Курс "Физика и техника низких температур" разработан для студентов первого курса магистратуры в качестве знакомства с физическими основами экспериментальных методик получения низких температур и измерений при низких и сверхнизких температурах, получения знаний о классических и современных экспериментальных результатах исследований свойств твердых тел в условиях глубокого охлаждения.
1. Введение в физику низких температур.
Определение температуры и классификация областей температурной шкалы. Понятия энтропии и энтальпии. Третье начало термодинамики и недостижимость температуры 0 К.
2. Методы получения криогенных жидкостей и их транспортировки.
Дросселирование, детандерные циклы Клода, Гейландта, Стирлинга, турбодетандер Капицы. Противоток и теплообмен. Вакуумная, порошковая, многослойная экрано-вакуумная теплоизоляция. Сосуды Дьюара и криостаты. Откачка паров 4Не.
3. Принципы и методы получения температур ниже 1 К.
Откачка паров 3Не, криостаты растворения 4Не-3Не, адиабатическое размагничивание солей, эффект Померанчука.
4. Сверхтекучесть. Основные свойства жидкого 4He и 3He.
Двухжидкостная модель Ландау. Критические скорости. Эффект фонтанирования сверхтекучего гелия и особенности работ вблизи лямбда-точки.
5. Измерение низких и сверхнизких температур.
Газовый, резистивный, термопарный термометры. Термометры магнитной восприимчивости, СКВИД-термометрия.
6. Сверхпроводимость (низкотемпературная и высокотемпературная), методы исследования.
Исследование сверхпроводящих переходов в резистивных, магнитных, калориметрических измерениях. Критерии определения Тс, причины уширения сверхпроводящих переходов.
Примеры контрольных вопросов:
1. Как измерить температуру газовым термометром?
2. Как правильно измерить температуру термопарой?
3.Как можно измерить температуру с помощью резистора?
4.Что такое эффект Померанчука?
5.Основные способы ожижения газов.
6. Что такое сверхтекучесть Гелия-4 и как она может проявиться в низкотемпературном эксперименте?
7. Правила безопасной работы с криогенными жидкостями
8. Каковы причины уширения сверхпроводящих переходов?
9. Что такое критические флуктуации параметра порядка и как они могут проявляться в сверхпроводящем переходе?
10. Как можно получить температуру ниже 1 К? Можно ли достичь абсолютного нуля температуры?
Примеры контрольных заданий:
1. Вычислить (оценить) число Гинзбурга квазидвумерного сверхпроводника из ширины перехода.
2 .Вычислить (оценить) величину активационной энергии движения вихрей из температурной зависимости низкотемпературной части резистивных переходов.
3. Вычислить (оценить) величину параметра вихревой решетки из величины второго критического магнитного поля.
4. Вычислить величину длины когерентности Гинзбурга-Ландау из величины критического магнитного поля.
5. Вычислить величину температуры сверхпроводящего перехода тонкой пленки из температурной зависимости флуктуационной проводимости.
6. Оценить (качественно) вклад в уширение сверхпроводящего перехода различных физических причин (флакс-флоу, критические флуктуации, флуктуации Асламазова-Ларкина) и указать области перехода, где они наиболее выражены.
Примеры статей, используемых для подготовки докладов:
1. Хоэнберг П. Дальний порядок при сверхпроводящем переходе, УФН 102, 239–246 (1970)
2. Л.Г. Асламазов, А.И. Ларкин. ФТТ 10, 1104 (1968)
3. Шмидт В. В. Письма в ЖЭТФ, 1966, т. 3, № 3, с. 141—143
4. A. Sidorenko, V. Zdravkov, V. Ryazanov, S. Horn, S. Klimm, R. Tidecks, A. Wixforth, T. Koch, T. Schimmel, Thermally assisted flux flow in MgB2: strong magnetic field dependence of the activation energy, Philos. Mag. 85 (2005) 1783–1790. https://doi.org/10.1080/14786430500036678.
5. A.S. Sidorenko, V.I. Zdravkov, V. V Ryazanov, M. Klemm, S. Horn, R. Tidecks, C.M. Muller, A. Wixforth, Two-dimensional superconducting fluctuations in MgB2 films, J. Supercond. 17 (2004) 211–213. https://doi.org/10.1023/B:JOSC.0000021215.50054.7d.
6. A.S. Sidorenko, L.R. Tagirov, A.N. Rossolenko, N.S. Sidorov, V.I. Zdravkov, V. V Ryazanov, M. Klemm, S. Horn, R. Tidecks, Fluctuation conductivity in superconducting MgB2, JETP Lett. 76 (2002) 17–20.
7. М.А. Васютин, А.И. Головашкин, Н.Д. Кузьмичев. Нелинейность вольт-амперных характеристик монокристаллов YBa2Cu3O7−x и переход Березинского–Костерлица–Таулеса. Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 12, 2128-2135.
8. V.I. Dediu, V.V. Kabanov, A.G. Sandler, A.S. Sidorenko, Effective dimensionality fluctuation change in V/Cu layered superconductors, Phys. Lett. A. 157 (1991) 488–490. https://doi.org/10.1016/0375-9601(91)91024-8.
9. A. S. Sidorenko, L. A. Konopko, A. E. Koshelev, A. Yu. Simonov. Resistive Transition Broadening of Metal-Oxide Superconductors in Magnetic Fields. Physica Status Solidi B 1989, Volume 155, Number 1, pag. K45-K49, https://doi.org/10.1002/pssb.2221550144
10. A.S. Sidorenko, N.Y. Fogel, I.M. Dmitrenko, Smearing Of Resistive Transitions Of Thin Vanadium Films - Fluctuations Or Inhomogeneity, Fiz. Tverd. TELA. 23 (1981) 724–730.
Дифференциированный зачет
1. Основная литература:
1. Лоунасмаа О.В., Принципы и методы получения температур ниже 1 К. Издательство Мир, 1977, 356с.
2. Frank Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures, Berlin: Springer-Verlag, 2007
3. Малков М.П. и др., Справочник по физико-техническим основам криогеники, М.: Энергоатомиздат, 1985. - 432 с
4. Искусство криогеники : низкотемпературная техника в физическом эксперименте, промышленных и аэрокосмических приложениях. Г. Вентура, Л. Ризегари ; пер. с англ. под ред. Л. П. Межова-Деглина .- Долгопрудный, «Интеллект», 2011, 332 с.
2. Дополнительная литература:
1. Розанов, Л. Н. Вакуумная техника: учебник для вузов по спец. "Электронное
машиностроение"/Л.Н. Розанов.- Изд. 3-е, перераб. и доп.-М.: Высшая школа,2007.-391 с.
2. Г.К.Уайт. Экспериментальная техника в физике низких температур. М.:Изд-во физико-мат. Литературы, 1961.
3. Пожаров А. М., Тихонов В. В. Криогенная электроника в морском радиооборудовании.— Л .: Судостроение, 1980.—223 с. 122.
4. Капица П.Л. 'Эксперимент, теория, практика' - Москва: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981 - с.496