利特尔-帕克斯效应

利特尔-帕克斯效应(Little–Parks effect),或利特尔-帕克斯实验,是由威廉·A·利特尔和罗兰·D·帕克斯于1962年完成的一个超导实验[1]。在实验中,超导空心薄壳圆柱体被置于不同强度的磁場中。利特尔和帕克斯观测到空心圆柱体的电阻随磁场强度变化而振荡。利特尔-帕克斯实验说明了BCS理论库柏对假设的重要性[2],而且验证了类磁通(fluxoid)的量子化[注 1][5]

历史编辑

1950年,弗里茨·伦敦在他的文章中定义了类磁通  

 

其中   为传统意义上的磁通量。弗里茨·伦敦提出在多连通的超导体中,类磁通的取值离散,且为   的整数倍[6]

当时弗里茨·伦敦假设有效电荷e*的大小为e;但在1961年,Deaver 和 Fairbank 的实验将磁通量量子确定为 ,即   实际上是  [7]。这一结果展示了超导电子的配对[8]

然而,因为 Deaver 和 Fairbank 使用的是外壳较厚的空心圆柱体,所以类磁通   中的   一项等于零,即无法区分    [5]。1962年,利特尔和帕克斯制备出薄壳空心圆柱超导体,发现样品在超导转变温度附近的磁阻磁场的变化而振荡(其周期相关于磁通量量子  ),间接证实了类磁通   的量子化。

实验编辑

 
利特尔-帕克斯实验的示意图。

利特尔和帕克斯在文章中描述的样品制备方法是:首先,将一滴G.E. 7031水泥置于两根电线的末端后,迅速将两根电线拉开至一臂的距离。经过反复尝试,直径约为一微米的丝线可被拉制出来。接着,丝线被固定于一个凹槽中匀速旋转,运用蒸镀可以在丝线上沉积出均匀厚度的金属薄膜。因为薄于900 Å在水泥表面无法形成完整连续的薄膜,所以还需先在表面沉积厚度为25 Å 的薄层。在此基础上,厚度为375 Å 的锡薄层被成功地生长出来。[1]

伦敦方程预言了磁通量的量子化,但无法得出利特尔-帕克斯效应。对利特尔-帕克斯效应的分析需要用到金兹堡-朗道理论BCS理论。超导空心薄壁圆柱体的转变温度 Tc 可由下式给出[1][5]

 

其中 R 为圆柱体的半径,n 为任意整数。

然而,利特尔和帕克斯没有去直接测量 Tc,只通过测量电阻间接地说明了 Tc 的周期性行为[1]。之后的理论分析[9]在考虑了其他各方面因素对 Tc 的影响后,较为令人满意地解决了一系列关键问题,成功地将理论和实验联系在了一起。

应用编辑

 
不同温度下的利特尔-帕克斯(LP)振荡。

利特尔-帕克斯效应被广泛地作为对庫柏對机制的一种证明,例如应用在对超导体-绝缘体转变英语Superconductor Insulator Transition的研究中[10][11][2]。这里的难点是如何将利特尔-帕克斯振荡和其他效应分离开。

注释编辑

  1. ^ 需要指出的是,fluxoid(此处译为类磁通)的定义略微不同于磁通量:对于第一类超导体,若厚度较大,则类磁通(fluxoid)和磁通量(flux)相等;而对于薄超导体,或是第二类超导体,严格来说只有类磁通(fluxiod)遵循量子化。另外,磁通量量子(flux quantum)在其他教科书中也被称作“fluxoid”(见Kittel所著《Introduction to Solid State Physics》的第281页[3]以及Ashcroft与Mermin所著《Solid State Physics》的第749页[4]),但Tinkham在《Introduction to Superconductivity》的第127页明确指出利特尔-帕克斯实验验证的是类磁通(fluxoid)的量子化,不能与磁通量量子混为一谈。

参考资料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 W. A. Little and R. D. Parks, “Observation of Quantum Periodicity in the Transition Temperature of a Superconducting Cylinder”, Physical Review Letters 9, 9 (1962), doi:10.1103/PhysRevLett.9.9
  2. ^ 2.0 2.1 Gurovich, Doron; Tikhonov, Konstantin; Mahalu, Diana; Shahar, Dan. Little-Parks Oscillations in a Single Ring in the vicinity of the Superconductor-Insulator Transition. Physical Review B. 2014-11-20, 91 [2018-01-24]. doi:10.1103/PhysRevB.91.174505. (原始内容存档于2019-06-03). 
  3. ^ Kittel, Charles. Introduction to Solid State Physics sixth. John Wiley and Sons. 1986. ISBN 0-471-87474-4. 
  4. ^ Neil W. Ashcroft; N. David Mermin. Solid state physics 27. repr. New York: Holt, Rinehart and Winston. 1977: 749. ISBN 0030839939. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Tinkham, M. Introduction to Superconductivity, Second Edition. New York, NY: McGraw-Hill. 1996. ISBN 0486435032. 
  6. ^ HUDSON, R. P. Superfluids: Macroscopic Theory of Superconductivity, Vol. I. Fritz London. New York: Wiley; London: Chapman & Hall, 1950. 161 pp. $5.00. Science. 1951-04-20, 113 (2938): 447–447 [2018-01-31]. doi:10.1126/science.113.2938.447. (原始内容存档于2019-06-18). 
  7. ^ Deaver, Bascom S.; Fairbank, William M. Experimental Evidence for Quantized Flux in Superconducting Cylinders. Physical Review Letters. 1961-07-15, 7 (2): 43–46. doi:10.1103/PhysRevLett.7.43. 
  8. ^ Lindley, David. Focus: Landmarks—Superconductor Quantizes Magnetic Field. Physics. 2015-10-23, 8 [2018-01-31]. (原始内容存档于2019-06-10). 
  9. ^ Groff, R. P.; Parks, R. D. Fluxoid Quantization and Field-Induced Depairing in a Hollow Superconducting Microcylinder. Physical Review. 1968-12-10, 176 (2): 567–580. doi:10.1103/PhysRev.176.567. 
  10. ^ Kopnov, G.; Cohen, O.; Ovadia, M.; Lee, K. Hong; Wong, C. C.; Shahar, D. Little-Parks Oscillations in an Insulator. Physical Review Letters. 2012-10-17, 109 (16). doi:10.1103/PhysRevLett.109.167002. 
  11. ^ Sochnikov, Ilya; Shaulov, Avner; Yeshurun, Yosef; Logvenov, Gennady; Božović, Ivan. Large oscillations of the magnetoresistance in nanopatterned high-temperature superconducting films. Nature Nanotechnology. 2010-06-13, 5 (7): 516 [2018-01-09]. doi:10.1038/nnano.2010.111. (原始内容存档于2015-01-22) (英语).