ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУВПО «Марийский государственный университет» Физико-математический факультет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУВПО «Марийский государственный университет»
Физико-математический факультет
Кафедра теоретической и прикладной физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан физико-математического
факультета
«24» ноября 2009 г.
/Попов Н.И./
(подпись/Ф.И.О)
У Ч Е Б Н О -М Е ТОДИ Ч Е С К И Й К ОМ П Л Е К С П О Д И СЦ И ПЛ ИН Е
ДС.В.10 Физика сверхпроводимости
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ/НАПРАВЛЕНИЕ
010701.65 – Физика
(код и наименование специальности/направления в соответствии с лицензией)
Составитель
Буев Андрей Романович, д-р техн. наук, профессор
(должность, Ф.И.О., ученая степень, звание автора программы)
Йошкар-Ола
2009
УТВЕРЖДЕНО
на заседании кафедры
теоретической и прикладной физики
(название кафедры)
Протокол № 4 от
«20» ноября 2009 г.
Зав. кафедрой
УТВЕРЖДЕНО
на заседании УМК
Протокол № 1 (ВЗ) от
«23» ноября 2009 г.
Председатель УМК
/Косов А.А./
(подпись/Ф.И.О)
/Косов А.А./
(подпись/Ф.И.О)
2
CОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
I. Рабочая программа учебной дисциплины ........................................................................ 4
II. Методические рекомендации по изучению учебной дисциплины ............................. 18
III. Материалы текущего контроля, промежуточной аттестации ................................... 20
IV. Программа итогового экзамена ................................................................................... 22
3
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУВПО «Марийский государственный университет»
Физико-математический факультет
Кафедра теоретической и прикладной физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан физико-математического факультета
/Попов Н.И./
(подпись/Ф.И.О.)
«24» ноября 2009 г.
I . РА Б О Ч А Я П РОГ РА М М А
Учебная дисциплина
Физика сверхпроводимости
ДС.В.10
(наименование)
Специальность
01.04.07 – Физика твёрдого тела
(код и наименование в соответствии с лицензией)
Кафедра
теоретической и прикладной физики
(название)
Курс
4
семестр
форма обучения
8
Лекции
32
Практические занятия
16
очная
(кол-во часов)
(кол-во часов)
Лабораторные занятия
(кол-во часов)
Самостоятельная работа
63
(кол-во часов)
Курсовая работа (проект)
–
(семестр)
Зачет
(семестр)
Экзамен
8
(семестр)
Программа разработана
Буевым Андреем Романовичем, д-м техн. наук, профессором
(должность, Ф.И.О., ученая степень, звание автора программы)
Йошкар-Ола
2009
4
Рекомендована к утверждению
решением учебно-методической
комиссии (учебно-методического
совета) физико-математического
факультета
Рассмотрена и одобрена на
заседании кафедры
теоретической и прикладной
физики
(название кафедры)
(название факультета / института, специальности)
протокол заседания № 1
от
протокол заседания № 4 от
«11» сентября 2009 г.
«20» ноября 2009 г.
Косов А.А.
Косов А.А.
(подпись, Ф.И.О. председателя)
(подпись, Ф.И.О., зав. кафедрой)
СОГЛАСОВАНО с выпускающей кафедрой
общей физики
(название кафедры)
протокол заседания № 1
от «31» августа 2009 г.
Леухин А.В.
(Ф.И.О. зав. кафедрой, подпись)
Сведения о переутверждении рабочей программы учебной дисциплины
на очередной учебный год и регистрация изменений
Учебный
год
20082009
Решение кафедры
Автор изменения
(№ протокола, дата заседания
кафедры, Ф.И.О., подпись
зав. кафедрой)
(Ф.И.О., подпись)
Пр. № от
Косов А.А.
200 г.
Номер
изменения
2
5
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1 Требования государственного образовательного стандарта к содержанию
даной дисциплины
Индекс
Дисциплина и ее основные разделы
Всего часов
ДС.В
Дисциплина специализации
1600
ДС.В.10
Физика сверхпроводимости
Физические основы сверхпроводимости; основные понятия и законы
основные свойства сверхпроводников I и II рода; особенности веществ,
претерпевающих фазовый переход II рода; основы теорий Лондонов,
Гинзбурга-Ландау и БКШ; фазовый состав и основы синтеза ВТСП;
перспективы практического использования ВТСП в промышленности.
350
Рабочая программа предназначена для студентов дневной формы обучения специальности физикоматематического факультета. Спецкурс физики сверхпроводимости в соответствии с Госстандартом
входит в блок специальных естественнонаучных дисциплин. Программа рассчитана на один семестр - 8. Общий объем учебного времени, отводимого на весь курс физики сверхпроводимости,
составляет 111 часов из расчета 3 часов в неделю в 8 семестре (2 часа – лекции, 1 час – практические занятия). На самостоятельное изучение материала в 8 семестре отводится 4 часа в неделю.
1.2 Цели, учебные задачи дисциплины, место и роль учебной дисциплины в подготовке
специалиста
Профессиональная деятельность специалиста по специальности "Физика", изучавшего курс
физика сверхпроводимости направлена на возможность освоения новых теорий и моделей
физики твердого тела; исследований и оценку состояния и обработки полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ. Студенты, окончившие курс
"Физика сверхпроводимости", должны быть подготовлены к решению следующих задач:
 научные исследования поставленных проблем;
 формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований;
 разработка новых методов исследований;
 выбор необходимых методов исследования;
 освоение новых методов научных исследований;
 освоение новых теорий и моделей;
 обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и
их анализ;
 работа с научной литературой с использованием новых информационных технологий,
слежение за научной периодикой.
