Краткий обзор теорий сверхпроводимости и проанализированы проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Сверхпроводимость - Знания по физике и не только — ЖЖ В чем проявляется явление сверхпроводимости

Чудо сверхпроводимости (авт. Валерий Старощук)

Немного теории

Уже первые опыты с электричеством показали, что серебро, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток, а фарфор, стекло, резина и шелк его практически не проводят. Соответственно, из первых материалов люди стали делать проводники, а из вторых - изоляцию для проводов и защиту от поражения электрическим током. На фото вы видите современный сетевой двужильный провод. Каждая жила состоит из семи медных проволочек заключенных в пластиковую изоляцию. Учитывая, что провод работает при опасном напряжении 220В, две изолированные жилы покрыты еще одним общим слоем пластиковой изоляции.

Когда по проводнику проходит электрический ток, он разогревается. Это свойство используют в нагревательных приборах, таких как утюг, чайник, в электробатареях, а также в лампах накаливания. На фото вы видите вольфрамовую нить, которая так разогрелась под действием тока, что начала излучать свет.

Сейчас все чаще применяют энергосберегающие люминесцентные лампы, но и в них есть маленькая нить накала для излучения электронов.

Если по проводнику идет ток, он не только нагревается, но и создает вокруг себя магнитное поле. Это свойство первым заметил и описал в 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед. На фото вы видите, как под действием магнитного поля железные опилки выстраиваются вокруг медного проводника с током.

Магнитное поле тока используют в работе электродвигателя, генератора и электромагнита.

Итак, если по проводнику идет ток, то энергия источника тока превращается в тепловую и энергию электромагнитного поля. Иногда это нужно и полезно, а иногда просто вредно. Например, зачем нам нагревание и магнитное поле провода, которым мы подключили утюг к розетке? Греются также провода, по которым электрический ток от электростанции идет к нашим домам. Чтобы уменьшить эти потери энергии, сопротивление проводника стараются сделать как можно меньше.

Так как электрическое сопротивление образца сильно зависит от материала, из которого он сделан, температуры и геометрических размеров, решили измерять удельное сопротивление , то есть сопротивление образца из данного материала длиной 1м, площадью поперечного сечения 1мм 2 при 20 0 С. Например, удельное сопротивление меди равно r = 0,0125 Ом·мм 2 /м. Это значит, что если вы возьмете проводник из меди (Cu) длинной 1 м и площадью сечения 1мм 2 , то его сопротивление электрическому току будет 0,0125 Ом. Сопротивление дает возможность узнать, какой ток пройдет по проводнику для данного напряжения. Например, если напряжение на концах нашего образца будет равно 0,1В, то через него пойдет ток I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Для наглядности представим электроны в виде бегущих синих человечков.

Тогда при токе 8А за одну секунду их забежит в проводник 5·10 19 (50 миллиард миллиардов!). Это почти в 70 миллиардов раз больше, чем людей на планете Земля. Обратите внимание, что выбежит из проводника их за секунду столько же. Договорились, что направление тока определяют по движению положительно заряженных частиц. Но в металлах ток проводят отрицательные электроны, поэтому направление тока показано противоположно скорости электронов. В проводнике находятся положительные ионы меди, с которыми наши электроны-человечки играются, хватая руками. Ведь между отрицательными электронами и положительными ионами существуют силы притяжения. Забрать ион с собой человечку-электрону не удастся, так как ионы намного тяжелее электронов и крепко связаны силами между собой в кристаллической решетке. А вот раскачать ионы нашим «человечкам» будет под силу. При этом электроны теряют свою скорость, а значит и энергию движения, а проводник соответственно нагревается.

История открытия

Голландский ученый Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) (на фото справа) решил первым в мире достичь в своих экспериментах абсолютный ноль по шкале Кельвина (примерно минус 273 градуса по Цельсию). Как вы знаете, в природе не существует температуры ниже. Сорокалетний ученый, используя свои связи с голландскими промышленниками в 1893 году начинает строительство в Лейденском университете одной из лучших лабораторий в мире, которую оснастил самым современным оборудованием. Первый успех пришел 10 июля 1908 года, когда удалось получить жидкий гелий при 5К (это минус 268 градусов Цельсия!). Через 2 года напряженного труда они получают температуру 1К! И тут ученый понимает, что это предел, который можно достичь на данном оборудовании, поэтому принимается решение изменить направление научной работы. Теперь все силы были направлены на изучение физических свойств разных материалов при низких температурах. Естественно, один из пунктов программы включал измерение удельного электрического сопротивления материала. Многие ученые того времени высказывали предположение, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. Якобы свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Но физика - наука, прежде всего экспериментальная! Опыты Хейке Камерлинг Оннеса показали, что у платины с понижением температуры сопротивление не растет, а падает, и после 4К остается постоянным. Ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в платине есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был.

8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннес, с ассистентами Корнелисом Дорсманом (Cornelis Dorsman) и Гиллесом Хольстом (Gilles Holst) проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала думали только заправить жидким гелием, но потом установили газовый термометр и два образца из золота и ртути, чтобы измерить их удельное сопротивление. Измерив сопротивление металлов при 4,3К, решили уменьшить давление в криостате над гелием. Гелий начал быстро испаряться, и температура упала до 3К. Эксперимент длился уже 9 часов! При повторном измерении сопротивление ртути оказалось равным нулю! Так была открыта сверхпроводимость!

На фото вы видите историческую запись ученого, сделанную в тот день. В рамку взята голландская фраза Kwik nagenoeg nul — «Сопротивление ртути практически нулевое» (3 К). Следующее предложение Herhaald met goud означает «Повторено с золотом».

