При температуре ниже определённого значения некоторые вещества теряют способность препятствовать прохождению электрического тока. Их электрическое сопротивление становится нулевым. Это свойство называют сверхпроводимостью.
Открытие сверхпроводимости
Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес , исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г. А в 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий. Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление ртути скачком падает до нуля.
Согласно существовавшим в то время физическим теориям, с понижением температуры сопротивление должно плавно падать. Но существовала и такая точка зрения, что при очень низкой температуре движение электронов прекратится, сопротивление вырастет, и вещество вообще перестанет проводить электрический ток.
В начале эксперимента всё происходило согласно теории. С понижением температуры сопротивление ртути плавно уменьшалось. Но когда температура опустилась до 4,15 К, ртуть внезапно вообще потеряла сопротивление. Она перешла в совершенно новое состояние, которое было названо сверхпроводимостью .
Природа сверхпроводимости
Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?
Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными. Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток. Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются. Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.
Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей - американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера . В её основу положены куперовские пáры электронов .
Леон Нил Купер
При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути. Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой . Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. А раз её суммарный спин равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют «бозе-конденсат», к которому присоединяются все свободные бозоны. Они становятся единым целым, способным двигаться, не реагируя ни на какие препятствия на своём пути. Так возникает ток сверхпроводимости.
Критическая температура
Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов. Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Т с , при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя. Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.
Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.
Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.
В 1983 - 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.
Эффект Мейснера
В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников - выталкивание магнитного поля из своего объёма . Это явление было названо эффектом Мейснера .
Вальтер Фриц Мейснер
Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.
В этом эксперименте постоянный магнит, поднесённый к чашечке, сделанной из сверхпроводящего металла, висит в пространстве над ней. Низкая температура чашечки поддерживается за счёт того, что её ножки погружены в жидкий гелий. Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом. Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.
Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Н с , сверхпроводимость исчезает. Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Н с сверхпроводник становится обычным проводником. Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.
В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Н с . Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода .
А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Н с1 и Н с2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Н с1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника. Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Н с2 , сверхпроводимость исчезнет совсем. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода .
Применение сверхпроводников
Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.
При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др. Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе. Это позволяет врачам получать качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе, хотя на самом деле орган не травмируется.
В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.
Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.
В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда. И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты. Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.
Сверхпроводимость: история открытия и сущность явления.
История открытия.
Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.
В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и металл совсем перестанет проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесом со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий спад сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.
В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.
Нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.
Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга - Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.
Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.
Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.
В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La-Sr-Cu-O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y-Ba-Cu-O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.
В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H 2 S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C).
Понятие о сверхпроводимости.
Сверхпроводи́мость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением(при постоянном токе) при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура)
Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением.
Классификация.
Существует несколько критериев для классификации сверхпроводников. Вот основные из них:
По их отклику на магнитное поле: они могут быть I рода, что значит, что они имеют единственное значение магнитного поля, H c , выше которого они теряют сверхпроводимость. Или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, H c1 и H c2 ,. При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств.
По их критической температуре: низкотемпературные, если Tc < 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.
По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть, однако не все элементы в чистом виде достигают сверхпроводящего состояния), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB 2), сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и т. п.
Принципиальные свойства сверхпроводников
Нулевое электрическое сопротивление. Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет (эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенные жидкости).
Наличие критических свойств:
Критическое магнитное поле (критическая индукция) . Критическое магнитное поле – значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально
Рис. 2. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ разрушается при сильных магнитных полях и высоких температурах. Представлена фазовая диаграмма магнитное поле – абсолютная температура для олова. При условиях, соответствующих точке А , олово находится в нормальном, несверхпроводящем состоянии. Если же его охладить до точки В , то оно становится
сверхпроводящим.
Критический ток . Критический ток – максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. Как и критическое магнитное поле, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.
Критическая температура. Температура T c , при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур. Критическая температура своя для каждого вещества.
Рис. 3 Вид «сверхпроводящего перехода». Зависимость сопротивления от температуры для образца 1 (более «чистого») и 2 (более «грязного»). Критическая температура T c обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения - T c0 , конец - T ce
СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
2007 г. Лобачев В. В.*, Яржемский В. Г.*, Холманский А.С.**
В работе дан краткий обзор теорий сверхпроводимости и проанализированы проблемы высокотемпературной сверхпроводимости.
