөткізгіш шардың және
10
Таза Сu немесе Ag үлгілерінің сұйық гелий да магнит өрісінің үлестірулері: а – температурасындағы кедергілері 10–9 Ом·см. Т>Т0; в – к болғанда; б – Т<Тк болғанда, НТ<Тснк = 0. болғанда, Нсн ≠
Бірақ та асқынөткізгіш идеал өткізгіш
бола алмайды. 1933 ж. неміс физигі Вольтер Мейеснер (1882 – 1974) және Р.Оксенфельд әлсіз магнит өрісінің металл асқынөткізгіш күйге ауысқанға дейінгі кезде де немесе одан кейін де іске қосылғанына қарамастан асқын өткізгіштің бойына терең сіңе (ене) алмайтынын анықтаған. Идеал өткізгіш (аз кедергісі жойылатын) өзінен өтетін магниттік ағынды қармап қалуы қажет (2-сызба, а, б, в).
Сыртқы магнит өрісінің қатысуы кезінде асқынөткізгіштік үлгіден магниттік өрісті сыртқа қарай ығыстыру осы үлгінің идеал диамагнетик ретінде болатынын аңғартады.
Асқынөткізгіштік жеткілікті күшті магнит өрісіндегі өзінің тәртібі бойынша екі үлкен топқа: 1-текті және 2-текті асқынөткізгіштік топтарына ажыратылады.
Тұрақты электр тогы үшін асқынөткізгіштік кедергісі толық жойылған идеал өткізгішке айналады. (Таза металдың асқынөткізгіштікке ауысу үрдісі 1-сызбада кескінделген). Асқынөткізгіш металдан жасалған сақинада индукцияланған ток ұзақ уақыт сақталады. Таза металдардың ішіндегі кризистік температурасы ең жоғарғысы ниобий (Тк = 9,22 К), ал ең төменгісі иридий (Тк = 0,140 К). Асқынөткізгіштерде байқалған ең жоғарғы кризистік температура 20 К (Nb3Al– Nb3Ge қорытпасы). Әдетте жақсы өткізгіш болып табылатын алтын, күміс, мыс тәрізді металдар асқынөткізгіш күйге ауыспайды.
Асқынөткізгіштердің физикалық табиғаты электр кедергісінің жойылуынан басқа да қасиеттердің өзгеруімен сипатталады. Олардың магниттік, жылулық, т.б. да қасиеттері күрт өзгеретіндіктен, асқынөткізгіштік төмен температурадағы заттың ерекше күйі ретінде қарастырылады. Қалыпты жағдайда өткізгіштерді сыртқы магнит өрісіне орналастырғанда, магнит индукциясы парамагниттердің ішінде артады, ал диамагниттердің ішінде кемиді. Асқынөткізгіш күйге ауысқанда, зат магнит индукциясының күш сызықтарын өзінен тысқары ығыстырып шығарады (2-сызба). Сондықтан асқын өткізгіштердің ішінде магниттік индукция нөлге теңеледі. Мейснер эффектісі деп аталатын бұл құбылыс металдың сыртқы бетіндегі асқынөткізгіш токтың магнит өрісі мен сыртқы магнит өрісінің теңгерілуі нәтижесінде пайда болады. Сыртқы өріс кернеулігі белгілі бір шамадан артқанда асқынөткізгіштік тегіне және оның температурасына байланысты өзгереді. Кез келген ток магнит өрісін туғызатындықтан, асқынөткізгіш ішіндегі тоқтың да асқынөткізгіштігін бұзатын кризистік шама болады. Асқынөткізгіштердің жылу сыйымдылығы сол температурадағы қалыпты өткізгіштің жылу сыйымдылығынан кем болады. Асқынөткізгіштік күйдегі заттар жылу алмасу үрдістеріне сезімтал келеді. Мысалы, аз жылу жоғалту нәтижесінде өте тез суынады. Асқынөткізгіштер- дің жеңіл изотоптары ауырларымен салыстырғанда асқынөткізгіштік күйге жоғарырақ температурада ауысады.
1967 ж. – американ физиктері Джон Бардин (1908 – 1991), Леон Купер (1930 – ?) және Джон Шриффер (1931–?) жүргізген жан-жақты зерттеулер асқынөткізгіштіктің теориясын тұжырымдауға мүмкіндік берді. Электрон электрлік күштер арқылы кристалдық торды полярландырады. Полярландыру кезінде өзінің периодтық құрылымын өзгерткен тор басқа бір электронмен әсерлесу нәтижесінде бастапқы және соңғы электрондар арасында өзара тартылыс күші туады, асқынөткізгіштік байқалатындай төменгі температурада осы тартылыс күшінің мөлшері электрондар арасындағы кулондық өзаратебіліс күшінен артық болады. Тебіліс күшінің әсерін жеңген электрондар бір-бірімен қосақталған электрондар жұбын құрады. Жұптасқан электрондар жүйесінің энергиясы тек қана дискретті мәндерге ие бола алады. Осы дискреттіліктің нәтижесінде жүйенің негізгі және қ о з ғ а н к ү й л е р і арасында энергетикалық саңылау пайда болады. Электрон- дық жүйе мен кристалдық тордың жылулық тербелістері арасындағы әсерлесу электр кедергісін туғызады. Бірақ энергетикалық саңылаудың болуы мұндай ауысуларға әрқашан жол бермейді. Баяу қозғалатын электрондық жүйе қозған жағдайға ауыса алмайды. Бұл жағдай өткізгіш кедергісінің жойылуына әкеліп соғады. Соңғы кезде асқынөткізгіштік кейбір аса үлкен дәлдікті қажет ететін физикалық аспаптарда, физика мен техниканың басқа да салаларында кеңінен қолданылады. Осы құбылыс негізінде аса сезгіш гальваниметр, балометр, модулятор, түзеткіштер, т.б. аспаптар жасалған. Қазіргі кезде азоттық температурада асқынөткізгіштікке ауысатын қоспа заттар да жасалған.
Қарапайым бөлшектердің үдеткіштерінде пайдаланылатын асқынөткізгіш магниті (А) заттардың төменгі температуралы күйлерінде жасалған. Әдетте күшті магнит өрісінде асқынөткізгіштік жойылады, бірақ цирконилі ниобий қорытпа- сына ұқсас кристалдық торлары бұрмаланған құрылымы болатын материалдар магнит өрістерінде 100 мың гауссқа дейінгі магнит өрісінде асқынөткізгіш болып қала береді.
Сұйық гелийді өте төменгі температураға дейін салқындату қиын болуымен қатар осы температурада өзін әдеттегіден тым өзгеше қасиетте көрсетеді. Будың қысымы төмендегенде, сұйық гелий тез қайнап кетеді, бірақ 2,18 К температура кезінде гелийдің ішінде қайнау тоқталмаса да көпіршіктердің пайда болуы кенеттен тоқталады. Лямда-нүкте деп аталатын нүктеден төменгі сұйық гелийден «асқынаққыштық» қасиет байқалады.
Өзге заттар да абсолюттік нөл температура маңайында әдеттегідей емес қасиетке ие болады. Мысалы, электр тогын тудырушы зарядтардың қозғалысы «мәңгі қозғалыс» секілді сипатқа ие болады. Металдарда байқалатын осы құбылыс а с қ ы н ө т к і з г і ш т і к деп аталған. Температура төмендеген кезде (қорғасынның температурасы 7,2 К-ге дейін) металдың электрлік кедергісі толықтай жойылады. Егер осындай металдан жасалған сақинада электр тогы тудырылатын болса, ол ток әлсіремей ағатын болады. Осындай әлсіремейтін ток бірнеше жыл бойы сақталған!
Теория жүзінде осындай әлсіремейтін токты электрондық есептеуіш машиналардың жадқа ұстағыш құрылғыларында пайдалану мүмкін болар еді; асқынөткізгішке бір рет салынған ақпарат өзгермей ұзақ уақыт сақталар еді. Жеткілікті күшті магнит өрісі асқынөткізгіштік күйді бүлдіре (қирата) алады, осы эффект токты өте шапшаң ажыратуға қолдануға болады. Асқынөткізгіш материалдың нөлдік электр кедергісі болуы себепті, ол өткізгіш арқылы өте күшті токты өткізуге жарамақ. Сондықтан да электрмагниттердің асқынөткізгіш орамдары шекті күшті магнит өрістерін шығару үшін пайдаланылады.