1.3. Связь дисциплины с другими дисциплинами специальности
1. Курс общей физики.
2. Физика твердого тела.
3. Физика магнитных явлений
4. Квантовая механика
5. Квантовая теория магнетизма
6
1.4 Виды учебной деятельности студентов
1. Посещение лекций, конспектирование и освоение лекционного материала.
2. Подготовка к контрольным работам по прочитанному лекционному материалу и письменные ответы на вопросы контрольных работ.
3. Освоение текущего материала, отнесённого к самостоятельному освоению (самостоятельной работе студентов). Подготовка теоретического материала и сдача его на соответствующих коллоквиумах.
1.5 Контроль знаний студентов
1. Контроль освоения текущего лекционного материала в виде 5-ти минутных контрольных
работ проводимых после каждых 1-2 лекций с выставлением соответствующих оценок.
ной части (задание и отчётность) каждой лабораторной работы, выполняемой студентами.
2. Контроль самостоятельной работы студентов путём проведения соответствующих коллоквиумов.
3. Итоговый ‘экзамен по ос освоению семестрового программного материала.
1.6 Другие пояснения автора
Проведение 5-ти минутных контрольных работ по материалам каждых 1-2 лекций стимулирует студентов к систематической учебной работе, к регулярному освоению и запоминанию,
прочитанного лектором лекционного материала. Проведение таких контрольных особенно
эффективно для студентов 4 курса, у которых в связи с близостью окончания вуза, как правило, формируется некоторое охлажденное отношение к освоению завершающих спецкурсов.
2. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
2.1 Тематический план изучения учебной дисциплины
1
2
1.1
. Открытие сверхпроводимости. Эффект
Мейсснера-Оксенфельда. Основные физические свойства сверхпроводников.
Промежуточное состояние. Магнитные
свойства сверхпроводников первого и
второго рода. Квантование магнитного
потока
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле массивного
материала. Энтропия и теплоемкость
сверхпроводника. Свободная энергия.
1.2
12
4
11
4
Самостоятельная
работа
Практические
(семинарские)
занятия
Лабораторные
занятия
Лекции
Количество часов по учебному плану
Аудиторная нагрузка
Всего
№ п/п темы
Наименование разделов и тем
8
4
7
7
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Первое уравнение Лондонов. Второе
уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Квантовое
обобщение уравнения Лондонов
Пластина в параллельном магнитном
поле. Уравнения Гинзбурга-Ландау.
Плотность свободной энергии. Эффект
близости. Длина когерентности и глубина проникновения. Энергия границы
раздела между нормальной и сверхпроводящей фазой. Сверхпроводники первого и второго рода.
Фазовая когерентность. Стационарный
эффект Джозефсона. Нестационарный
эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение ФерреллаПрэйнджа.
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские вихри. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид.
Одноконтактный сквид.
Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электрон-фононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений сверхпроводника. Энергетическая
щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели от температуры
Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы. Время релаксации. Андреевское отражение.
ИТОГО, час
12
4
8
12
4
8
12
4
8
16
4
4
8
20
4
8
8
12
4
111
32
8
16
63
8
3. ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
3.1. Тематический план лекций
Лекции, час.
Наименование разделов и тем
1
2
1.1
. Открытие сверхпроводимости. Эффект Мейсснера-Оксенфельда.
Основные физические свойства сверхпроводников. Промежуточное состояние. Магнитные свойства сверхпроводников первого и
второго рода. Квантование магнитного потока
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле
массивного материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника.
Свободная энергия.
Первое уравнение Лондонов. Второе уравнение Лондонов. Глубина
проникновения магнитного поля. Квантовое обобщение уравнения
Лондонов
Пластина в параллельном магнитном поле. Уравнения ГинзбургаЛандау. Плотность свободной энергии. Эффект близости. Длина
когерентности и глубина проникновения. Энергия границы раздела
между нормальной и сверхпроводящей фазой. Сверхпроводники
первого и второго рода.
Фазовая когерентность. Стационарный эффект Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение ФерреллаПрэйнджа.
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские
вихри. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды).
Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид.
Микроскопическая
теория
сверхпроводимости.
Электронфононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений
сверхпроводника. Энергетическая щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели от температуры
Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы. Время релаксации. Андреевское отражение.
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
8
4
4
4
4
4
4
4
4
3.2 Номер и наименование темы в соответствии с тематическим планом лекций
Номера тематического плана лекций соответствуют номеру и наименованию темы
3.3 Планы тем лекций
Лекция 1,2
Открытие сверхпроводимости. Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Основные физические
свойства сверхпроводников. Промежуточное состояние. Магнитные свойства сверхпроводников первого и второго рода. Квантование магнитного потока.
9
Лекция 3,4
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле массивного материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника. Свободная энергия.
Лекция 5,6
Первое уравнение Лондонов. Второе уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Квантовое обобщение уравнения Лондонов.