ВВЕДЕНИЕ
Явление сверхпроводимости (1911 г.) было открыто через три года после того, как был получен жидкий гелий. При нормальных давлениях гелий становится жидким при температуре ~ 4.2 К. Голландский физик К. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при столь низких температурах электрическое сопротивление некоторых металлов скачком обращается в нуль .
Образец металла подключается к источнику напряжения и охлаждался жидким гелием. Падение напряжения на образце, измеряемое вольтметром, при понижении температуры ниже некоторой критической Т к обращалось в нуль. В альтернативном варианте кольцо из сверхпроводника помещалось в перпендикулярное его плоскости магнитное поле. После выключения магнитного поля в кольце возбуждался индукционный ток. В обычных металлах этот ток быстро затухает. В сверхпроводнике же ток остается и течет бесконечно долгое время. В настоящее время тонкие эксперименты показывают, что удельное сопротивление сверхпроводника, по крайней мере, не выше . Эта величина в 
меньше удельного сопротивления хорошего проводника – меди. Оценим время затухания сверхпроводящего тока.
Рис. 1. Связь между В и Т к.
Позже было обнаружено, что сверхпроводящее состояние разрушается не только при повышении температуры выше некоторой Т к, но также и при предельных значениях магнитного поля и сверхпроводящего тока (В к и I к). На рис. 1 представлена примерная связь между
.
СВЕРХПРОВОДНИК И ИДЕАЛЬНЫЙ ПРОВОДНИК
Поскольку сверхпроводник имеет сопротивление весьма близкое к нулю, то долгое время считалось, что свойства идеального проводника (R=0) и сверхпроводника одинаковы. Но оказалось – это справедливо только в отношении электрического сопротивления. В магнитном поле обнаруживается различие между соответствующими образцами. Возьмем идеальный проводник при температуре меньше Т c . При внесении его в магнитное поле нулевой магнитный поток останется по-прежнему нулевым, поскольку в образце возникают вихревые токи компенсирующие увеличение внешнего магнитного потока (следовательно и магнитная индукция В=0). Если же включить магнитное поле при температуре выше критической, затем охладить образец, то в этом случае магнитное поле в идеальном проводнике останется. Возникающие вихревые токи не дадут ему измениться.
В сверхпроводнике, как обнаружили Мейснер и Оксенфельд 1933 году, магнитное поле всегда нулевое. Если образец сверхпроводника переходит в сверхпроводящее состояние, то магнитное поле внутри него сразу же становится равным нулю, независимо от того, находился ли образец до перехода во внешнем магнитном поле или нет.
Магнитное поле вытесняется из сверхпроводника наружу . Отсюда делается вывод, что сверхпроводник и идеальный проводник по своей природе принципиально различаются.
ОБЗОР ТЕОРИЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Первой попыткой объяснения сверхпроводимости стала теория братьев Г. Лондон и Ф. Лондон (1935). Были полученные уравнения, описывающие многие свойства сверхпроводников. Предполагалось, что электроны в сверхпроводнике можно рассматривать в виде двух коллективов: сверхпроводящих и нормальных электронов (двухжидкостная модель).
При нуле градусов все электроны превращаются в сверхпроводящие. При увеличении температуры плотность сверхпроводящих электронов 
уменьшается и обращается в ноль при Т=Т к. Сверхпроводящие электроны не испытывают сопротивления при движении. Электрического поля для такого движения не нужно - сверхпроводящие электроны движутся как бы по инерции. В отсутствие электрического поля нормальные электроны покоятся.
Сверхпроводник не оказывает никакого сопротивления только в случае, когда ток постоянный. В случае переменного тока сопротивление отлично от нуля и тем больше, чем выше частота переменного тока.
Магнитное поле не равно нулю в тонком поверхностном поле , толщина которого дается выражением
Гинзбург и Ландау применили феноменологический подход к теории сверхпроводимости, учитывающий квантованность явления и описали его как фазовый переход второго рода. Фазовым переходом второго рода называется переход без изменения агрегатного состояния. Меняется только симметрия кристаллической решетки и ход температурной зависимости физических величин.
