Природа сверхпроводимости

При некоторой, достаточно низкой температуре, но которая еще выше критической, в некоторых веществах может возникнуть ситуация, при которой все взаимодействия могут стать только пролетными. При этом скорость роста проводимости при понижении температуры должна замедлится (перегиб в характеристике), т.к. исчезнет приращение, связанное с уменьшением захватов.

Обратимся еще раз к взаимодействию электронов проводимости с ионами решетки. При свом движении вдоль проводника электрон не может миновать хоть один атом на своем пути, не испытав на нем пролетного рассеивания (захватов уже нет). Здесь мы пренебрегаем редчайшими случаями, когда электрон пролетает точно между неподвижными ионами.

Каждый ион находится в тепловом движении, вследствие чего, электрон каждый раз испытывает различное непредсказуемое воздействие. Пролетая мимо иона, электрон ведет себя аналогично космическому аппарату, пролетающему мимо планеты. Если ион неподвижен, то скорости подлета и удаления равны, меняется только направление. Если же ион находится в движении (интересующий нас случай), то электрон приобретает еще и приращение скорости, положительное или отрицательное, в зависимости от соотношения скоростей иона и электрона во времени и в пространстве. (Прием используют для разгона космических аппаратов, производимого только за счет маневра).

Выявленный эффект (возможность  маневрирования ускорением и замедлением при взаимодействии электрона с ионом) свидетельствует, что механизм для реализации требуемого резонансного взаимодействия найден.

Теперь необходимо определить, использует ли природа именно этот механизм, т.е. является ли выявленный эффект достаточным, и не следует ли искать что-то другое.  Для этого придется  провести анализ возможностей выявленного эффекта. И уже по результатам анализа сделать окончательный вывод.

В случае возникновения, распределенного  по замкнутой кривой резонанса, движение электронов по резонансному треку уже  нельзя считать инерционным, – и  это устраняет мистический характер явления. Электроны проводимости в  этом случае движутся с постоянной средней скоростью, поддерживаемой за счет энергии самосогласующейся проводящей среды.

Исходя из убежденности, что резонансы  тока сверхпроводимости существуют, проведем анализ гипотетических свойств  этих резонансов.

Маловероятно, что абсолютно все ионы находятся в условиях резонанса. Но даже если это так, то нам все равно необходимо рассмотреть менее благоприятный вариант, при котором по траектории трека периодически размещены ионы, находящиеся в резонансе и осуществляющие необходимую и достаточную стабилизацию электронов проводимости. Для этого необходимо, чтобы пространственная конфигурация каждого трека тоже была периодической, и определяла бы положение резонирующих ионов. А это зависит от типа неоднородностей и их распределения в структуре вещества. Назовем резонирующие ионы узлами стабилизации.

При исследовании свойств сложных функций эффективен метод предельных граничных значений. Предположим, что ток сверхпроводимости находится в состоянии идеального резонанса. Это значит, что каждый электрон, пролетевший контрольный узел стабилизации, периодически возвращается в эту точку с той же величиной своего импульса. Это в свою очередь означает, что это же происходит во всех узлах стабилизации. Как раньше выяснили, такая ситуация возможна лишь при неподвижных ионах, а т.к. ионы, по условию задачи, колеблются, то это может значить лишь, что все резонансные ионы в момент пролета электронов находятся в вершинах синусоид, т.е. с максимальным или минимальным смещением. Таким образом, прояснилась общая картина резонанса. Все ионы узлов стабилизации трека колеблются с одинаковой частотой, кратной частоте пролета электронов проводимости, и частота каждого следующего узла сдвинута на определенную фазу по отношению к частоте предыдущего узла и, кроме того, согласована по фазе с электронами проводимости.

В случае идеального резонанса затрат на поддержание тока сверхпроводимости  не требуется. Но идеальных резонансов не существует.

Рассмотрим реальную ситуацию в максимально доступной сложности. На этот раз используем другое крайнее значение. Предположим, что петля тока короткая, и на ней только один узел стабилизации, который является достаточным для поддержания резонанса. В этом случае, электрон возвращается в контрольную точку всякий раз с разным значением импульса, незначительно отличающимся от стартового. После взаимодействия с ионом электрон восстанавливает свое первоначальное значение (стартовый импульс). Мы рассматриваем реальную ситуацию, значит, восстановление будет не идеальным в каждом конкретном случае, но достаточно идеальным, если его рассматривать в среднем. Для нашего анализа допустимо считать восстановление идеальным после каждого взаимодействия.