Лекция 7,8
Пластина в параллельном магнитном поле. Уравнения Гинзбурга-Ландау. Плотность свободной энергии. Эффект близости. Длина когерентности и глубина проникновения. Энергия
границы раздела между нормальной и сверхпроводящей фазой. Сверхпроводники первого и
второго рода.
Лекция 9.10
Фазовая когерентность. Стационарный эффект Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение Феррелла-Прэйнджа.
Лекция 11,12
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские вихри. Сверхпроводящие
квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид.
Лекция 13.14
Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электрон-фононное взаимодействие. Спектр
элементарных возбуждений сверхпроводника. Энергетическая щель. Плотность состояний.
Зависимость Энергетической щели от температуры.
Лекция 15,16
Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы. Время релаксации. Андреевское отражение.
3.5 Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Шмидт В.В.Введение в физику сверхпроводников. / В.В. Шмидт – М. Наука, 1982. - 238 с.
Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплавов. / Де Жен – М.: Мир, 1968. – 328 с.
Блохинцев Д.И.. Основы квантовой механики» / Д.И. Блохинцев – М. Наука, 1978. - 832 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1972. –648 с.
Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике, – М. Наука.
1979. – 528 с.
.Линтон Э.А. Сверхпроводимость. - М.: Мир, 1964. – 368 с.
Тилли Д.Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. - М.: Мир, 1977. – 320 с.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Мир, 1978. - 690 с.
Буев А.Р. Критические параметры ВТСП и способы их измерений: Учебное пособие /
МарГУ. Йошкар-Ола. 2008. –106 с.)
10
4 ПРОГРАММА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (СЕМИНАРОВ)
Наименование разделов и тем
1
1.2
1.6
1.7
1.8
Практические
(семинарские)
занятия
4.1 Тематический план практических (семинарских) занятий
2
3
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле массивного
материала. Энтропия и теплоемкость
сверхпроводника. Свободная энергия.
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские вихри. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид.
Одноконтактный сквид.
Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электрон-фононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений сверхпроводника.
Энергетическая щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели
от температуры
4
4
4
4
3.2 Номер и наименование темы в соответствии с тематическим планом практических
занятий
Номера и наименования тем соответствуют номеру и наименованию тематического плана.
3.3 Планы тем семинарски (практических) занятий
Занятие 1,2
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле массивного материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника. Свободная энергия.
Занятие 3,4
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские вихри. Сверхпроводящие
квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид.
Занятие 5,6.
Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электрон-фононное взаимодействие. Спектр
элементарных возбуждений сверхпроводника.
Занятие 7,8.
Энергетическая щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели от температуры
11
5 ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Наименование разделов и тем
1
2
1.1
Открытие
сверхпроводимости.
Эффект
МейсснераОксенфельда. Основные физические свойства сверхпроводников. Промежуточное состояние. Магнитные свойства сверхпроводников первого и второго рода. Квантование магнитного потока.
Термодинамика сверхпроводников. Критическое магнитное поле массивного материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника. Свободная энергия.
Первое уравнение Лондонов. Второе уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Квантовое обобщение
уравнения Лондонов
Пластина в параллельном магнитном поле. Уравнения Гинзбурга-Ландау. Плотность свободной энергии. Эффект близости.
Длина когерентности и глубина проникновения. Энергия границы раздела между нормальной и сверхпроводящей фазой.
Сверхпроводники первого и второго рода.
Фазовая когерентность. Стационарный эффект Джозефсона.
Нестационарный эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение Феррелла-Прэйнджа.
Проникновение магнитного поля в переход. Джозефсоновские
вихри. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид.
Микроскопическая теория сверхпроводимости. Электронфононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений
сверхпроводника. Энергетическая щель. Плотность состояний.
Зависимость Энергетической щели от температуры
Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы.
Время релаксации. Андреевское отражение.
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Самостоятельная
работа
5.1 Тематический план самостоятельной работы
8
7
8
8
8
8
8
8
12
5.2 Номер и наименование темы
Соответствуют тематическому плану самостоятельной работы (см. 5.1).
5.3 План темы (вопросы для самостоятельного изучения)
Открытие сверхпроводимости, основные эффекты СП.
Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Основные физические свойства сверхпроводников. Промежуточное состояние. Магнитные свойства сверхпроводников первого и второго рода.
Квантование магнитного потока. Тематика гл.1 [6].
Термодинамика сверхпроводников.
Критическое магнитное поле массивного материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника. Свободная энергия.
Уравнения Лондонов.
Первое уравнение Лондонов. Второе уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Квантовое обобщение уравнения Лондонов. Тематика гл.2 [6].
Длина когерентности и глубина проникновения.
Пластина в параллельном магнитном поле. Уравнения Гинзбурга-Ландау. Плотность свободной энергии. Эффект близости. Длина когерентности и глубина проникновения. Энергия
границы раздела между нормальной и сверхпроводящей фазой. Сверхпроводники первого и
второго рода. Тематика гл.3 [6].
Эффекты фазовой когерентности..
Стационарный эффект Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение Феррелла-Прэйнджа
Проникновение магнитного поля в СП переход.
Джозефсоновские вихри.
Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид.
Микроскопическая теория сверхпроводимости.
Электрон-фононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений сверхпроводника.
Энергетическая щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели от температуры
Неравновесные эффекты.
Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы. Время релаксации. Андреевское отражение.