Позже (1961) Дивером и Фейрбэнком было экспериментально обнаружено квантование магнитного потока, связанного со сверхпроводящим кольцом. Поместим кольцо в магнитное поле при T > T c . Понизим температуру и переведем кольцо в сверхпроводящее состояние, после этого выключим магнитное поле. По закону Фарадея-Ленца возникнет индукционный ток, который будет препятствовать изменению магнитного потока. Поскольку сопротивление кольца равно нулю, то этот ток не будет затухать. При этом величина такого «замороженного магнитного потока не может быть произвольной. А выражается формулой
, где n – целое число.
В нормальном проводнике прохождение тока сопровождается выделением тепла (закон Джоуля-Ленца). Это тепло возникает из-за соударений электронов с кристаллической решеткой. Кинетическая энергия электронов превращается в энергию колебаний решетки (тепловую энергию).
Тогда суть явления сверхпроводимости можно сформулировать следующим образом: при низких температурах кристаллическая решетка по каким-то причинам не может получать энергию от движущихся электронов. Почему? Чтобы понять явление сверхпроводимости надо вспомнить, что электроны и атомы в кристаллах подчинятся законам квантовой механики, согласно которой энергия может передаваться только определенными порциями - квантами. Квантованы как энергии свободных электронов в кристалле, так и колебания кристаллической решетки. Квантовый характер колебаний решетки проявляется при приближении к абсолютному нулю температур. Решетка может передать электрону только вполне определенную энергию - энергию кванта колебаний. Тогда сверхпроводимость могла бы возникнуть, если бы квант колебательной энергии был бы меньше, чем расстояние между уровнями энергии электронов. В этом случае одного кванта колебаний было бы недостаточно, для того чтобы перевести электрон на другой энергетический уровень. Однако это не так - электроны в металлах являются почти свободными и расстояние между уровнями пренебрежимо мало. Поэтому даже при очень низких температурах отдельные электроны беспрепятственно обмениваются энергией с решеткой.
Теоретически проблему сверхпроводимости в чистых металлах решили Бардин, Купер и Шриффер создав теорию, которая так и называется - теория БКШ. Они предположили, что электроны за счет взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки образуют пары, названные куперовскими. Сверхпроводящий ток - это направленное движение пар электронов, возникающее под действием электрического поля. Однако с колебаниями решетки электроны взаимодействуют по отдельности. Поэтому для того чтобы передать энергию паре, колебания решетки должны в первую очередь разрушить пару, а затем уже передать энергию одному из электронов.
Куперовские пары имеют внутреннюю симметрию, для понимания которой надо вспомнить некоторые принципы квантовой механики. Электроны подчиняются принципу Паули, т.е. в одном квантовом состоянии могут находиться не более одного электрона. Вследствие принципа Паули все электроны в твердом теле не могут иметь равные нулю импульсы. Импульсы электронов проводимости последовательно заполняют объем в пространстве импульсов, ограниченный поверхностью, которую называют Ферми поверхность. В теории твердого тела принято вместо импульса p использовать волновой вектор k, связанный с импульсом соотношением:
Р = nk
Электроны обладают еще одной, чисто квантовой степенью свободы спином. Для наглядной интерпретации спин представляют, как вращение электрона вокруг своей оси. Подобно тому, как для произвольно выбранной оси вращения существуют два направления вращения, существуют два направления спина вверх и вниз. Поэтому в каждой точке импульсного пространства могут находиться два электрона со спинами вверх и вниз. Очевидно, что вследствие принципа Паули электроны, находящиеся глубоко внутри Ферми поверхности не могут изменить свой импульс на небольшую величину, т.к. все ближайшие уровни заняты. В проводимости участвуют только электроны находящиеся вблизи Ферми поверхности. При наложении поля электроны вблизи поверхности Ферми меняют свой импульс. Принцип Паули не препятствует этому, т.к. соседние состояния свободны. Так возникает обычный ток в проводниках.