Критическая температура перехода ртути в сверхпроводящее состояние в тот день не была определена, да такой задачи и не ставилось. Ее выяснили в следующем эксперименте, проведенном 11 мая. Камерлинг-Оннес тогда пришел к выводу, что ртуть делается сверхпроводником при охлаждении до 4,2 К.

В дальнейшем открытия пошли одно за другим. В 1912 году открыли еще два сверхпроводника - свинец и олово. В 1914 понимают, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В том же году проводят эффектный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца. В нем кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания. Само кольцо становится магнитом.

В 1919 году из Лейдена пришла весть, что сверхпроводниками становятся также таллий и уран.

Объяснение сверхпроводимости

Объяснить явление сверхпроводимости с точки зрения классической электродинамики невозможно. Только с развитием квантовой физики в 1957 году (спустя 46 лет после открытия!) три американских физика - Бардин, Купер и Шриффер, объяснили сверхпроводимость спариванием электронов, то есть образованием куперовских пар, которое осуществляется за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки - фононами.

Чтобы понять, как образуются куперовские пары, рассмотрим очень упрощенную модель прохождения тока в сверхпроводнике.

Красными кружками обозначены положительные ионы кристаллической решетки.

Когда электрон А под действием электрического поля движется в пространстве решетки, он немного искривляет её. В результате концентрация положительных ионов за ним возрастает. Скопление положительных ионов притягивает отрицательный электрон В с силой F. В результате энергия, которую потратил электрон А на прохождение ионной кристаллической решетки, передается через колебания решетки электрону В. Получается, что электроны А и В связаны между собой через ионную решетку, образуют пару и вместе не тратят энергии при движении. Сопротивление току в этом случае равно нулю.

Применение сверхпроводников

Современная наука уже получила материалы, которые обладают сверхпроводимостью при 165К (минус 107 0 С). Если будут получены материалы обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, это будет огромный скачок в развитии человечества. Ведь одну треть электроэнергии мы тратим во время её передачи от источника потребителю. Пока же сверхпроводники приходится охлаждать жидким азотом.

С другой стороны, без них уже трудно представить работу Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, и строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше.

Сверхпроводимость характеризуется также эффектом Мейснера , заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. В результате образец, как видно на фото, зависает над магнитом.

На основе этого явления уже созданы поезда на магнитной подушке, которые могут разгоняться до скорости 500 км/ч.

Мощные магниты на сверхпроводниках используют в медицине при создании томографов, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сканирование тканей человека позволяет врачам увидеть на экране компьютера срез внутренностей, не оперируя больного. Такой метод позволяет быстро поставить правильный диагноз, а значит быстрее вылечить пациента.

Современная квантовая теория сверхпроводимости принципиально не ограничивает значение температуры, при которой наблюдается этот эффект. Значит дело за созданием новых материалов и соединений, которые, возможно, в скором будущем откроете вы.

В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум», т.е. уменьшить температуру.

Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рис. 1.

Электрический ток — это движение заряженных частиц. Уже в то время было известно, что электрический ток в твердых телах — это поток электронов. Они заряжены отрицательно и намного легче, чем атомы, из которых состоит всякое вещество.

Каждый атом в свою очередь состоит из положительно заряженного ядра и электронов, взаимодействующих с ним и между собой по закону Кулона. Каждый атомный электрон занимает определенную «орбиту». Чем ближе «орбита» к ядру, тем сильнее электрон притягивается к нему, тем большая энергия требуется, чтобы оторвать такой электрон от ядра. Наоборот, самые внешние от ядра электроны наиболее легко отрываются от него, хотя и для этого нужно затратить энергию.

Внешние электроны называются валентными. В веществах, именуемых металлами, они действительно отрываются от атомов, когда те объединяются в твердое тело, и образуют газ почти свободных электронов. Это простая, красивая и часто оказывающаяся правильной физическая картина: кусок вещества представляет собой как бы сосуд, в котором находится «газ» электронов (рис. 2).

Если мы создали электрическое поле — приложили к исследуемому кусочку вещества напряжение, в электронном газе возникнет ветер как бы под действием разности давлений. Этот ветер и есть электрический ток.

Металлы

Отнюдь не все вещества хорошо проводят электрический ток. В диэлектриках валентные электроны остаются «привязанными» к своим атомам и не так-то просто заставить их двигаться через весь образец.

Довольно сложно объяснить, почему одни вещества оказываются металлами, а другие — диэлектриками. Это зависит от того, из каких атомов они составлены и как эти атомы расположены. Иногда возможны превращения, когда расположение атомов меняется, например, под действием давления атомы сближаются и диэлектрик становится металлом.

Через диэлектрики ток не течет, но и в металлах электроны движутся не вполне свободно. Они наталкиваются на атомные «остовы», от которых «оторвались», и рассеиваются на них. При этом возникает трение или, как говорят, электрический ток испытывает сопротивление .

При сверхпроводимости сопротивление исчезает, становится равным нулю, т.е. движение электронов происходит без трения. Между тем опыт нашей повседневной жизни показывает, казалось бы, что такое движение невозможно.

На разрешение этого противоречия были направлены работы физиков на протяжении десятков лет.

Открытое свойство настолько необычно, что металлы, обладающие сопротивлением, в противоположность сверхпроводникам называются нормальными .

Сопротивление

Электрическое сопротивление куска металла (например, проволоки) измеряется в омах и определяется размерами и материалом образца. В формуле

R = ρ × l / S

R — сопротивление, l — длина (размер образца в том направлении, в котором течет ток), S — поперечное сечение образца. Написав такую формулу, мы как бы продолжаем сравнивать электроны с газом: чем шире и короче труба, тем легче продуть через нее газ.

Величина ρ — удельное сопротивление, характеризующее свойства материала, из которого выполнен образец.