5.4 Виды самостоятельной работы
– изучение теоретического материала;
– переработку материала лекций;
– подготовку к семинарским занятиям;
– индивидуальную работу с авторским учебным пособием [9] (см. п.3.5).
5.5 Формы контроля
Проведение коллоквиумов по блокам тематического плана самостоятельной работы 5.3:
Блок1.
Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Основные физические свойства сверхпроводников. Промежуточное состояние. Магнитные свойства сверхпроводников первого и второго рода.
Квантование магнитного потока. Тематика гл.1 [9]. Критическое магнитное поле массивного
материала. Энтропия и теплоемкость сверхпроводника. Свободная энергия. Первое уравне13
ние Лондонов. Второе уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля. Квантовое обобщение уравнения Лондонов. Тематика гл.2 [9]. Пластина в параллельном магнитном поле. Уравнения Гинзбурга-Ландау. Плотность свободной энергии. Эффект близости.
Длина когерентности и глубина проникновения. Энергия границы раздела между нормальной и сверхпроводящей фазой. Сверхпроводники первого и второго рода. Тематика гл.3 [9].
Блок 2.
Стационарный эффект Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона. Отклик джозефсоновского перехода на внешнее магнитное поле. Уравнение Феррелла-Прэйнджа
Проникновение магнитного поля в СП переход. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. (сквиды). Двухконтактный сквид. Одноконтактный сквид. Электрон-фононное взаимодействие. Спектр элементарных возбуждений сверхпроводника. Энергетическая щель. Плотность состояний. Зависимость Энергетической щели от температуры. Неравновесные эффекты в сверхпроводниках. Квазичастицы. Время релаксации. Андреевское отражение.
5.6 Список литературы
1. Шмидт В.В.Введение в физику сверхпроводников. / В.В. Шмидт – М. Наука, Гл ред физ.мат. литературы, 1982. - 238 с.
2. Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплавов. / Де Жен – М.: Мир, 1968. – 328 с.
3. Блохинцев Д.И.. Основы квантовой механики» / Д.И. Блохинцев – М. Наука, 1978. - 832 с.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1972. –648 с.
5. Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике, – М. Наука.
1979. – 528 с.
Список дополнительной литературы
6. Линтон Э.А. Сверхпроводимость. - М.: Мир, 1964. – 368 с.
7. Тилли Д.Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. - М.: Мир, 1977. – 320 с.
8. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Мир, 1978. - 690 с.
9. Буев А.Р. Критические параметры ВТСП и способы их измерений: Учебное пособие /
МарГУ. Йошкар-Ола. 2008. –106 с.)
6. ТЕМАТИКА
6.1 Контрольных работ:
Контрольные работы проводятся по тематике и материалам лекций.
6.2 Эссе, рефератов:
- не предусмотрены.
6.3 Курсовых работ (проектов):
– не предусмотрены.
14
7. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
7.1. Темы для зачета
– Зачёт не предусмотрен
7.2 Контрольные вопросы к самостоятельной работе (по главам 1,2,3 авторской
учебно-методической работы [9]
Контрольные вопросы к ГЛАВЕ 1
1. В чем заключается явление сверхпроводимости?
2. Какими физическими свойствами обладает тело, находящееся в сверхпроводящем состоянии?
3. Какова природа сверхпроводящего состояния?
4. Опишите эффект Мейсснера.
5. Как проникает магнитное поле в сверхпроводник?
6. Каков смысл критического поля?
7. Какова природа квантования магнитного потока в сверхпроводящем контуре?
8. Опишите сверхпроводники второго рода.
9. Что такое вихри Абрикосова?
10. Что представляет собой состояние Шубникова?
11. Какова природа энергетической щели в сверхпроводниках?
12. Какие типы тунеллирования возможны при низкой температуре?
13. Объясните эффекты Джозефсона, характер излучения.
14. Нарисуйте ВАХ джозефсоновского перехода.
15. Как влияет магнитное поле на переход Джозефсона?
16. Назовите основные положения теории БКШ.
17. Опишите характеристики куперовской пары и конденсата.
18. В чем смысл параметра Гинзбурга?
19. Назовите особенности критических параметров высокотемпературных сверхпроводников.
20. Каковы возможные механизмы электронного спаривания?
Контрольные вопросы к ГЛАВЕ 2
1. Опишите принцип действия четырёхзондовой схемы измерениия критического тока.
2. В чем отличие четырехзондовой схем с использованием режимов измерения – стационарного и импульсного?
3. Каковы типичные параметры четрёхзондовой схемы и в чём состоит основная её трудность?
4. Какой типичный вид имеет ВАХ (ВТСП)? Для какого случая эта ВАХ справедлива и для
классических сверхпроводников: в режиме вязкого течения потока?
5. Какие трудности порождает определение jc по появлению порогового напряжения?
6. Каков порядок порога по напряжению для импульсного режима измерения?
7. Какая значительная проблема возникает при стационарном режиме измерений плотности
критического тока?
8. Какими способами можно избежать причины контактного перегрева?
9. На чем базируется основной бесконтактный способ измерения плотности критического
тока?
10. Каковы основные трудности «бесконтактного способа» связанные с моделью Бина?
15
11. Приведите некоторые зависимости jc B  , используемые в магнитных измерениях плотности критического тока.