Теперь надо понять, как может возникнуть сверхпроводящий ток. Из квантовой механики известно, что при взаимодействии двух электронов возникают два энергетических уровня: один с энергией большей, чем сумма энергий двух состояний, а другой с меньшей энергией. И пара электронов занимает самый низкий энергетический уровень. Теперь уже, прежде чем передать импульс электрону, колебания решетки должны разрушить пару, а для этого энергия кванта колебаний решетки должна быть больше энергии связи пары. Таким образом, БКШ оставалось найти тип взаимодействия между электронами и определить структуру пары. Согласно теории БКШ в пару связываются два электрона с противоположными импульсами лежащими на поверхности Ферми. Полный импульс пары равен нулю. При наложении электрического поля импульсы электронов в паре немного меняются, и центр масс пары начинает двигаться в направлении, противоположном направлению вектора напряженности. Электроны в куперовской паре в обычных сверхпроводниках паре имеют противоположные спины. Такая пара называется синглетной. Энергия пары понижается за счет взаимодействия с фононами (колебаниями решетки). Последнее предположение подтверждается изотопическим эффектом. Атомы заменяли на изотопы - атомы с таким же числом протонов , но с другой атомной массой при этом менялась температура перехода. Поскольку энергия колебаний решетки зависит от массы атомов, то из наличия изотопического эффекта делают вывод о природе потенциала притяжения между электронами. Важным свойством классических БКШ сверхпроводников является также изотропность (сферическая симметричность) куперовского спаривания. Все электроны с определенной величиной импульса вне зависимости от его направления одновременно при понижении температуры образуют куперовские пары.
Сформулируем теперь основные свойства сверхпроводников, которые следуют из теории БКШ:
Куперовские пары синглетные (спины электронов в паре направлены противоположно).
Сверхпроводящее состояние сферически симметрично
Магнитные поля препятствуют сверхпроводимости.
Сверхпроводимость обусловлена электрон-фононным взаимодействием.
Сверхпроводимость наблюдается в чистых металлах.
ВИХРИ АБРИКОСОВА
Для объяснения механизма проникновения магнитного поля в поверхность сверхпроводника второго рода оказалось весьма плодотворным представление об электронных вихрях, разработанное А. А. Абрикосовым и подтвержденное экспериментально. В самом простом случае вихрь представляет собой тонкую цилиндрическую трубку (с радиусом порядка 0,1 мкм), через которую магнитный поток может проникать внутрь сверхпроводника (Рис 2). Магнитное поля поддерживается в вихре электрическими токами, которые текут вокруг оси трубки.
Рис 2. Схема смешанного состояния (шубниковская фаза). Магнитное поле и сверхпроводящие круговые токи показаны на двух нитях вихрей .
Вихрь, по сути, является отверстием в сверхпроводнике и магнитный поток , проходящий через него должен квантоваться. Согласно решению Абрикосова вихри образуют регулярную решетку, структура которой в случае смешанного состояния была установлена в экспериментах по упругому рассеянию нейтронов.
ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
В 1986 г. появилась работа Мюллера и Беднорца, в которой сверхпроводимость была обнаружена в оксидах La 1,8 Ba 0,2 CuO 4 при необычно высоких температурах T c =100 K. Этот новый тип сверхпроводимости был назван высокотемпературным ВТСП. Примечательно, что работа, за которую впоследствии дали Нобелевскую премию, была опубликована не в самом престижном физическом журнале Физикал Ревью, издающемся в США, а в немецком журнале Цайтшрифт Фюр Фюзик. Дело в том, что авторы первоначально послали статью в Физикал Ревью, но рецензенты отклонили статью: потому что сверхпроводимости в оксидах, да еще при такой высокой температуре не может быть! Аналогичная история произошла с этими же соединениями и в СССР. Эти соединения были синтезированы И. С. Шаплыгиным и В. Б. Лазаревым в Академии Наук СССР в 1979 г. Авторы обнаружили необычную температурную зависимость проводимости в этих соединениях. Проверять же на сверхпроводимость при более низких температурах не стали, потому что не могли предположить, что их образцы сверхпроводящие. Они это проверили только после Мюллера и Беднорца!
Но еще за 2-3 года до открытия ВТСП были получены сверхпроводники не с такой рекордной T c , но столь же необычные по свойствам – так называемые сверхпроводники с тяжелыми фермионами ТФСП. Это UPt 3 , (T c =0,55 K) UBe 13 (T c =0,8 K) Sr 2 RuO 4 (T c =1,5K), UPd 2 Al 3 (T c =2K), PrOs 4 Sb 12 (T c =1,85 K). ВТСП и ТФСП объединяются одним словом - необычные сверхпроводники. Согласно принятому сейчас определению, необычными называются сверхпроводники, у которых сверхпроводящее состояние не является сферически симметричным, т.е. куперовского спаривания нет в некоторых точках и на линиях поверхности Ферми. Необычные сверхпроводники экспериментально отличаются от обычных по температурной зависимости физических величин. В обычных сверхпроводниках температурная зависимость физических величин, таких как теплопроводность, экспоненциальная. В необычных сверхпроводниках температурная зависимость физических величин степенная.