У чистой меди при комнатной температуре ρ = 1,75·10 -6 Ом·см.

Медь — один из наиболее хорошо проводящих ток металлов, она очень широко используется для изготовления электрических проводов. Некоторые другие металлы при комнатной температуре проводят электрический ток хуже:

Для сравнения приведем удельные сопротивления некоторых диэлектриков, тоже при комнатной температуре:

При понижении температуры T удельное сопротивление меди постепенно понижается и при температуре несколько кельвинов составляет 10 -9 Ом·см, но сверхпроводником медь не становится. А алюминий, свинец, ртуть переходят в сверхпроводящее состояние, и проведенные с ними опыты показывают, что удельное сопротивление сверхпроводника во всяком случае не превышает 10 -23 Ом·см — в сто триллионов раз меньше, чем у меди!

Остаточное сопротивление

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Условный график ρ(T ), скажем, для меди, вы видите на рис. 3. Чем выше температура, тем больше сопротивление, тем сильнее колеблются составляющие металл атомные «остовы» и тем большую помеху они представляют для электрического тока. Если, наоборот, приближать температуру к абсолютному нулю, сопротивление образца будет «стремиться» к ρ 0 — остаточному сопротивлению. Остаточное сопротивление зависит от совершенства и состава образца. В любом веществе встречаются посторонние атомы-примеси, а также всевозможные другие дефекты. Чем меньше в образце дефектов, тем меньше остаточное сопротивление. Именно эта зависимость интересовала Оннеса в 1911 году. Он вовсе не искал «сверхпроводимость», а пытался выяснить, сколь малым можно сделать остаточное сопротивление, очищая образец. Он проводил опыты с ртутью, потому что в то время ртуть можно было довести до большей степени чистоты , чем платину, золото или медь (эти металлы являются лучшими проводниками, чем ртуть, и Оннес изучал их перед открытием сверхпроводимости. Ни золото, ни платина, ни медь не «сверхпроводят»).

Критическая температура

Сверхпроводимость возникает скачком при понижении температуры. Температура T c , при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур (рис. 4). Трение движущихся электронов исчезает независимо от «чистоты» образца, но чем образец «чище», тем резче скачок сопротивления, его ширина в самых «чистых» образцах меньше сотой доли градуса. В этом случае говорят о «хороших» образцах или сверхпроводниках; в «плохих» образцах ширина перехода может достигать десятков градусов. (Это, конечно, относится к так называемым высокотемпературным сверхпроводникам, у которых T c достигает сотен кельвинов.)

Критическая температура своя для каждого вещества. Эта температура и год обнаружения сверхпроводимости (точнее, год опубликования статьи об этом) указаны на рис. 5 для нескольких чистых элементов. У ниобия самая высокая (при атмосферном давлении) критическая температура из всех элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева, хотя и она не превышает 10 К.

Еще Оннес не только обнаружил сверхпроводимость ртути, олова и свинца, но и нашел первые сверхпроводящие сплавы — сплавы ртути с золотом и оловом. С тех пор эта работа продолжалась, «на сверхпроводимость» проверялись всё новые соединения и постепенно класс сверхпроводников расширялся.

Низкие температуры

Исследование сверхпроводимости шло очень медленно. Для наблюдения явления нужно было охлаждать металлы до низких температур, а это не так просто. Образец должен охлаждаться постоянно, для чего его помещают в охлаждающую жидкость. Все жидкости, известные нам из повседневного опыта, при низких температурах замерзают, отвердевают. Поэтому необходимо ожижить вещества, которые при комнатных условиях являются газами. На рис. 6 указаны температуры кипения T b и плавления T m пяти веществ (при атмосферном давлении).

Если понижать температуру ниже T b , вещество ожижается, а ниже T m оно отвердевает. (Гелий при атмосферном давлении остается жидким вплоть до абсолютного нуля температур.) Так что для наших целей какое-либо из указанных веществ можно использовать в промежутке между T b и T m . До 1986 года максимальная известная критическая температура сверхпроводимости едва превышала 20 К, поэтому при исследовании сверхпроводимости нельзя было обойтись без жидкого гелия. В качестве охладителя также широко применяется азот. Азот и гелий используются на последовательных ступенях охлаждения. Оба эти вещества нейтральны и безопасны.

Ожижение гелия — сама по себе интереснейшая и увлекательная проблема, решением которой занимались многие физики на рубеже XIX-XX вв. Цели достиг Оннес в 1908 году. Специально для этого он создал лабораторию в Лейдене (Нидерланды). В течение 15 лет лаборатория обладала монополией на уникальные исследования в новой области температур. В 1923-1925 гг. жидкий гелий научились получать еще в двух лабораториях мира — в Торонто и в Берлине. В Советском Союзе такое оборудование появилось в начале 1930-х гг. в Харьковском физико-техническом институте.

После Второй мировой войны постепенно во многих странах развивалась целая отрасль промышленности по обеспечению лабораторий жидким гелием. До этого всё находилось на «самообслуживании». Технические затруднения и физическая сложность явления приводили к тому, что знания о сверхпроводимости накапливались очень медленно. Только через 22 года после первого открытия было обнаружено второе фундаментальное свойство сверхпроводников.

Эффект Мейснера

О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в 1933 году.

До сих пор мы называли сверхпроводимостью исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейснера заключается в том, что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.

При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводимости:

в сверхпроводнике обращается в нуль электрическое сопротивление;
из сверхпроводника выталкивается магнитное поле.

В некоторых случаях в «грязных» сверхпроводниках падение сопротивления с температурой может быть гораздо более растянутым, чем это изображено на рис. 1 для ртути. В истории исследований неоднократно бывало так, что физики принимали за сверхпроводимость падение сопротивления по каким-то другим причинам, например вследствие обычного короткого замыкания.