12. Для каких случаев используется «песочная модель» проникновения магнитного поля в
сверхпроводник?
13. Какое явление, связанное с абрикосовскими вихрями стремиться нарушить периодичность вихревой решетки?
14. Какую роль играют анизотропия, форма образца, зависимость критического тока от магнитного поля, обратимое намагничивание, термоактивированный крип магнитного потока в магнитных, бесконтактных измерениях плотности критического тока?
15. Для определения критической плотности тока ВТСП в широком температурном интервале используются магнитные измерения, а вблизи сверхпроводящего перехода – резистивный четырехзондовый метод, Какие методики существуют кроме этого?
16. Каково соотношение внуригранульного и межгранульного критических токов в ВТСП ?
17. Какова температурная зависимость межгранульного критического тока в ВТСП вблизи
Тc ?
18. Приведите некоторые известные зависимости межгранульного критического тока от
магнитного поля для поликристаллического ВТСП.
19. Назовите основные механизмы возникновения слабых связей между гранулами, приводящего к резкому снижению транспортного критического тока и его сильной зависимости от магнитного поля.
20. Опишите техпроцесс и приведите основные технологические параметры получения расплавного ВТСП по методике Джина.
21. В чем состоит мдифицированный процесс Мураками получения расплавного ВТСП?
22. Что скрывается за аббревиатурой QMG –процесс?
23. Что скрывается за аббревиатурой «Doctor blade casting and melt growth» и к каким ВТСП
это применимо?
24. Приведите известные зависимости E(j) (ВАХ) для ВТСП.
Контрольные вопросы к ГЛАВЕ 3
1. Какие характеристики поликристаллического ВТСП позволяет исследовать запатентованный автором бесконтактный метод?
2. Изобразите принципиальную схему устройства измерительной ячейки бесконтактного
экспресс - метода измерения ВТСП характеристик.
3. Каков физический смысл джозефсоновских критических токов I1c , и I 2c ?
4. Каков физический смысл джозефсоновских критических магнитных полей B1c , J и B2c , J ?
5. Какое радиальное распределение имеет критический ток в пределах бесконечно узкого
тонкого ВТСП – кольца в соответствие с моделью Брандта?
6. Что означает «Джозефсоновская» глубина проникновения и чем она отличается от «Лондоновской» глубины проникновения»?
7. В чём заключается «невосприимчивость» двухсвязного сверхпроводника (кольца), находящегося в критическом состоянии, к закону сохранения магнитного потока и каково его
качественное объяснение.
8. В чем принципиальное различие (по его физическим последствиям) размещения ВТСП –
кольца во внешнем перпендикулярном магнитном поле и введение такого поля внутрь
кольца с помощью соленоида с протекающим по нему током?
16
9. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ
Авторское учебно-методическое пособие
А.Р. Буев А.Р. Критические параметры ВТСП и способы их измерений: Учебное пособие /
МарГУ. Йошкар-Ола. 2008. –106 с.
II. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИЛИНЫ
1. Методические рекомендации преподавателю дисциплины специализации (спецкурса)
Содержание спецкурса должно отвечать тому, чтобы соблюдалась последовательность и единство с остальными спецкурсами по данной дисциплине специализации и отражать соответствующие положения основ физики конденсированного состояния. При этом
главное внимание должно быть уделено изучению новых фундаментальных положений, в
том числе, установленных в результате собственных научных исследований и признанных
коллегами.
Изучение теоретических вопросов физики, которые в основном должны быть сосредоточены в лекционном курсе, следует дополнить работой студентов в физической лаборатории, на семинарах, самостоятельной работой, а также участием в семинарах. Студенты
должны ясно представлять устройства используемых ими приборов и принципов их действия, приобрести навыки выполнения физических измерений, проводить обработку результатов измерений с использованием статистических методов и современной вычислительной
техники.
При изложении всего курса именно в связи с упором на его общеобразовательное значение надо стремиться везде, где это возможно, приводить примеры "работы" физических
моделей, подходов и законов при объяснении явлений, выходящих за рамки традиционной
физики. Надо постараться, чтобы студент научился видеть физику "вокруг нас".
Ограниченный лимит времени позволяет выполнить настоящую программу лишь при
условии использования разнообразных методических форм подачи материала слушателям.
Одной из таких форм являются практические занятия, сопровождаемые демонстрациями
натурных экспериментов, на которые следует выносить некоторые проблемные задачи и вопросы, касающиеся технологии и физики ВТСП.. Это позволяет существенно приблизить
уровень обработки результатов измерений физических величин к современным стандартам,
принятым в науке и производственной деятельности.
2. Методика проведения лекционных занятий
Лекции и практические занятия, наряду с контролем знаний, текущей и промежуточной аттестациями, самостоятельной работой студентов являются основными звеньями при организации
учебного процесса по образовательным программам.
2.1. Общие положения
1.1 Главной задачей лектора является функция организации процесса познания студентами материала изучаемой дисциплины на всех этапах ее освоения..
1.2. Лекция решает двуединую задачу: информативную и развитие самостоятельной познавательной деятельности.
Для этого лектору целесообразно:
- сформулировать цель каждой лекции;
17
- определить содержание лекции и план ее проведения;
- разработать методы активизации познавательной деятельности студентов с учетом
уровня их знаний и умений;
- рассмотреть перспективы и применения изучаемого материала в рамках других дисциплин и практической деятельности;
- представить ссылки на литературу для самостоятельного изучения материала студентами;
- по материалу лекции сформулировать задачи с целью подготовки студентов к практическим и лабораторным занятиям.
