Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. а) Фрагмент пространственной структуры L – цепочек атомов.
Рис. 1. б) Схема движения электронов в плоскости дола.

Вторичная структура кристаллов: средняя длина свободного пробега электронов в металле при Т < 300К. Сверхпроводимость

Ключевые слова:  Мнение, периодика, Сверхпроводимость

Автор(ы): Веснин Ю.И.

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

10 декабря 2010

Публикуется по просьбе автора для обсуждения.

Классическая электронная теория [1] не могла объяснить значительное увеличение средней длины свободного пробега электронов в металлах при низких температурах. Такое объяснение стало возможным при учете вторичной структуры кристаллов (ВСК).

Согласно теории ВСК, кристалл состоит из элементарных единиц-миков (мик – минимальный кристалл, размер около 30 нм [2,3]). Электроны движутся в кристалле в промежутках между миками (Т – пространство кристалла, один атомный слой). Для кубических металлических кристаллов (форма мика - куб) такое движение возможно по двум путям:

  • а) плоскость между гранями миков (дол);
  • б) линейное пространство на стыке четырех миков (лан).

В Т – пространстве постоянно находятся собственные атомы кристалла и атомы примесей с максимальной концентрацией 10^23 атом/см³ (дол) или 10^19 атом/см³ (лан) [2]. Межатомные расстояния здесь увеличены, поэтому можно принять, что электроны практически не взаимодействуют с атомами Т – пространства на длине мика (~ 30 нм). Далее на пути электронов находится линейная цепочка атомов (лан). При столкновении с этими атомами дрейфовая скорость электронов Vd→ 0. В постоянном поле процесс вновь повторяется и новое ускорение электронов происходит на расстоянии ~30 нм (рис. 1).

Таким образом, согласно теории ВСК, средняя длина свободного пробега электронов в металле при Т ≈ 300 К равна ~ 30 нм. Это согласуется с данными эксперимента. Для одновалентных металлов при 0°С средняя длина пробега l = 10÷50 нм [1]. При 0°С взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями атомов решетки минимально и основное значение для сопротивления металла имеет вышеупомянутый механизм.

Дальнейшее охлаждение изменяет положение атомов в Т – пространстве. Согласно теории ВСК, атом в лане (L - позиция) находится на более высоком энергетическом уровне, чем в доле (Д - позиция) [2]. При понижении температуры для атома энергетически выгодно перейти из лана в дол, пройдя небольшое расстояние (лан соприкасается с долом). При этом уменьшается плотность атомов в лане (L - цепочки, см. рис.1), между ними образуются промежутки. Некоторые электроны проходят L – цепочку без столкновения с атомами, т.е. увеличивается средняя длина свободного пробега. Чем ниже температура, тем менее плотной становится L – цепочка, тем выше средняя длина пробега электрона.

Для примесных атомов, находящихся в Т – пространстве, переход из лана в дол может быть затруднен. Поэтому средняя длина свободного пробега электронов для кристаллов с примесями при низких температурах уменьшается медленнее (отношение сопротивлений R300k/R10k меньше для кристаллов с примесями). Описанный механизм качественно объясняет увеличение длины свободного пробега электронов в нормальном металле на основе классической электронной теории с учетом вторичной структуры кристалла.

Сверхпроводящие металлы имеют особенности, отличающие их от нормальных.

  1. Сверхпроводящие металлы при комнатной температуре имеют более высокое сопротивление [1]. При понижении температуры их сопротивление уменьшается медленнее, чем у нормальных металлов.
  2. В точке сверхпроводящего перехода сопротивление металла скачком уменьшается до 0.
  3. Переход в сверхпроводящее состояние сопровождается небольшим увеличением объема кристалла [4,с.133].

Согласно теории ВСК, при сверхпроводящем переходе все атомы, находящиеся в ланах (L - цепочки), скачком переходят в долы. Такой скачкообразный переход приводит к увеличению расстояния между миками и небольшому увеличению объема кристалла. Это подтверждается в эксперименте [4]. Теперь L – цепочки отсутствуют и электроны движутся по долам без взаимодействия с атомами. При этом длина свободного пробега l→∞, сопротивление p→0 (сверхпроводимость), а движение электронов происходит в соответствии с классической электронной теорией. Таким образом, на основе классической электронной теории с учетом вторичной структуры кристаллов возможно качественное объяснение увеличения длины свободного пробега электронов при низких температурах и скачкообразное увеличение свободного пробега при сверхпроводящем переходе. Количественные оценки будут возможны при получении данных об энергии взаимодействия атомов в Т – пространстве кристалла.

Литература

  1. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. 1963, Физматлит; М.
  2. Ю.И. Веснин. Вторичная структура и свойства кристаллов. 1997, Изд. СО РАН, Новосибирск.
  3. Ю.И. Веснин. Химия в интересах устойчивого развития. 2000, т. 8, N1-2, 61.
  4. В. Буккель. Сверхпроводимость. 1975, Мир; М.



Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Уважаемые коллеги! Материал выглядит "очень странно" и не согласуется с современными представлениями об атомном строении кристаллов.
Андрей, 15 декабря 2010 12:15 
Автор видимо так и не дочитал первую
ссылку...

Любая теория должна быть (1) физически
реальна,(2) подтверждена экспериментом, (3)
по возможности подтверждена расчетом (т.е. на
примере определенного материала в данном
случае).

Не заводя спор о (1), надо бы хотя б
выполнить (2) и, если повезет с "теорией",
(3). Сегодня существует океан статей по
сверхпроводимости, однако ни одна из них не
процитирована и результаты конкретных
экспериментов не сопоставлены с выводами
теории.

Также стоит наверное напомнить, что
существующие теории (как минимум БКШ) СП-ти
уже были давно экпериментально подтверждены.
Радикально альтернативная теория должна в
таком случае либо 1) рассматривать совсем
другие процессы, 2) содержать
экспериментально доказанную часть основной
теории.
Попробуйте ответить на вопрос: где Вы взяли число 30 нм., это число должно появиться из комбинации других чисел связанных с материалом. Я к тому что 30 нм. не может быть универсальным для всех кристаллов. Еще одно замечание: длина свободного пробега электрона в чистом кристалле может быть любой (даже 1см.).
Юный максималист, 16 декабря 2010 00:10 
число 30 нм является новой мировой константой
Андрей, 16 декабря 2010 01:07 
Да ладно новой.. О ней еще в 1997 году писали.
Владимир Владимирович, 17 декабря 2010 03:44 
Теория создана в ~1969 году, то есть константа уже устоявшаяся и авторитетная.
Автор, к слову, выпусник химфака 1958 года, и возможно, стоит отнестись к его трудам с пиететом, как к академикам.
Палии Наталия Алексеевна, 17 декабря 2010 12:02 
К сожалению, автор не ссылается на новые работы в области сверхпроводимости. Но, его теория с/п для металлов (долы, ланы), на мой взгляд, перекликается с положениями разрабатываемой теорией для высокотемпературных сверхпроводников, см. например, High-temperature superconductivity: How the cuprates hid their stripes
Владимир Владимирович, 17 декабря 2010 18:16 
Так и отрезюмируем: теория тверда, сильна и обща - эталон когнитивного созидания - автор предвосхитил ход научной мысли в теории сверхпроводников, и сколь еще открытий, свершений и перспектив стало непреложно возможным.
Харин Евгений Васильевич, 19 декабря 2010 19:02 
Можно ли соотнести ВСК с УНТ и объяснить большую длину свободного пробега в УНТ при 0С?
Палии Наталия Алексеевна, 08 января 2011 17:48 
Так и отрезюмируем: .... - а не рановато ли,
а полезно было бы подумать на досуге, например, о куперовских электронных парах и о том, "что о на одном из детекторов БАК – а именно, не детекторе CMS – был зарегистрирован странный эффект - при некоторых столкновениях протонов образующиеся частицы разлетались от места рождения не абсолютно независимо друг от друга (такое поведение частиц называют скоррелированным)."( см. Lenta.ru: Большое будущее) - почему в разных условиях разные частицы обнаруживают сходное поведение ??? - тут уж без когнитивного созидания ...не обойтись
Владимир Владимирович, 08 января 2011 20:23 
Можно и без когнитивного созидания, мудростью народной - о шуршащих камешках да в стеклянных домиках - полезно было бы подумать озадачиться...
Палии Наталия Алексеевна, 10 января 2011 19:01 
о шуршащих камешках да в стеклянных домиках- о снежинках и сосульках - это сейчас более актуально
Режабек Борис Георгиевич, 25 февраля 2011 23:40 
О, сколько нам открытий чудных
Готовит графоманства дух…
Объяснить свеорхпроводимость без квантовой механики – это круто! Это по-нашему!

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Поверхность "Черного кремния"
Поверхность "Черного кремния"

Светодиодные технологии и оптоэлектроника: магистратура на стыке образования и индустрии
Открыт набор на первую в России индустриальную программу «Светодиодные технологии и оптоэлектроника» Университета ИТМО

Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего»
Фонд Росконгресс, Госкорпорация «Росатом», Российский квантовый центр и научно-популярное издание N+1 завершают серию международных онлайн-дискуссий «Квант будущего», где лидеры индустрии и ведущие мировые ученые обсуждают, как квантовые технологии уже изменили наш мир, и с какими вызовами помогут справиться в будущем.
Заключительная дискуссия «Квантовая революция: профессии будущего и трансформация образования» состоится 8 июля в 17:00 по московскому времени.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Супергибридный материал для хранения водорода. Двумерная соль. Существование виртуальных мультиферроиков подтверждено. Чёрные бабочки. Служение науке и немного поэзии.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.