Для доказательства существования сверхпроводимости необходимо наблюдать проявления по меньшей мере обоих главных ее свойств. Весьма эффектный опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, представлен на рис. 7: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году.

В сверхпроводнике возникают выталкивающие магнитное поле токи, их магнитное поле отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Существенны и стенки чашечки, которые отталкивают магнит к центру. Над плоским дном положение магнита неустойчиво, от случайных толчков он уйдет в сторону. Такой парящий магнит напоминает легенды о левитации. Наиболее известна легенда о гробе религиозного пророка. Гроб, помещенный в пещеру, парил там в воздухе без всякой видимой поддержки. Сейчас нельзя с уверенностью сказать, основаны ли подобные рассказы на каких-либо реальных явлениях. В настоящее время с помощью эффекта Мейснера технически возможно «осуществить легенду».

Магнитное поле

Современная физика использует понятие поля для описания воздействия одного тела на другое на расстоянии, без непосредственного соприкосновения. Так, посредством электромагнитного поля взаимодействуют заряды и токи. Всем, кто изучал законы электромагнитного поля, известен наглядный образ поля — картина его силовых линий. Впервые этот образ использовал английский физик М. Фарадей. Для наглядности полезно вспомнить еще один образ поля, использованный другим английским физиком — Дж. К. Максвеллом.

Представьте себе, что поле — движущаяся жидкость, например вода, текущая вдоль направлений силовых линий. Попытаемся описать с ее помощью взаимодействие зарядов по закону Кулона. Пусть есть бассейн, для простоты плоский и мелкий, его вид сверху изображен на рис. 8. В дне выполнены два отверстия: через одно вода поступает в бассейн (это как бы положительный заряд), а через другое вытекает (это сток, или отрицательный заряд). Текущая в таком бассейне вода изображает электрическое поле двух неподвижных зарядов. Вода прозрачна, и ее течение для нас незаметно. Но внесем в струи «пробный положительный заряд» — шарик на ниточке. Мы сразу почувствуем силу — жидкость увлекает шарик за собой.

Вода относит шарик от источника — одноименные заряды отталкиваются. К стоку, или заряду другого знака, шарик притягивается, причем сила между зарядами зависит от расстояния между ними, как и положено по закону Кулона.

Токи и поля в сверхпроводниках

Для того чтобы разобраться в поведении токов и полей в сверхпроводниках, нужно вспомнить закон магнитной индукции. Сейчас для наших целей полезнее дать ему более общую формулировку, чем в школьном курсе физики. Закон магнитной индукции говорит вообще-то о взаимоотношении электрического и магнитного полей. Если представить электромагнитное поле как жидкость, то взаимоотношение электрической и магнитной компонент поля можно представлять как взаимоотношение спокойного (ламинарного) и вихревого течения жидкости. Каждое из них может существовать само по себе. Пусть перед нами, например, спокойный широкий поток — однородное электрическое поле. Если попробовать изменить это поле, т.е. как бы затормозить или ускорить жидкость, то обязательно появятся вихри — магнитное поле. Изменение магнитного поля всегда ведет к появлению электрического поля, а электрическое поле вызывает в проводящем контуре ток, это и есть обычное явление магнитной индукции: изменение магнитного поля наводит ток. Именно этот физический закон работает на всех электростанциях мира, тем или иным способом вызывая изменения магнитного поля в проводнике. Возникающее электрическое поле порождает ток, который поступает в наши дома и на промышленные предприятия.

Но вернемся к сверхпроводникам. Постоянный ток в сверхпроводнике не нуждается в присутствии электрического поля, и в равновесной ситуации электрическое поле в сверхпроводнике равно нулю. Такое поле ускоряло бы электроны, а никакого сопротивления, трения, которое уравновесило бы ускорение, в сверхпроводниках нет. Сколь угодно малое постоянное электрическое поле привело бы к бесконечному возрастанию тока, что невозможно. Электрическое поле возникает только в несверхпроводящих участках цепи. Ток в сверхпроводниках течет без падения напряжения.

При мысленных рассуждениях не выявляется ничего, что могло бы препятствовать существованию магнитного поля в сверхпроводнике. Однако ясно, что сверхпроводник будет мешать магнитному полю изменяться. Действительно, изменение магнитного поля порождало бы ток, который создавал бы магнитное поле, компенсирующее первоначальное изменение.

Итак, любой контур из сверхпроводника должен сохранять текущий сквозь него поток магнитного поля. (Магнитный поток через контур есть просто произведение напряженности магнитного поля на площадь контура.)

То же самое должно происходить и в толще сверхпроводника. Поднесем, например, к сверхпроводящему образцу магнит — его магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник. Любая такая «попытка» приводит к возникновению тока в сверхпроводнике, магнитное поле которого компенсирует внешнее поле. В итоге магнитное поле в толще сверхпроводника отсутствует, а по поверхности течет именно такой ток, какой для этого требуется. В толще обычного проводника, который вносят в магнитное поле, всё происходит точно так же, однако там есть сопротивление и наведенный ток довольно быстро затухает, а его энергия переходит в теплоту из за трения. (Эту теплоту очень просто обнаружить на опыте: приблизьте руку к работающему трансформатору, и вы почувствуете исходящее от него тепло.) В сверхпроводнике сопротивления нет, ток не затухает и «не пускает» магнитное поле внутрь сколь угодно долго. Описанная картина точна и многократно подтверждена на опыте.