2.2 Задачи лекции
2.1 Передача знаний студентам и формирование умений по их применению.
2.2 Формулирование дидактических аспектов, решаемых в рамках изучения материала
дисциплины.
2.3. Выявление междисциплинарных связей изучаемой дисциплины.
2.4 Оценка знаний и умений, получаемых студентами при изучении отдельных разделов и в целом дисциплины, а также их роли и соотношения в структуре процесса обучения.
2.5 Представление студентам ссылок на информационно-справочную систему для самостоятельного изучения ими материала дисциплины.
2.6 Воспитание студентов в форме непосредственного воздействия на аудиторию.
2.3 Содержание лекции
3.1 Тематика и содержание лекций определяются рабочей программой дисциплины,
составленной в соответствии с направления специальности подготовки дипломированного
специалиста.
3.2 Лекция представляет собой логическое изложение материала в соответствии с ее
планом, который сообщается слушателям в начале каждой лекции и имеет законченную
форму.
3.3 Содержание каждой лекции имеет определенную направленность и учитывает
уровень подготовки аудитории.
3.4 Применение на лекции принципа постоянной связи теории и практики, подкрепленного конкретными примерами использования теории для решения практических задач.
2.4 Проведение лекции
4.1 Процесс проведения лекции и комплексное сочетание содержания, логичности и
доказательности.
4.2 Лекция строится в соответствии с дидактическими принципами:
- принцип научности сообщаемых сведений;
-принцип систематичности и последовательности изложения(от простого к сложному);
- принцип связи теории с практикой;
- принцип доступности научных знаний;
- принцип сочетания абстрактности мышления с наглядностью в преподавании.
При подготовке лекции лектор планирует управление видами внимания слушателей
- непроизвольным, произвольным, послепроизвольным, путем создания приема «яркого
пятна» и других педагогических методов.
4.3 Эффективность лекции характеризуется качеством и количеством получаемой студентами информации.
18
Для ее достижения необходимо следующее:
- доходчивость, благодаря живой устной речи, при умелом пользовании интонацией, паузами, логическими ударениями, мимикой, жестами возникает возможность отчетливо выделить основное, существенное и, кроме того, воздействовать на аудиторию эмоционально;
- возможность иллюстрировать лекции записями, схемами, чертежами, выполняемыми на доске, а также плакатами, слайдами, статическими и динамическими диаграммами, интерактивными картинками, реализованными на ПК;
- гибкость - возможность варьирования уровнем изложения материала в зависимости от подготовленности студентов;
- представление в процессе лекции новейших сведений о достижениях науки в данной
области;
- повышение активности студентов посредством контрольных вопросов;
- предоставление студентам права задавать вопросы преподавателю в ходе или по
окончании лекции.
4.4 На каждую лекцию разрабатываются план и конспект, включающие тему, содержание, задачи лекции, а также некоторые вопросы по ходу лекции и для повторения,
изученные студентом ранее и связанные с изучаемой темой.
7.3. Активизация деятельности, студентов на лекции.
Проблемное обучение
Один из путей включения студентов в активную мыслительную деятельность во время
слушания лектора является проблемный метод чтения лекций.
Проблемное обучение заключается в создании перед обучающимися последовательности проблемных ситуаций и в разрешении этих ситуаций в процессе совместной деятельности студентов под общим направляющим руководством преподавателя. Под проблемной
ситуацией понимаются учебные, исследовательские задачи, решение которых осуществляется студентами (под руководством преподавателя или самостоятельно) путем приобретения
недостающих знаний и овладения новыми способами деятельности.
Проблемная ситуация не возникнет, если задать вопрос, на который студенты заранее знают ответ, или предложить задачу, алгоритм решения которой студентам известен. Нельзя создать
проблемную ситуацию, задав задачу, для решения которой у студентов нет достаточных знаний.
Лектору всего проще использовать проблемное изложение нового материала. Создав
проблемную ситуацию, преподаватель дает не только конечное решение задачи, но и рассказывает алгоритм этому решению, аргументируя каждый шаг рассуждений. Учебная деятельность студента направлена при этом на то, чтобы внимательно прослушать и воспроизвести
ход рассуждений при постановке, формулировке и решении проблемы. Такой способ не
обеспечивает приобретения опыта поисковой творческой деятельности студента.
Следующий уровень проблемного обучения заключается в проблемном изложении
материала с последующим самостоятельным решением студентами аналогичной проблемной
ситуации по способу, указанному преподавателем.
5. Иллюстрация лекции
Способы иллюстрации:
– доска и работа на ней;
– плакаты, чертежи, схемы;
– демонстрационные эксперименты.
19
III. МАТЕРИАЛЫ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
1. Текущий и промежуточный контроль качества усвоения материала
Проверка качества усвоения знаний осуществляется в течение всего семестра, как в устной
(работа на практических (семинарских) занятиях, коллоквиумы по теории), так и письменной
форме (групповая контрольная работа, отчеты по индивидуальным заданиям),
2. Тесты для текущего и промежуточного контроля
1. Критическое поле массивного сверхпроводника Нсм:
а) от температуры не зависит;
б) изменяется с температурой по закону
Нсм(Т) = Н(0)(1 - (Т /Тс)2);
в) изменяется с температурой как
Нсм(Т) = H(0)(l - (Т/ТС )4)
г) изменяется с температурой по закону
Нсм(Т) = H(0)(l + (Т / Тс )2).