Еще одним важным свойством сверхпроводящего состояния является его четность, т.е. как изменяется волновая функция пары под действием пространственной инверсии I. В школьной геометрии рассматривают фигуры центрально симметричные, которые не меняются при замене знака всех координат и фигуры, не обладающие таким свойством. В квантовой механике, если структура кристалла центрально симметричная, то возможны два состояния, характеризующиеся действием инверсии I на волновую функцию Ψ(R). Четное состояние:
Нечетное состояние:
Согласно законом квантовой механики если спины электронов в паре направлены противоположно (синглетная пара), то волновая функция четная , а если одинаково (триплетная пара), то волновая функция нечетная. Экспериментальные исследование новых типов сверхпроводников обнаружили, что во многих из них сверхпроводящее состояние имеет нечетную волновую функцию и спины электронов в паре параллельны. Это позволило сделать вывод еще об одном их необычном свойстве: сверхпроводимость в некоторых из них(UBe 13 UPt 3 Sr 2 RuO 4 , UPd 2 Al 3 PrOs 4 Sb 12) имеет триплетный характер, но некоторых, например в ВТСП –синглетная.
Межэлектронные взаимодействия всегда приводят к тому, что из-за взаимодействия двух одноэлектронных состояний возникают два возможных многоэлектронных, одно с меньшей энергией (основное), а другое с большей энергией (возбужденное) и оба электрона занимают основное состояние. Тип взаимодействия определяет, какое из состояний будет основным – синглетное или триплетное. Несмотря на то, что за прошедшие боле 20 лет создано много теорий, а число публикаций исчисляется тысячами, типы взаимодействий, приводящих к сверхпроводимости в необычных сверхпроводниках пока достоверно не известны. Известно, только то, что во многих ТФСП взаимодействие электронов в паре связано с магнетизмом. Некоторые атомы в кристаллах имеют собственные магнитные моменты, связанные с тем, что спины атомных электронов ориентированны параллельно. Моменты соседних атомов могут ориентироваться параллельно – такая структура называется ферромагнитной, или антипараллельно – такая структура называется антиферромагнитной. Во многих необычных сверхпроводниках (например UBe 13 , UPt 3) при понижении температуры до приблизительно 10T c наблюдается антиферромагнитной переход. Сосуществование антиферромагнитной структуры и сверхпроводимости достоверно наблюдается в UPd 2 Al 3 , а в Sr 2 RuO 4 , и PrOs 4 Sb 12 обнаружены спонтанные магнитные поля. Таким образом, если в БКШ сверхпроводниках магнитное поле разрушает сверхпроводимость, то в необычных сверхпроводниках внутренние магнитные поля каким-то образом поддерживают сверхпроводимость.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сформулируем теперь 5 основных особенностей необычных сверхпроводников:
Куперовские пары могут быть как синглетными так и триплетными.
Сверхпроводящее состояние не является сферически симметричным. На Ферми поверхности существуют линии, и точки где отсутствует куперовское спаривание.
Сверхпроводимость каким-то образом связана с магнитной структурой кристалла.
Конкретные взаимодействия приводящие к сверхпроводимости неизвестны, понятно только что природа этих взаимодействий может различаться.
Сверхпроводимость наблюдается в интерметаллических соединениях и в ионных кристаллах.
Мы видим, что эти пять особенностей необычных сверхпроводников коренным образом отличаются от особенностей обычных сверхпроводников. Существующая теория (теория БКШ), правильно описывает частный случай, но не является всеобщей. Последующие исследования опровергли многие из ее общих выводов, но не опровергли ее логику. Это вселяет надежду, что проблема высокотемпературной сверхпроводимости будет решена и будут созданы сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.
Другим перспективным направлением исследований механизма высокотемпературной сверхпроводимости является изучение механизма сальтаторной проводимости нейронов, имеющих спиральные миелиновые оболочки . По-видимому, для них может быть применен формализм модели квантовых вихрей Абрикосова.
ЛИТЕРАТУРА
Ципенюк Ю. М. Физические основы сверхпроводимости. - М.:1996.