Теперь выполним другой мысленный опыт. «Возьмем» тот же кусок сверхпроводящего вещества, но при достаточно высокой температуре, когда оно еще находится в нормальном состоянии. Внесем его в магнитное поле и подождем, пока всё успокоится, токи затухнут — вещество пронизывает магнитный поток. Будем понижать температуру, ожидая, когда вещество перейдет в сверхпроводящее состояние. Кажется, что понижение температуры не должно повлиять на картину магнитного поля. Магнитный поток в сверхпроводнике не должен меняться. Если убрать магнит — источник внешнего магнитного поля, то сверхпроводник должен этому сопротивляться и на поверхности должны возникнуть сверхпроводящие токи, поддерживающие магнитное поле внутри вещества.

Однако такое поведение совершенно не соответствует тому, что наблюдается на опыте: эффект Мейснера будет иметь место и в этом случае. Если охлаждать нормальный металл в магнитном поле, то при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. На его поверхности при этом появляется незатухающий ток, который обеспечивает нулевое магнитное поле в толще сверхпроводника. Описанная картина сверхпроводящего состояния наблюдается всегда — независимо от того, каким способом совершен переход в это состояние.

Конечно, это описание предельно идеализировано и по ходу изложения мы будем его усложнять. Но уже сейчас стоит упомянуть о том, что существуют два рода сверхпроводников, которые по-разному реагируют на магнитное поле. Мы начали рассказывать о свойствах сверхпроводников I рода, с открытия которых и началась сверхпроводимость. Позднее были открыты сверхпроводники II рода с несколько иными свойствами. В основном с ними связаны практические применения сверхпроводимости.

Идеальный диамагнетизм

Выталкивание магнитного поля столь же удивительно для физика, как и отсутствие сопротивления. Дело в том, что постоянное магнитное поле обычно проникает всюду. Ему не препятствует экранирующий электрическое поле заземленный металл. В большинстве случаев граница тела для магнитного поля — это не стенка, сдерживающая его «течение», а как бы небольшая ступенька на дне бассейна, меняющая глубину и незначительно влияющая на это «течение». Напряженность магнитного поля в веществе меняется на сотые или тысячные доли процента по сравнению с его силой вовне (за исключением таких магнитных веществ, как железо и другие ферромагнетики, где к внешнему присоединяется большое внутреннее магнитное поле). Во всех прочих веществах магнитное поле либо чуть-чуть усиливается — и такие вещества называются парамагнетиками, либо чуть-чуть ослабляется — такие вещества получили название диамагнетиков.

В сверхпроводниках магнитное поле ослабляется до нуля, они являются идеальными диамагнетиками .

Только экран из непрерывно поддерживаемых токов может «не пропустить» магнитное поле. Сверхпроводник сам создает на своей поверхности такой экран и поддерживает его сколь угодно долго. Поэтому эффект Мейснера, или идеальный диамагнетизм сверхпроводника, не менее удивителен, чем его идеальная проводимость.

На рис. 9 условно изображено, что происходит с металлическим шариком при изменении температуры T и наложении магнитного поля H (силовые линии магнитного поля обозначены стрелками, пронизывающими или обтекающими образец). Металл в нормальном состоянии маркируется голубым цветом, если металл переходит в сверхпроводящее состояние, цвет меняется на зеленый. Для сравнения на рис. 9, в показано, как вел бы себя идеальный проводник (обозначен буквами IC) — металл без эффекта Мейснера с нулевым сопротивлением (если бы он существовал). Это состояние обозначено красным цветом.

Рис. 9. Эффект Мейснера:

а - нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б - из нормального состояния при температуре выше T c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

в - если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается.

Немного истории

В следующей главе мы подробнее расскажем об удивительных свойствах сверхпроводников, а эту главу нам хочется завершить перечислением наиболее важных работ, выполненных физиками за время изучения сверхпроводимости.

Прежде всего это уже упомянутые открытия Х. Камерлинг-Оннеса (1911) и В. Мейснера и Р. Оксенфельда (1933). Первое теоретическое объяснение поведения сверхпроводника в магнитном поле предложено в Англии (1935) эмигрировавшими из Германии немецкими физиками Ф. Лондоном и Г. Лондоном. В 1950 году Л. Д. Ландау и один из авторов данной книги написали работу, в которой построили более общую теорию сверхпроводимости. Это описание оказалось удобным и используется до сих пор, оно называется теорией Гинзбурга—Ландау или ψ-теорией сверхпроводимости.

Механизм явления был раскрыт в 1957 году американскими физиками Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером. По заглавным буквам их фамилий эта теория называется теорией БКШ, а сам механизм (для него существенно парное поведение электронов) часто называют «куперовское спаривание», поскольку его идею придумал Л. Купер. Для развития физики сверхпроводимости большую роль сыграло установление существования сверхпроводников двух типов — I и II родов. Ртуть и ряд других сверхпроводников — это сверхпроводники I рода. Сверхпроводники II рода — это по большей части сплавы двух и большего количества элементов. Большую роль при открытии сверхпроводимости II рода сыграли работы Л. В. Шубникова с сотрудниками в Харькове в 1930-е гг. и А. А. Абрикосова в 1950-е гг.

Кроме того, большое влияние оказали открытия и исследования в 1950-х гг. соединений с относительно высокими критическими температурами, способных выдерживать весьма высокие магнитные поля и пропускать в сверхпроводящем состоянии токи большой плотности. Пожалуй, кульминацией этих исследований стали опыты Дж. Кюнцлера с сотрудниками (1960). Они продемонстрировали, что проволока из Nb 3 Sn при T = 4,2 К в поле 88 000 Э (более сильного поля просто не было в их распоряжении) пропускает ток плотностью 100 тыс. А/см 2 . Открытые в то время сверхпроводники до сих пор работают в технических устройствах. Подобные материалы выделяют сейчас в особый класс сверхпроводников, который получил название «жесткие сверхпроводники».