2. Величина поверхностного тока в сверхпроводнике, находящемся в поле Но:
а) не зависит от внешнего поля Н0;
б) такова, что поле, создаваемое им равно и противоположно направлено внешнему
магнитному полю;
в) зависит от Нсм;
г) меняется по закону I = Ic sinδ.
3. Стационарный эффект Джозефсона заключается в том, что:
а) слабый ток через слабую связь течет бездиссипативно;
б) внешнее поле не проникает в сверхпроводник;
в) параметр порядка вблизи границы сверхпроводник-нормальный металл понижается в отсутствие магнитного поля;
г) на «берегах» перехода возникает напряжение, осциллирующее с частотой
ω = 2eV/ћ
4. К проводникам второго рода относятся:
а) все сверхпроводящие металлы;
б) все металлы, кроме Nb;
в) Nb, сверхпроводящие сплавы и химические соединения;
г) все сверхпроводящие металлы в магнитных полях ниже Нсм.
5. Поле на границе сверхпроводника Нм, помещенного в поперечное магнитное поле Но,
равно:
a) Hm=H0/(l-n);
6) Hm= H0/(l+n);
в) Hm= H0/(l-n)2;
r) Hm= H0(1-n).
6. Переход FSH (S) в нормальное (N) состояние происходит, когда:
a) FSH>FN;
б) FSH<FN;
в) FSH=FN;
г) FSH+FN =0,
где FSH ПЛОТНость свободной энергии сверхпроводника в магнитном поле, FN - плотность свободной энергии нормального металла.
20
7. Скачок теплоемкости при Т=ТС равен:
:
8. В теории Лондонов:
а) учитывается квантовый характер сверхпроводимости;
б) вводится понятие параметра порядка;
в) рассматриваются ангармонические процессы;
г) вводится понятие глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник.
9. Фазовый переход (II рода) из сверхпроводящего в нормальное состояние в отсутствие
магнитного поля:
а) сопровождается скачком объема;
б) происходит без изменения объема;
в) сопровождается поглощением энергии;
г) сопровождается выделением энергии.
10. Область применимости теории Гинзбурга-Ландау:
а) (Т-ТС)«ТС;
б) Т=ТС;
в) Т«ТС;
г) не зависит от области температур.
11. Длина когерентности:
а) характерный масштаб длины, на котором параметр порядка восстанавливается до 1;
б) соответствует глубине проникновения магнитного поля в сверхпроводник;
в) определяется величиной внешнего поля;
г) зависит от толщины сверхпроводящей пленки.
12. Эффект близости проявляется в том, что:
а) через слабую связь ток течет бездиссипативно;
б) в поперечном магнит ном поле происходит расслоение сверхпроводника на S и N
фазы;
в) параметр порядка вблизи S -N границы меньше единицы даже в отсутствие магнитного поля;
г) теплоемкость на S -N границе меняется скачком.
13. В сверхпроводниках 1 рода энергия границы раздела S и N фаз (σSN):
a) σSN >0;
б) σSN < 0;
в) σSN=0;
г) σSN →∞.
14. Критическое поле тонкой пленки Нк:
а) равно критическому полю массивного сверхпроводника Нсм;
б) Нк < Нсм;
21
в) пропорционально толщине пленки d;
г) Нк~ 1/d.
15. Поле, создаваемое критическим током на поверхности пленки НIс:
а) не зависит от толщины d;
б) HIc ~ d;
в) величина порядка Нсм;
г) равно 1-му критическому полю Hc1.
16. Первым критическим полем называется:
а) поле, при котором массивный сверхпроводник переходит в нормальное состояние;
б) поле, начиная с которого энергетически выгодно проникновениевихрей в сверхпроводник второго рода;
в) поле, начиная с которого, магнитное поле внутри проводника становится равным
внешнему;
г) поле, при котором полностью разрушается сверхпроводящее состояние.
17. Второе критическое поле равно:
а) Нс2=2Нс1;
б) Нс2 = 2  Hcm;
в) Нс2 =
2 Нс1;
0
г) Нс2 =
(ln   0,08)
42
18. Свидетельством тому, что ионная решетка кристалла участвует в создании сверхпроводящего состояния, является:
а) квантование магнитного потока;
б) эффекты Джозефсона;
в) эффект близости;
г) изотопический эффект.
Правильные ответы
№
Прав,
ответ
1
б
2
б
3
а
4
в
5
а
6
в
7
б
8
г
9
б
10
а
11
а
12
в
13
б
14
г
15
б
16
б
17
б
18
г
IV МАТЕРИАЛЫ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
1. Вопросы к экзамену
1. Общие сведения о квантовых статистиках (основные моменты, средняя заселенность ячеек частицами, типичные функции распределения).
2. Функция распределения для электронного газа при Т=0, энергия Ферми. Распределение
электронной плотности по энергиям. Функция распределения Ферми при Т≠0.
3. Куперовские пары, Бозе – конденсаци, энергетическая щель, СП – состояние.
4. Открытие явления сверхпроводимости. Температурная (энергетическая) оценка различных взаимодействий.