Холманский А. С. Моделирование физики мозга //Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. – Т. 5. – Вып. 4. - 2006. - URL: www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12-html/holmansky-4/holmansky-4.htm
The Problems of hightemperature overconduction
Lobach
ev V.V., Yargemskiy V. G., Kholmanskiy A. S.
Review of some problems of hightemperature overconduction carry out.
*Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ).
**Московский государственный медико-стоматологический университет (МГМСУ)
Явление сверхпроводимости заключается в том, что при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы полностью теряют электросопротивление.Явление сверхпроводимости в материалах
Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 году голландский ученый . С тех пор ведутся интенсивные поиски новых сверхпроводящих материалов , которые бы позволили использовать это явление в конкретных устройствах с максимальной энергетической и экономической выгодой. Голландский ученый Г. Камерлинг-Онкес - открыл явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость открывает фантастические перспективы перед электротехникой, энергетикой, транспортом. Ведь если сопротивление проводника равно нулю, то по нему можно пропускать сколь угодно большой ток, и при этом совершенно не будет потерь на нагревание. Это мечта электротехников! Из-за нагрева обычных проводов безвозвратно теряется до 20 % всей вырабатываемой электроэнергии, а в линиях электропередач из сверхпроводников потери будут мизерными. Американский профессор Ричард Мак-Фи подсчитал, что сверхпроводящий кабель толщиной в руку может справиться со всей пиковой мощностью, вырабатываемой электростанциями США. Открывается возможность получения сверхмощных магнитных полей , которые так необходимы при создании термоядерных реакторов, уникальных конструкций генераторов тока, новых физических приборов, поездов на магнитной подушке и многих других полезных вещей.Явление сверхпроводимости в композитах
Создавая композиты , можно формировать необходимые физические свойства и тем самым решать разнообразные физические задачи. Одна из них - создание сверхпроводящих устройств . Это очень большая проблема, в работе над ней участвуют люди разных профессий. Задача для физиков и химиков - получение веществ, обладающих сверхпроводимостью. А использование уже известных сверхпроводящих материалов для создания определенного изделия - сверхпроводящего провода - типичная задача для материаловедов.Сверхпроводящий провод - композит
Многолетние теоретические и экспериментальные исследования привели физиков к такому заключению относительно конструкции сверхпроводящих проводов: обеспечить надежную работу сверхпроводящего провода можно в том случае, если он будет представлять собой композит , состоящий из теплопроводной (например, медной) матрицы, в которой равномерно распределены непрерывные сверхпроводящие, волокна, ориентированные вдоль оси провода.
Сверхпроводящий медный провод.
Желательно, чтобы диаметр этих волокон не превышал нескольких микрометров, а их количество измерялось тысячами или десятками тысяч. При этом объемная концентрация волокон в матрице должна составлять 5-7 % , а диаметр всего провода - быть порядка 1 мм.
Сверхпроводящие волокна
Задача материаловедов - научиться получать такой провод, задача непростая. Дело в том, что традиционные методы для ее решения не годятся:- Нет сверхпроводящих волокон микрометрового диаметра, имеющих к тому же длину сотни метров или километров.
- Если бы даже таковые существовали, вряд ли удалось бы гарантировать, что они где-то не порвутся в процессе переработки, а это значит, что не было бы уверенности в качестве композита и в его надежности.
Бронза как материал для создания сверхпроводимого волокна.
Недостаток бронзовой матрицы - пониженная тепло- и электропроводность по сравнению с медью. Уменьшить этот недостаток можно за счет использования смешанной матрицы, включающей наряду с бронзой чистую медь. Но при нагреве медь может реагировать с оловом, что опять ухудшит ее электро- и теплофизические показатели. Чтобы этого не произошло, нужно между медью и бронзой поставить барьеры, которые заодно будут снижать вихревые токи. Удобен для этой цели тантал.
Как выглядит провод, содержащий волокна Nb 3 Sn. Схематически его структура состоит из 19 многоугольников, форма которых близка к шестиугольной,- это проволоки из композита бронза - Nb 3 Sn. Все они расположены в медной матрице. Сечение одной такой проволоки состоит из 187 групп, содержащих волокна из Nb 3 Sn, причем в каждой группе по 19 таких волокон, а между ними - бронзовая матрица. Всего в композитном проводе содержится 67 507 волокон диаметром ~ 5 мкм (вернее, каждое волокно состоит из ниобиевого сердечника, покрытого слоем Nb 3 Sn толщиной ~ 1 мкм).