В 1962 году английский физик Б. Джозефсон теоретически предсказал совершенно необычные явления, которые должны происходить на контактах сверхпроводников. Эти предсказания затем были полностью подтверждены, а сами явления получили название слабой сверхпроводимости или эффектов Джозефсона и быстро нашли практическое применение.

Наконец, статья (1986) работающих в Цюрихе физиков, швейцарца А. Мюллера и немца Г. Беднорца, ознаменовала открытие нового класса сверхпроводящих веществ — высокотемпературных сверхпроводников — и породила лавину новых исследований в этой области.

Градусы шкалы Кельвина принято обозначать заглавной буквой К, они равны привычным градусам Цельсия, но отсчитываются от абсолютного нуля температуры. По шкале Цельсия абсолютный нуль температуры есть -273,16°C, так что упомянутая температура 4,15 К равна -269,01°C. Далее мы будем стараться приводить округленные значения.

Картина возникновения электрического сопротивления, конечно, сложнее, и дальше мы остановимся на ней подробнее.

Способом «перегонки», аналогичным процессу дистилляции воды.

В 1911 г. голландский ученый Камерлинг-Оннес, изучая электропроводность ртути при весьма низких температурах, открыл интереснейшее явление - сверхпроводимость. Явление сверхпроводимости заключается в том, что ртуть, свинец, цинк, алюминий и некоторые другие металлы при глубоком охлаждении до весьма низкой температуры внезапно при 2-8° К полностью утрачивают свое сопротивление электрическому току.

Электрическое сопротивление при понижении температуры уменьшается плавно и в области весьма низких температур обычно

с определенным замедлением (рис. 97). Но у некоторых металлов при характерной для каждого из них температуре - при «точке превращения в сверхпроводник» - сопротивление вдруг скачком убывает по меньшей мере в десятки миллиардов раз, вероятно до полного исчезновения (рис. 98). Во всяком случае, несмотря на исключительную чувствительность применяемых методов измерения, электрическое сопротивление в состоянии сверхпроводимости оказывается необнаружимо малым и, возможно, нулевым.

Рис. 97. Обычный характер зависимости сопротивления от температуры в области низких температур.

Рис. 98. Скачок исчезновения сопротивления для сверхпроводника.

Когда через тонкую свинцовую проволоку, находящуюся в состоянии сверхпроводимости, проходит ток плотностью в тысячи ампер на квадратный сантиметр, никакого падения потенциала между концами проволоки не замечается. Не замечается также никакого выделения тепла током.

Ток, однажды возбужденный в замкнутом сверхпроводящем кольце, не уменьшается в величине десятки часов - все время, пока сохраняется состояние глубокого охлаждения, обеспечивающее сверхпроводимость.

Переход в состояние сверхпроводимости не сопровождается какими-либо резкими изменениями других свойств металла (не считая магнитных). Исследованиями Кеезома и де Гааза установлено, что переход в состояние сверхпроводимости не связан с какими-либо изменениями в строении кристаллической решетки. Установлено, что в момент возникновения сверхпроводимости (в ненамагниченном металле) не происходит ни выделения, ни поглощения тепла; коэффициент теплового расширения не изменяется; только теплоемкость (весьма малая при низких температурах) испытывает небольшой скачок в сторону возрастания.

Опыты, проведенные Шенбергом (1937 г.), показали, что интенсивное намагничивание сверхпроводника способно разрушить его сверхпроводимость. Это обстоятельство налагает ограничение на допустимую плотность тока в сверхпроводнике: магнитное поле чрезмерно большого тока вызывает исчезновение сверхпроводимости. Однако при уменьшении величины тока или при более

глубоком охлаждении состояние сверхпроводимости вновь восстанавливается.

Ряд исследований показал, что в совершенно чистом металле в состоянии сверхпроводимости весь ток проходит по поверхности металла, сам же металл становится непроницаемым для магнитного и электрического полей. Таким образом, термин «сверхпроводимость» оказалось возможным рассматривать как имеющий даже геометрический смысл, а именно смысл такого состояния металла, когда ток проходит «сверх» (или «поверх») металла, не проникая внутрь. Естественно, что физические и химические особенности металла не сказываются в виде сопротивления току, который протекает «поверх» металла. Но это, конечно, еще не объясняет сущности явления.

Тонкие эксперименты, осуществленные членом-корр. Академии наук СССР А. И. Шальниковым, доказали, что глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник составляет десятитысячные доли миллиметра. Последующие опыты А. И. Шальникова (1947 г.) обнаружили, что переход к сверхпроводимости куска металла при глубоком охлаждении происходит через промежуточное состояние, когда (в согласии с теорией, развитой акад. Л. Д. Ландау) наблюдается расслоение металла на тонкие слои сверхпроводимости, чередующиеся со слоями нормальной проводимости.

Явление сверхпроводимости обнаружено у 23 металлов и у многих сплавов. Температуры, при которых металл, когда его охлаждают, внезапно обнаруживает сверхпроводимость, - точки превращения в сверхпроводник - для некоторых металлов приведены в помещенной здесь таблице.

Точки превращения в сверхпроводник по шкале абсолютной температуры

(см. скан)

Рис. 99 показывает, как происходит падение сопротивления, когда металл охлажден до точки превращения в сверхпроводник.

Металлы, которые при глубоком охлаждении становятся сверхпроводниками, при комнатной температуре отнюдь не являются лучшими проводниками. Напротив, у лучших проводников - меди,

серебра и золота - состояние сверхпроводимости не обнаружено, несмотря на то, что их охлаждение доводилось до температур, предельно близких к абсолютному нулю,

Все металлы, превращающиеся при глубоком охлаждении в сверхпроводники, составляют в периодической системе элементов Д. И. Менделеева компактную группу, очерченную на рис. 100 рамкой.