На протяжении трека электрон приобретает  возмущение тепловой природы, т.е. хаотическое. Импульс возмущенного электрона можно представить графически, как два вектора: постоянного стартового импульса и импульса приращения на вершине первого. Если совместить множество реализаций на одном графике, то получим изображение, очень похожее на одуванчик. Средний импульс цветка одуванчика, т.е. статистическая сумма приращений, равен нулю, т.к. ток не изменяется. Однако, хорошо известно, что в этом случае усредненная полная энергия возмущенного электрона (одуванчика) будет всегда больше энергии стабилизированного электрона (одуванчика без цветка). Нам удалось выяснить, не вникая во множественные подробности теплового взаимодействия, конечный результат резонансного цикла. Он состоит в следующем. Стабилизированный электрон, пролетая свою замкнутую траекторию, приобретает энергетическое приращение произвольного знака. Но усредненное во времени приращение всегда больше нуля. Пролетая узел синхронизации, электрон отдает этот статистический избыток в накопитель узла, т.е. резонансным колебаниям ионов решетки. Эта энергия затем используется для стабилизации электрона проводимости, когда приращению энергии электрона случится быть отрицательным.

Электрон отдает свою энергию иону в формате хаотичного импульса приращения, а ион принимает эти импульсы преобразованными, уже как приращение с постоянным направлением.

Синхронизированные и одновременно синхронизующие колебания ионов  решетки можно условно отнести к тепловому движению. Для этого их надо рассматривать как неравновесную составляющую тепловой энергии одной из степеней свободы. В этом есть определенный смысл, т.к. именно на эти колебания уходит тепловая энергия, которую при измерениях теплоемкости идентифицируют как скачок в критической точке.

Рассмотрим этот процесс более  подробно. Пролетая мимо иона, как уже  выяснили, электрон или ускоряется, или тормозится. Ион же, независимо от реакции электрона, в любом варианте испытывает воздействие импульса всегда направленного в сторону электрона. Это воздействие вызывает ничтожное, но периодически повторяющееся,  смещение иона от состояния равновесия в ионной решетке, что приводит к вынужденным колебаниям иона.

Если собственная частота иона в кристаллической решетке будет кратна средней частоте пролета электронов, то возникнет резонанс – и амплитуда колебаний иона начнет резко возрастать. Этот эффект вызовет более энергичное согласующее воздействие иона на пролетающие электроны, т.к. амплитуда согласующих приращений скорости для электронов увеличится. В результате скорость электронов и дистанция между ними будут стабилизироваться эффективнее, что усилит резонансное раскачивание иона. Возникнет лавинообразный процесс резонансной само стабилизации потока электронов и колебаний ионов, который быстро достигнет своего насыщения в форме установившегося тока сверхпроводимости. (Насыщение вызывается достижением нелинейной области).

Резонансная, поперечная раскачка ионов  и есть тот лавинообразный процесс, который поглощает тепловую энергию, создавая скачкообразное увеличение теплоемкости проводника.

Если установившийся ток сверхпроводимости  вызывает раскачку ионов точно с частотой кратной собственной частоте иона, то попытка чуть-чуть уменьшить плотность тока сверхпроводимости вызовет уменьшение частоты пролета электронов, которая сразу начнет компенсироваться резонансным воздействием поперечного колебания ионов – и величина тока восстановится за счет уменьшения энергии колебаний решетки. Этот эффект действует в очень узком диапазоне интенсивности тока сверхпроводимости, определяемого шириной конкретной резонансной моды.

Поперечные синхронные колебания ионов не вызывают электромагнитного излучения, т.к. противофазно сбалансированы.

Таким образом, затухание тока в контуре действительно абсолютно отсутствует, более того, ток может произвести некоторую работу, не испытывая затухания. Однако, ток в контуре не является исключительно током сверхпроводимости, в нем присутствует ток подпитки.

Для доказательства того, что сверхпроводимость  реализуется именно по такому алгоритму, можно провести простой эксперимент.

Если замкнутый проводник с известными свойствами сверхпроводимости охладить до температуры соответствующей оптимальному резонансу, т.е. ниже критической точки, и только потом возбудить в нем ток, то температура проводника самопроизвольно уменьшится на величину, которую рассчитать совершенно нетрудно, зная характеристику теплоемкости и другие параметры проводника.

Продолжим наш анализ. Очевидно, что плотность электронов проводимости остается в образце неизменной. Увеличение тока обеспечивается только за счет увеличения скорости электронов. От величины скорости электронов зависят почти все само согласующиеся параметры: частота пролетов электронов, продолжительность и фаза взаимодействия, и все прочие. Совершенно естественно, что условия само согласования должны иметь некоторый диапазон, определяемый условиями резонанса. Ограничение плотности тока сверху – факт известный. Однако, вполне возможно, что ток ограничен не только сверху, но и снизу. Это должно выражаться в невозможности возбуждения очень малого тока, при наличии условий, достаточных для возбуждения обычных токов сверхпроводимости.

Эксперимент по проверке этого предположения, по идее, очень прост. Необходимо раскрутить опытный образец до некоторой скорости и, поддерживая скорость, охладить образец ниже критической точки. Затем резко остановить вращение образца.

Контролирующий прибор зарегистрирует скачок магнитного потока, т.к. решетка из ионов остановится, а электроны продолжат движение по инерции. По изменению магнитного потока во времени производятся соответствующие выводы. В случае невыполнения условий резонанса, а они обязательно должны нарушиться при достаточно малой групповой скорости электронного облака, т.е. малой скорости раскрутки, импульс магнитного потока должен быть затухающим.

Если принять во внимание, что период структуры узлов  стабилизации  очень маленький, то кратных частот пролета электронов наберется достаточно много, что приведет к появлению амплитудной нарезки тока, зависящей от его величины, а точнее от частоты пролетов. Максимумы этой нарезки будут соответствовать точному совпадению частоты пролетов электронов кратным частотам ионной решетки. Эффект уже зарегистрирован, и трактуется как квантование магнитного потока [1, 6].

Экспериментально установлено, что при наличии тонких перегородок  изготовленных из не сверхпроводящего вещества (обычно это диэлектрик), а также при наличии коротких сужений, в зоне неоднородности возникает электромагнитное излучение. Это происходит потому, что поперечные колебания решетки в зоне неоднородности перестают удовлетворять условиям резонанса т.е. перестают быть противофазно сбалансированными. При малой интенсивности излучения диссипативный процесс может быть скомпенсирован, и в этом случае затухание тока не произойдет. С точки зрения квантовой модели конденсата Эйнштейна-Бозе этот эффект принципиально нельзя объяснить без привлечения подкачки из эфирного энергетического изобилия. Вот и получается, что ошибочно выбранная модель приводит в тупик, выход из которого без мистики невозможен.

Если исследовать зависимость  параметров сверхпроводимости от концентрации примеси в веществе проводника, то эта зависимость должна иметь форму колокола, т.к. от плотности элементов, вносящих неоднородность в структуру сплава, зависит длина характерного периода треков, а резонанс наступает только при определенном периоде. То же самое можно сказать о влиянии геометрических форм. Например, при исследовании зависимости критической температуры от толщины фольги при воздействии продольного магнитного поля, обнаружился явный максимум, т.е. критическая температура имеет максимум не в самой тонкой и не в самой толстой фольге.

При воздействии на ток сверх  проводимости продольным постоянным магнитным  полем, электроны начнут перемещаться по очень пологим спиральным траекториям, что вызовет частичное смещение тока к поверхности проводника. Магнитное поле внутри проводника компенсируется, а плотность тока по сечению проводника станет неравномерной. Возникнет скачок поверхностного тока. Когда при увеличении магнитного поля весь ток станет поверхностным, дальнейшее увеличение поля будет вызывать уменьшение периода спирали поверхностного тока, что повлечет увеличение кривизны треков. Это, при некотором значении кривизны, может привести к нарушению условий резонанса. Ток сверхпроводимости может сорваться и просто по причине чрезмерной плотности поверхностного тока для данного типа вещества. Возможностей для  нарушения сверхпроводимости множество, но они поддаются осмыслению и анализу.

Так как характеристики треков не могут быть абсолютно одинаковыми, то при температуре, близкой к критической, должна возникать пятнистая в поперечном сечении (нитевидная) структура проводимости. В связи с тем, что процесс самосогласования носит лавинно образный характер, то наблюдать нитевидную структуру сверхпроводимости достаточно сложно. Однако, лавинообразный процесс не мешает наблюдать ту же нитевидную структуру для остаточной, обычной проводимости, которая сохраняется в самых неблагоприятных треках, и наблюдается в экспериментах.

Первый тип сверхпроводимости  определяется наличием в веществе треков только с очень близкими параметрами. Второй тип предполагает множество разных треков с плавным разбросом параметров.

Для сверхпроводящих материалов, изготовленных  методом порошковой технологии, все  параметры сверхпроводимости (если она будет) будут, как правило, хуже по сравнению с проводами, изготовленными методом технологии плавления.

Но это только, как правило, т.к. с другой стороны, вещества не склонные к сверхпроводимости в обычном состоянии, например, золото, могут приобрести сверхпроводимость, если изготовить их из порошка.