В завершение процесса изготовления всему композиту придается прямоугольное сочетание, чтобы его можно было плотно намотать на сердечник. Такой прямоугольный композитный проводник, имеющий поперечное сечение 1,75x5,46 мм, способен пропускать ток 5000 А в поле 6 Т и 1250 А в поле 12 Т.
Но требования техники с каждым годом повышаются, и для их удовлетворения необходимы материалы с еще более высокими свойствами. А значит, нужно идти дальше, выдвигать новые идеи, разрабатывать новые технологии, создавать новые
Благодаря этим исследованиям у нас появились сверхбыстрые поезда, томографы, суперкомпьютеры и даже адронный коллайдер. Кроме того, в 2008 году в Нью-Йорке была запущена первая в мире сверхпроводящая линия электропередачи. Её пропускная способность в 10 раз больше по сравнению с обычными медными проводниками.
В чем же особенность этого явления и что рождает сверхпроводимость?
1. Неожиданное открытие
Всё началось более века назад — в 1911 году, когда нидерландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес в ходе обычного эксперимента обратил внимание на странное поведение паров ртути. Учёный хотел выяснить, как меняется электрическое сопротивление вещества при низких температурах.
Хейке Камерлинг-Оннес
Нидерландский учёный, директор первой в мире криогенной лаборатории в Лейдене (Нидерланды), пионер в области криофизики, имевший среди современников прозвище «Господин Абсолютного Нуля». Известен своими работами по получению жидких форм веществ, в особенности гелия, кислорода и водорода при сверхнизких температурах.
В то время считалось, что сопротивление металлов снижается пропорционально с понижением температуры, то есть имеет линейную зависимость. Сопротивление при достижении нуля Кельвин будет иметь хоть и малое, но ненулевое значение. Но тут природа подготовила сюрприз и к удивлению Камерлинг-Оннеса, а после и всего мирового научного сообщества, было выяснено, что уже при температуре 4,15 Кельвин (–269°C) электрическое сопротивление ртути достигает… нуля! Да, сопротивление исчезло полностью, то есть ток двигался беспрепятственно! Почему?
Что такое ток?
Ток — это упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц, в основном в металлах. Их высокая проводимость связана с тем, что в них очень много свободных электронов, которые собираются в облако, называемое электронным газом. Оно беспорядочно «плавает» по металлической решётке. Но беспорядок продолжается лишь до тех пор, пока мы не подадим электрическое поле. Тут же электроны, которые хаотично двигались, становятся в строй и идут в направлении, которое укажем ему мы, создав разность потенциалов на концах проводника.
Слово «упорядоченное» в определении тока имеет далеко условный характер. Да, направление у электронного газа одно, но движутся они к нему беспорядочно.
Аналогия из жизни
Представьте вечерний час пик в вашем городе. У горожан закончился рабочий день, и они едут на своих автомобилях домой. Направление одно — дом, но кто-то кого-то подрежет, кто-то зазевается на перекрёстке, сломался светофор — и вот тебе километровый затор. Точно так же и свободно движущиеся электроны встречают на своём пути массу преград, например, другие электроны или атомы, или дефекты в проводнике. Одним словом, тормозных элементов достаточно.
Ударяясь, электроны теряют скорость и тем самым энергию, которая выделяется в виде тепла. Именно эта потеря энергии (в виде тепла) является самой большой головной болью электротехников. Ведь при передаче электрической энергии по проводам от станции до домов более 10% полезной энергии попросту «теряется». Эта проблема повсеместна. В масштабах всей планеты речь идёт об огромных цифрах впустую потраченных денег.
Движение электронов в проводнике
Плачевная картина, не правда ли? Сверхпроводимость же обещает нулевые потери. Для этого необходимо выполнить одно условие.
2. Что необходимо для сверхпроводимости
Условие следующее — надо «всего лишь» снизить температуру проводника до температуры жидкого гелия. Но почему именно это условие?
С 1911 года, когда была открыта сверхпроводимость, был собран огромный экспериментальный багаж, открыты десятки «чистых» сверхпроводников и их сплавов, появлялись даже идеи промышленного использования данного явления, но… стройной теории, объясняющей природу сверхпроводимости, всё не было. Такой беспорядок продолжался до 1957 года, когда американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шрифф предложили теорию, названную впоследствии теорией БКШ (отгадайте почему?).