Рис. 99. Температурный ход удельного сопротивления металлов близ абсолютного нуля (сверхпроводимость).

Рис. 100. Положение сверхпроводящих элементов в периодической системе Менделеева. Цифры под символами элементов - температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Явление сверхпроводимости наблюдается также у многих сплавов. Замечательно, что сверхпроводящими сплавами при низких температурах оказываются не только сплавы металлов-сверхпроводников, но также некоторые сплавы с преобладанием металла, который в чистом виде не обнаруживает сверхпроводимости. Имеются даже такие сверхпроводящие сплавы и соединения, которые полностью состоят из элементов, не принадлежащих к сверхпроводникам. Таковы сплавы висмута и золота карбиды молибдена и вольфрама Полупроводник при 1,6 К становится сверхпроводником.

Самыми высокими точками превращения в состояние сверхпроводимости обладают: ниобий карбид ниобия сплав олова и ниобия и наивысшей точкой - нитрид ниобия

Почти полвека явление сверхпроводимости оставалось малопонятным. Только в 1957 г. американским физикам Бардину, Куперу, Шриферу и в более полной форме академику Николаю Николаевичу Боголюбову удалось, наконец, создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости.

Оказалось, что сверхпроводимость объясняется во многих отношениях аналогично явлению сверхтекучести жидкостей. Как было упомянуто в т. I на стр. 367, сверхтекучесть наблюдается у жидкого гелия II при температурах ниже 2,18° жидкий гелий вследствие сверхтекучести обладает аномально большой теплопроводностью (почти в полтора миллиона раз большей, чем вода, в две тысячи раз большей, чем медь, взятые при комнатной температуре).

В одной из своих статей (1958 г.) Н. Н. Боголюбов пишет:

«...Выяснилась следующая картина движения сверхтекучей жидкости: в противоположность движению обычной жидкости или газа, в которых отдельные частицы движутся беспорядочно, движение сверхтекучей жидкости проявляет высокую степень упорядоченности. Это обусловлено тем, что частицы сверхтекучей жидкости сильно взаимодействуют друг с другом. Особенно сильным это взаимодействие оказывается для частиц с противоположно направленными скоростями. Правильный учет этого взаимодействия составлял особую трудность при создании теории сверхтекучести, Аналогичную трудность таила в себе и теория сверхпроводимости...

До сих пор в физике существовало общее мнение, что вряд ли возможно глубокое сходство в поведении системы, состоящей из атомов гелия, и системы, образованной из электронов. Дело в том, что статистические свойства этих частиц, которые и определяют поведение составленных из них систем, весьма различны: ядра гелия подчиняются статистике Бозе, а электроны подчиняются статистике Ферми.

Общую картину поведения электронов в сверхпроводящем состоянии можно представить себе следующим образом. Свободные электроны металла образуют в этом состоянии связанный «коллектив», по своим свойствам подобный тому, который в теории сверхтекучести называется конденсатом... Движение такого коллектива в целом является устойчивым. При дополнительной стабилизации действием магнитного поля это движение (электрический ток в металле) не встречает сопротивления».

Н. Н. Боголюбов, в прошлые годы усовершенствовавший теорию сверхтекучести жидкостей, применил созданный им математический метод к анализу условий возникновения и характера движения упомянутого «коллектива-конденсата» электронов. Н. Н. Боголюбов показал, что хотя электрическое отталкивание электронов препятствует их сочленению в связанный «коллектив), но в меньшей мере, чем считали Бардин, Купер и Шрифер. Американские физики, придерживаясь предположения, что электроны группируются парами, получили ряд формул для величин, характеризующих состояние сверхпроводимости; те же формулы, наряду с некоторыми новыми заключениями, дает более строгая теория H. Н. Боголюбова.

(77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Урок 296. Температурная зависимость сопротивления металлов. Сверхпроводимость

✪ Сверхпроводимость. Электрический ток в различных средах. Учебный фильм

✪ СВЕРХПРОВОДНИК И КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ!

✪ Сверхпроводимость (рассказывает физик Борис Файн)

✪ Электрическая проводимость различных веществ | Физика 10 класс #57 | Инфоурок

Субтитры

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 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.

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 .

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 Nb 3 Sn, 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 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) .

Классификация

Существует несколько критериев для классификации сверхпроводников. Вот основные из них:

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).

Сверхпроводники в высокочастотном поле

Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю справедливо только для постоянного электрического тока . В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля. Этот эффект на языке двухжидкостной модели сверхпроводника объясняется наличием наравне со сверхпроводящей фракцией электронов также и обычных электронов, число которых, однако, невелико. При помещении сверхпроводника в постоянное поле, это поле внутри сверхпроводника обращается в нуль, поскольку иначе сверхпроводящие электроны ускорялись бы до бесконечности, что невозможно. Однако в случае переменного поля поле внутри сверхпроводника отлично от нуля и ускоряет в том числе и нормальные электроны, с которыми связаны и конечное электрическое сопротивление, и джоулевы тепловые потери. Данный эффект особо ярко выражен для таких частот света, для которых энергии кванта h ν {\displaystyle h\nu } достаточно для перевода сверхпроводящего электрона в группу нормальных электронов. Эта частота обычно лежит в инфракрасной области (около 10 11 Гц), поэтому в видимом диапазоне сверхпроводники практически ничем не отличаются от обычных металлов .

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

В настоящее время фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры - 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К). В 2000 г. было показано, что небольшое фторирование упомянутой выше ртутной керамики позволяет поднять критическую температуру при обычном давлении до 138 К .

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т c теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость , что характерно для фазового перехода ΙΙ рода . Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера , заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента . Как следствие моноизотопные препараты несколько отличаются по критическим температурам от природной смеси и от друг друга .