5. Некоторые основные факторы, связанные со сверхпроводимостью. Исчезновение электрического сопротивления – эксперименты.
6. Элементарное представление о квантовой зонной теории металла.
22
7. Эффект Мейсснера – Оксенфельда. Промежуточное состояние СП. Изотопический эффект. Квантование магнитного потока (эксперимент).
8. Эффекты Джозефсона: постоянный ток Джозефсона (все выводы), фазовая когерентность.
9. Эффекты Джозефсона: влияние магнитного потока (квантование магнитного потока).
10. Переменный ток Джозефсона.
11. Уравнения Лондонов: 1-е уравнение Лондонов и 2-е уравнение Лондонов.
12. Связь между эффектом Мейсснера – Оксенфельда и уравнениями Лондонов.
13. Магнитные свойства сверхпроводников: критическая температура и критическое магнитное поле.
14. Магнитные свойства сверхпроводников.
15. Элементы микроскопической теории сверхпроводимости, куперовские пары.
16. Объяснение магнитных свойств по Лондону.
17. Природа «промежуточного» состояния по Ландау (доменная структура) и поверхностной
энергии на границе сверхпроводящей фазы. Сверхпроводники I и II рода.
18. Феноменологическая теория Гинзбурга – Ландау и ее обобщение по Абрикосову – Горькову.
19. Разрушение сверхпроводимости током. «Накачка» магнитного потока с помощью сверхпроводника.
20. Термодинамика и тепловые свойства сверхпроводников. Основные положения.
21. Устойчивость сверхпроводящего состояния.
22. Удельная теплоемкость сверхпроводников.
23. Влияние давления на сверхпроводящее состояние.
24. Теплопроводность сверхпроводников.
25. Микроскопическая теория сверхпроводимости : электрон – фононное взаимодействие.
Роль виртуального фонона.
26. Микроскопическая теория сверхпроводимости основное состояние сверхпроводника
(распределение электронов в основном состоянии).
27. Микроскопическая теория сверхпроводимости энергия основного состояния.
28. Микроскопическая теория сверхпроводимости спектр элементарных возбуждений
сверхпроводника (энергетическая щель).
29. Микроскопическая теория сверхпроводимости плотность состояний элементарных возбуждений сверхпроводника и длина когерентности.
30. Микроскопическая теория сверхпроводимости зависимость величины энергетической
щели от температуры(изотопический эффект).
31.Микроскопическая теория сверхпроводимости: туннельные эффекты в сверхпроводниках.
32. отличие четырехзондовой схем с использованием режимов измерения – стационарного и
импульсного?
33. Типичные параметры четрёхзондовой схемы и в чём состоит основная её трудность
34. Типичный вид имеет ВАХ (ВТСП). Для какого случая эта ВАХ справедлива и для классических сверхпроводников: в режиме вязкого течения потока?
35. Вихри Абрикосова. Что представляет собой состояние Шубникова?
36.Особенности критических параметров высокотемпературных сверхпроводников.
37. Типичный вид ВАХ (ВТСП). Для какого случая эта ВАХ справедлива и для классических
сверхпроводников: в режиме вязкого течения потока?
38.Порог по напряжению для импульсного режима измерения плотности критического тока,
порядок его величины. Проблема стационарного режима измерений, какими способами
можно избежать причины контактного перегрева?
39.Основы бесконтактного способа измерения плотности критического тока. Каковы основные трудности «бесконтактного способа» связанные с моделью Бина?
40. Каково соотношение внуригранульного и межгранульного критических токов в
23
ВТСП ? Какова температурная зависимость межгранульного критического тока в ВТСП
вблизи Тc ?
41. Назовите основные механизмы возникновения слабых связей между гранулами, приводящего к резкому снижению транспортного критического тока и его сильной зависимости от
магнитного поля.
42. Назовите основные механизмы возникновения слабых связей между гранулами, приводящего к резкому снижению транспортного критического тока и его сильной зависимости от
магнитного поля.
43. Опишите техпроцесс и приведите основные технологические параметры получения расплавного ВТСП по методике Джина. В чем состоит мдифицированный процесс Мураками
получения расплавного ВТСП? Что скрывается за аббревиатурой QMG –процесс?
44. Какие характеристики поликристаллического ВТСП позволяет исследовать запатентованный автором бесконтактный метод? Изобразите принципиальную схему устройства измерительной ячейки бесконтактного экспресс - метода измерения ВТСП характеристик.
45.Физический смысл джозефсоновских критических токов I1c , и I 2c и критических магнитных полей B1c , J и B2c , J .
46.В чём заключается «невосприимчивость» двухсвязного сверхпроводника (кольца), находящегося в критическом состоянии, к закону сохранения магнитного потока и каково его качественное объяснение.
47.В чем принципиальное различие (по его физическим последствиям) размещения ВТСП –
кольца во внешнем перпендикулярном магнитном поле и введение такого поля внутрь кольца с помощью соленоида с протекающим по нему током?
48. «Джозефсоновская» глубина проникновения и её отличие от «Лондоновской» глубины
проникновения».
2. Экзаменационные билеты
Экзаменационные билеты (прилагается в отдельном файле «Билеты для УМК ФСП»).
V СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ И ПЕРСОНАЛИЙ
См. на CD: Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров, ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1984. – 944 с.
24