Для того, чтобы понять суть теории, снова вернёмся в микромир. Сверхпроводник изнутри — это куча положительно заряженных атомов, выстроенных по порядку и электронный газ, перемещающийся по этим атомам. Для объяснения нам понадобится самый главный принцип электростатики: разноимённые заряды притягиваются («+» «–»), одноимённые («+» «+»; «–» «–») — отталкиваются. В нашем проводнике ион — положительный, а электрон — отрицательный.
Поведение электронов при сверхнизкой температуре
Теория БКШ утверждает, что электроны в сверхпроводнике двигаются парами (Куперовская пара) — просто потому что так выгодно. Выгода состоит в следующем. Первый электрон, пролетая между положительными ионами, притягивает их и, как следствие, ионы подходят слишком близко друг к другу, поэтому в зоне между ними образуется область избыточного положительного заряда. Естественно, второй электрон, который идёт по пятам за первым, притянется к этой области, а затем и к первому электрону, с такой мощной силой, что никакие преграды ему нипочём.
Проведём мысленно эксперимент. Представьте, что у вас имеются два бильярдных шара, соединённых прочной пружиной. Удерживая первый шар на одном месте рукой, оттянем второй на максимальное расстояние. Потом, крепко удерживая оба шара, отпустим первый. Что случится? Первый шар просто улетит с большой скоростью ко второму, а затем унесёт его с собой. Такое движение происходит постоянно, один тянет другого за счёт натяжения пружины.
Тот же принцип и в теории БКШ. Натяжение пружины в случае проводника — это кулоновская сила притяжения между положительно заряженной зоной ионов и электронной парой. Не забывайте, что мы наблюдаем металл при сверхнизкой температуре. В таких условиях почти полностью отсутствуют какие-либо колебательные движения ионов (которые типичны при нормальной температуре) и хаотичное тепловое движение частиц. При температуре в паре Кельвин энергия — дефицит, а потому никто из участников проводимости не будет его тратить на такие «мелочи» как столкновение. Себе дороже. А значит преград никаких нет и электронные пары, также имеющие минимум энергии, двигаются за счёт «электростатической» пружинки.
3. В чём польза
Пора перейти из абстракций теоретиков к прагматичным практикам. В чём польза сверхпроводимости? Охлаждать провода жидким гелием на сегодняшний день всё равно что использовать спорткар для перевозки дров — абсурдно и дорого. Должно быть ещё что-то полезное в данном эффекте… Три слова: эффект Мейснера-Оксенфельда.
Вальтер Мейснер
Немецкий учёный, основатель первой в Германии и третьей в мире криолаборатории. Основные работы посвящены физике низких температур. Открыл сверхпроводимость многих сплавов. В 1933 году наблюдал вытеснение магнитного поля из сверхпроводников.
Роберт Оксенфельд
Немецкий учёный, совместно с Вальтером Мейснером является основоположником немецкой криофизики.
В 1933 году немецкие учёные Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при низких температурах левитируют над магнитами. Всё дело в том, что обычные вещества при попадании в магнитное поле не сопротивляются и «пропускают» его сквозь себя. Сверхпроводники же создают собственное «ответное» магнитное поле, которое компенсирует также и силу тяжести образца. Результат — материал парит в воздухе.
Эффект Мейснера-Оксенфельда
При наложении магнитного поля на обычный проводник появляется сопротивление, которое быстро затухает, и магнитное поле пронизывает проводник. Однако при охлаждении до критической температуры проводник становится сверхпроводником, и магнитное поле выталкивается.
Сверхпроводящие магниты (или сверхмагниты) впоследствии оказались крайне полезны для создания стабильного сильного магнитного поля, так как при создании такого поля обычными электромагнитами, устройство либо выходит из строя от нагрузок, либо полем невозможно управлять.
За счёт выталкивания магнитного поля сверхпроводником, последний обладает способностью левитировать над источником поля
Сверхпроводимость — далеко не полностью изученный природный феномен, обещающий огромные технологические перспективы. И хотя эффект открыт больше ста лет назад, новые исследования по поиску высокотемпературных сверхпроводников продолжаются до сих пор, а значит сверхпроводимость была и остаётся одной из самых перспективных тем для учёных.