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле , точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона ». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B », где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов , чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы , использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения .

Гравитомагнитный момент Лондона

Вращающееся и при этом ускоряющиеся, то есть наращивающее частоту оборотов кольцо из сверхпроводника генерирует гравитационное поле . Эксперименты, связанные с гравитомагнитным мометном Лондона проводились Мартином Таджмаром из австрийской компании ARC Seibersdorf Research и Кловисом де Матосом из Европейского космического агентства (ESA) в 2006 году. Экспериментаторы впервые измерили искусственно созданное таким образом гравитомагнитное поле . Таджмар и де Матос полагают, что данный эффект объясняет загадку в различии измеренной ранее с высокой точностью массы куперовских пар (это электроны , обеспечивающие проводимость в сверхпроводнике) и этой же массой, полученной на бумаге - по расчётам квантовой теории .

Экспериментально обнаруженный гравитационный эффект исследователи назвали «Гравитомагнитный момент Лондона », по аналогии с аналогичным магнитным эффектом: возникновением магнитного поля при вращении сверхпроводника, называемым «момент Лондона » .

Вызванное таким способом поле было в 100 миллионов раз слабее гравитационного поля Земли . И хотя этот эффект и был предсказан Общей теорией относительности , данная напряжённость поля оказалась на 20 порядков сильнее расчётного значения .

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Полностью удовлетворительная микроскопическая теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует .

Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга - Ландау , стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине XX века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина - Купера - Шриффера , созданная ими в 50-е годы XX столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии . При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект , то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.

Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу - объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Ферми металла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.

Основную проблему для теории БКШ представляет существование , которую этой теорией описать не получается.

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости . На базе металлокерамики, например, состава YBa 2 Cu 3 O x , получены вещества, для которых температура Т c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота). К сожалению, практически все высокотемпературные сверхпроводники не технологичны (хрупки, не обладают стабильностью свойств и т. д.), вследствие чего в технике до сих пор применяются в основном сверхпроводники на основе сплавов ниобия.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей (например, в циклотронах), поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2 . В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца - сквиды , действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения. Они входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли , а также используемых в медицине для получения магнитограмм различных органов .

Сверхпроводники также применяются в маглевах .

Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах - управляемых сопротивлениях.

См. также

Примечания

Открытие сверхпроводимости - глава из книги Дж. Тригг «Физика ХХ века: Ключевые эксперименты»
Dirk van Delft and Peter Kes.

Сверхпроводимость

Сверхпроводи́мость - свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик , переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость - квантовое явление . Оно характеризуется также эффектом Мейснера , заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

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 совсем перестанут проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем 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 практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок 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.

Свойства сверхпроводников

Нулевое электрическое сопротивление

Сверхпроводники в высокочастотном поле

Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю справедливо только для постоянного электрического тока . В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля. Этот эффект на языке двухжидкостной модели сверхпроводника объясняется наличием наравне со сверхпроводящей фракцией электронов также и обычных электронов, число которых, однако, невелико. При помещении сверхпроводника в постоянное поле, это поле внутри сверхпроводника обращается в нуль, поскольку иначе сверхпроводящие электроны ускорялись бы до бесконечности, что невозможно. Однако в случае переменного поля поле внутри сверхпроводника отлично от нуля и ускоряет в том числе и нормальные электроны, с которыми связаны и конечное электрическое сопротивление, и джоулевы тепловые потери. Данный эффект особо ярко выражен для таких частот света, для которых энергии кванта достаточно для перевода сверхпроводящего электрона в группу нормальных электронов. Эта частота обычно лежит в инфракрасной области (около 10 11 Гц), поэтому в видимом диапазоне сверхпроводники практически ничем не отличаются от обычных металлов .

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Характер изменения теплоемкости (c v , синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Т с - температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода . Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь - от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Т с изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb 3 Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния ( 2) у низкотемпературных сверхпроводников (Т с ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры - 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера , заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Изотопический эффект

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле , точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B », где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов , чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы , использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения .

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга - Ландау , стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине прошлого века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина - Купера - Шриффера , созданная ими в 50-е годы прошлого столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии . При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект, то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.

Сравнение вычисленных значений критических температур сверхпроводников с данными измерений.

Согласно одной из последних теорий, предложенной Б. В. Васильевым, спаривание электронов является необходимым, но недостаточным условием для существования сверхпроводящего состояния. Более того, какой конкретно механизм приводит к такому спариванию - не так уж важно. Важно, чтобы такой механизм существовал и был работоспособным во всем диапазоне температуры, где существует сверхпроводящее состояние.

Причина этого объясняется следующим образом: объединившись в пары, электроны создают бозоны, не объединенные в единый тождественный ансамбль. Их различают некоррелированные нулевые колебания. Для перехода бозонов в тождественное состояние необходимо упорядочить их нулевые колебания. По этой причине параметры, характеризующие механизм упорядочения нулевых колебаний в электронном газе, оказываются определяющими для свойств сверхпроводников.

Применение сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2 . В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

См. также

Сверхпроводимость и нулевые колебания

Примечания

Dirk van Delft and Peter Kes The discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today . - 2010. - Vol. 63. - С. 38-43.
Алексей Левин Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей . Элементы.ру (8 апреля 2011). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 8 апреля 2011.
В. Л. Гинзбург , Е. А. Андрюшин Глава 1. Открытие сверхпроводимости // Сверхпроводимость . - 2-е издание, переработанное и дополненное. - Альфа-М, 2006. - 112 с. - 3000 экз. - ISBN 5-98281-088-6

Возможно, будет полезно почитать: