Енергетична щілина і безщільна надпровідність
Кожен електрон несе з собою певну кількість енергії, яка вимірюється в електрон-вольтах (Ев), це позасистемна одиниця виміру, але використовується в атомній і ядерній фізиці, у фізиці елементарних частинок і в інших близьких областях науки.
Заборонена зона - область значень енергії, якими не може володіти електрон в ідеальному (бездефектної) кристалі. Тобто, це така зона, через яку не може проходити електрон, інакше йому доведеться перебувати між валентною зоною і зоною провідності.
Ширина забороненої зони - це ширина енергетичного зазору між дном зони провідності і стелею валентної зони, в якому відсутні дозволені стану для електрона.
Перехід речовини в надпровідний стан супроводжується зміною його теплових властивостей. Однак, це зміна залежить від роду розглянутих надпровідників. Так, для надпровідників Й роду за відсутності магнітного поля при температурі переходу Тc теплота переходу (поглинання або виділення) звертається в нуль, а отже зазнає стрибок теплоємність, що характерно для фазового переходу Йй роду. Така температурна залежність теплоємності електронної підсистеми надпровідника свідчить про наявність енергетичної щілини в розподілі електронів між основним станом надпровідника і рівнем елементарних збуджень. Коли ж перехід з надпровідного стану в нормальний здійснюється зміною прикладеного магнітного поля, то тепло повинно поглинатися (наприклад, якщо зразок теплоізольований, то його температура знижується). А це відповідає фазового переходу Й роду. Для надпровідників Йй роду перехід з надпровідного в нормальний стан при будь-яких умовах буде фазовим переходом Йй роду.
Зв'язуючись, пара електронів як би потрапляє в енергетичну яму. Для цього їй треба віддати деяку енергію кристалічної решітки. Віддана енергія називається енергією зв'язку пари Ес. Отже, для перекладу електронів з надпровідного стану в нормальний необхідно затратити енергію на розрив пари не менше енергії зв'язку, тобто енергію D = Ес / 2 на кожен електрон. Енергетичний спектр електронів в надпровідники можна представити таким чином: всі електронні рівні зсуваються вниз у порівнянні з рівнем Фермі на величину рівну D (рис.17). Якщо тепер в такій надпровідник потрапить спрямований електрон, він повинен зайняти рівень 2D вище останнього із зайнятих спареними електронами. Туди ж повинні переходити електрони з розірваних пар. А ось енергетичний проміжок від ЕF - D до ЕF + D буде залишатися незайнятим, кажуть, що в енергетичному електронному спектрі надпровідника є енергетична щілину величиною 2D. Іншими словами, нормальний стан електронів в надпровіднику відокремлено від надпровідного стану енергетичної щілиною. Значення щілини можна наближено, знаючи критичну температуру Тr: 2D »3,5kТr. При критичній температурі, що дорівнює приблизно 20К, величина енергії 2D »2,8 # 63; 10-22 Дж »1,7 # 63; 10-3 еВ. У більшості випадків критична температура Тк менше 20К і величина енергетичної щілини відповідає 10к еВ. Треба сказати, що енергетична щілину в надпровіднику зовсім не постійна величина. Вона залежить від температури в магнітному полі. Зменшення температури призводить до зменшення енергетичної щілини і при критичній температурі вона звертається в нуль. Це і зрозуміло. Зі збільшенням температури в надпровіднику з'являється все більше фононів (фонон - справжнісінькі частки, але не зовсім рівноправні в тому сенсі, що вони здатні існувати тільки всередині речовини, в порожнечі фононів не може бути. Фонон квазі частка). З енергією, що дорівнює величині енергії щілини, або більше неї, і вони руйнують все більше число пар, перетворюючи їх в нормальні електрони. Але чим менше залишається пар, тим менше ставати їх внесок тяжіння, тим воно слабкіше, а значить, тим більш вузькою ставати енергетична щель.Завісімость величини енергетичної щілини від температури показана на малюнку 18. Суцільна крива теоретична; точками вказані значення, отримані дослідним шляхом. Можна відзначити виключно хороше згоду теорії і експерименту, яке підтверджує правильність основних положень сучасної теорії.
Безщільна надпровідність. У перші роки після створення теорії БКШ наявність енергетичної щілини в електронному спектрі вважалося характерною ознакою надпровідності без енергетичної щілини - безщільна надпровідність. Як було вперше показано А.А. Абрикосовим і Л.П. Горьковим при введенні магнітних домішок критична температура ефектно зменшується. Атоми магнітної домішки володіють спіном, а значить спінові магнітним моментом. При цьому спини пари виявляються як би в паралельному і антипаралельними магнітному полі домішки. Зі збільшенням концентрації атомів, магнітної домішки в надпровіднику все більше число пар буде руйнуватися, і відповідно до цього ширина енергетичної щілини буде зменшуватися. При деякій концентрації n, що дорівнює 0,91nкр (nкр - значення концентрації, при якій повністю зникає надпровідний стан), енергетична щілина ставати рівною нулю. Можна припустити, що поява бесщелевой надпровідності пов'язане з тим, що при взаємодії з атомами домішки частина пар виявляється тимчасово розірваними. Такому тимчасового розпаду пари відповідає поява локальних енергетичних рівнів в межах самої енергетичної щілини. З ростом концентрації домішок щілину все більше заповнюється цими локальними рівнями до тих пір, поки не зникне зовсім. Існування електронів утворилися при розриві пари, призводить до зникнення енергетичної щілини, а що залишилися куперовские пари забезпечують рівність нулю електричного опору. Ми приходимо до висновку, що існування щілини саме по собі зовсім не є обов'язковою умовою прояв надпровідного стану. Тим більше що безщільна надпровідність, як виявилося явище не настільки вже й рідкісне. Головне - це наявність пов'язаного електронного стану - куперовской пари. Саме цей стан може проявляти надпровідні властивості і у відсутності енергетичної щілини. «Парні кореляції - писав один із творців теорії БКШ Шріффер, - на яких заснована теорія спарювання електронів, найбільш істотних для пояснення основних явищ можна побачити в надпровідного стану.