4.2.2 Сверхпроводящие тепловые ключи

В разд. 3.3.4 мы сделали вывод, что теплопроводность κs металла в сверхпроводящем состоянии может стать очень малой, поскольку число свободных (неспаренных) электронов экспоненциально уменьшается с температурой; она может быть на много порядков меньше, чем теплопроводность κn того же материала в нормальном состоянии (рис. 4.1).

 в нормальном состоянии (по сравнению с теплопроводностью меди) и в сверхпроводящем состоянии (по сравнению с теплопроводностью диэлектрика) при температуре T>50мК

Поскольку некоторые металлы можно легко перевести из сверхпроводящего в нормальное состояние путем приложения магнитного поля, то мы можем построить «сверхпроводящий тепловой ключ», как уже упоминалось в разд. 3.3.4. Сверхпроводящие тепловые ключи являются наиболее распространенными при температурах ниже 1 К. Их достоинства — в малости теплового потока в открытом режиме ключа, в том, что они очень легко переключаются и что отношение переключения κn/κs может быть очень большим; но для этого нужно, чтобы выполнялось неравенство ТТс/10, что часто означает Т << 1 К (рис. 4.2). В процессе переключения выделяется очень мало тепла, если в конструкции предусмотрено, чтобы нагрев за счет вихревых токов (разд. 10.5.2) был мал при изменении переключающего магнитного поля.

Отношение переключения теплопроводности алюминия по сравнению с теоретическими предсказаниями

Качество сверхпроводящих тепловых ключей выражается отношением переключения κn/κs. Здесь κn ~ Т, в то время как κs ~ Т·ехр(–ΔЕ/kBТ) для Т > 0,1 Тс (за счет оставшихся неспаренными электронов) и κs ~ (Т/θD)3 при Т < 0,1 Тс (за счет доминирующих в этих условиях фононов), см. разд. 3.3.4. Следовательно, мы имеем отношение переключения

с константой, равной 102 ÷ 103 , для правильно сконструированного ключа (но см. замечание в конце этого раздела).

В литературе описаны различные конструкции сверхпроводящих тепловых ключей, сделанных из разных металлов [4.9,15–24]. Для этого используются очень чистые металлы, чтобы сделать кп больше. Следует использовать тонкие фольги или проволочки (обычно с характерным размером 0,1 мм); тогда средняя длина свободного пробега фононов — которая определяется размерами образца для чи­стых материалов — и, следовательно, κph, также как и нагрев за счет вихревых токов в процессе изменения магнитного поля, будут малыми. Если Т < 0,1 Тс, и если мы имеем тонкую фольгу высокой чистоты из сверхпроводника (так что фононы рассеиваются только на границах), то в идеальном случае

как, например, для Al в [4.15].

 

View one comment on “4.2.2 Сверхпроводящие тепловые ключи

Comments are closed.