Что называют сверхпроводимостью. Краткий обзор теорий сверхпроводимости и проанализированы проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. В чем же особен­ность этого явления и что рождает сверхпроводимость

Проблемные вопросы лекции:

1. Где можно применять явление сверхпроводимости?

2. Какие могут быть тенденции в развитии этого явления?

3. Проблемы создания сверхпроводников комнатной температуры

Учебные вопросы:

1) Основные признаки сверхпроводящего состояния.

2) Теория низкотемпературной сверхпроводимости.

3) Понятия ВТСП и комнатной сверхпроводимости.

4) Структура ВТСП.

5) Проблема создания теория высокотемпературной сверхпроводимости.

Презентация (вводная лекция).

Введение

В 1911 году, в Голландии, в лаборатории низких температур Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он замораживал в жидком гелии ртуть и пропускал через нее электрический ток. По мере снижения температуры, сопротивление ртути убывало. Как только температура опустилась до 4,12 К, ее сопротивление резко упало до нуля, оно совсем исчезло. Вот слова самого Камерлинг-Оннеса: «Таким образом, при 4,12 градусов выше абсолютного нуля, ртуть переходит в новое состояние, которое можно назвать «сверхпроводящим»». Так впервые было введено новое понятие – сверхпроводимость. В 1913 г. Шведская академия наук присудила Камерлинг-Оннесу Нобелевскую премию.

За почти столетнюю историю исследования сверхпроводимости было открыто огромное число сверхпроводящих составов, которые можно классифицировать следующим образом :
1. Органические сверхпроводники , открыты в 1979 г., имеют максимальную критическую температуру T c = 11,5 К.
2. Соединения типа A-15 , представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники с T c =23,2К, были открыты в 1954 г. 3. Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля , открыты в 1979 г., объединяют ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники, с T c = 15 К высоким значением верхнего поля, достигающего B c2 = 60 Тл.
4. Тяжелые фермионы с максимальной критической температурой T c =18К демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.
5. Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) имеют T c =31К, а монокристаллы оксида вольфрама, допированного натрием в 1999 г. продемонстрировали в поверхностном слое высокотемпературную сверхпроводимость с критической температурой 91 К.
6. Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, открытые в 2008 году, быстро достигли сверхпроводящей температуры – второй после высокотемпературных сверхпроводников (T c =55К); они также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.
7. Оксиды пирохлоров , представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий, с невысокой температурой перехода (T c = 9,6 К).
8. Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом, T c = 50 К.
9. Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, открытые в 1986 г., в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO 2 , имеют на сегодняшний день рекордную температуру сверхпроводящего перехода (T c = 166 ± 1,5 K).
10. В редкоземельных борокарбидах достигнута T c =23 К.
11. Кремниевые сверхпроводники при высоком избыточном давлении (что является одним из основных факторов повышения сверхпроводимости в сверхпроводящих материалах) показывают T c =14 К.
12. Халькогениды – структуры на основе серы и селена демонстрируют невысокую критическую температуру T c =4,15 К.
13. Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры, подтвержденная критическая температура в них составляет T c = 40 К.
14. MgB 2 и родственные структуры (T c =39К). Открытие сверхпроводимости в этих известных с начала 1950-х годов, дешевых и широкодоступных материалах (магнезия продается в любой аптеке), демонстрирующих довольно высокую критическую температуру, было достаточно удивительно, поскольку открытие состоялось только в 2001 г.
Потребности человечества в энергии выдвигают на первый план научные направления, связанные с созданием новых видов и источников энергии, а также устройств ее сохранения и передачи на значительные расстояния. Важность решения этих задач была подчеркнута тем, что комитет по присуждению Нобелевских премий по физике никогда не оставлял без внимания ученых, занимавшихся вопросами сверхпроводимости и смежными исследованиями.

Теория сверхпроводимости

1. Понятие сверхпроводимости

Сверхпроводимость – это явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без заметной диссипации энергии. Оно сопровождается внезапным падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении материала сверхпроводника ниже т. н. температуры сверхпроводящего перехода (T c ), определяемой для каждого конкретного материала. По закону Джоуля – Ленца количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока по проводнику, возрастает пропорционально его длине и электрическому сопротивлению, что приводит к огромным потерям, например в сегодня используемых медных и алюминиевых проводах из-за существенного электрического сопротивления. Если сделать провода из сверхпроводящего материала, то можно минимизировать электрические потери. Другим ключевым параметром является критический ток (I c ) или его плотность (J c ). Его значение представляет собой величину постоянного незатухающего электрического тока в сверхпроводнике, выше которого образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее состояние). Третьим критическим параметром является напряженность приложенного магнитного поля (H c ) или магнитная индукция (B c ), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим. Существует также целый ряд других важных сверхпроводящих параметров, определяющих явление сверхпроводимости и поведение сверхпроводящего материала. Различают низкотемпературную, высокотемпературную и комнатную сверхпроводимость, соответствующие температурам сверхпроводящего перехода до 30 К, выше 77 К (температура жидкого азота) и 293 К (комнатная температура).

1. Основные признаки сверхпроводимости

Основные признаки сверхпроводников:

Потеря сопротивления ниже температуры сверхпроводящего перехода (T c ), называемой критической и определяемой для каждого конкретного материала.

Сверхпроводники – идеальные диамагнетики, т.е. сверхпроводник полностью вытесняет магнитное поле из своего объема (рис 1). Этот эффект наблюдался немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом в 1933 году, и был назван в их честь. Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.

Рис.1 – Эффект Мейснера-Оксенфельда

Эффект Джозефсона (туннелирование через диэлектрическую прослойку) - протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. В 1962 году Брайан Джозефсон, являясь студентом-старшекурсником, предсказал, что два сверхпроводящих слоя, разделенных ничтожно тонкой прослойкой изолятора всего в несколько атомов толщиной, будут вести себя как единая система. Пользуясь принципами квантовой механики, он показал, что куперовские пары будут преодолевать этот барьер (переход Джозефсона ) даже при отсутствии приложенного к ним напряжения. Существование электрического тока подобного рода вскоре было подтверждено экспериментально, а сам эффект также получил название стационарного эффекта Джозефсона . Если же приложить постоянное напряжение по обе стороны перехода, то куперовские пары электронов начнут перемещаться через барьер сначала в одном направлении, а затем в обратном. В результате возникнет переменный ток, частота которого увеличивается по мере роста напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона

1. Сверхпроводники 1 и 2 рода

В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводнике и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

Сверхпроводники I рода вытесняют магнитное поле и способны «бороться» против него, пока его напряженность не достигла критического значения H c . Выше этого предела вещество переходит в нормальное состояние. В промежуточном состоянии образец как бы впускает в себя магнитное поле, однако с точки зрения физики точнее сказать, что образец просто разбивается на «большие» соседствующие куски - нормальные и сверхпроводящие. Через нормальные «протекает» магнитное поле напряженностью H c , а в сверхпроводящих, как и положено, магнитное поле равно нулю.

Сверхпроводники II рода также вытесняют магнитное поле, но только очень слабое. При повышении напряженности магнитного поля сверхпроводник II рода «находит возможность» впустить поле внутрь, одновременно сохраняя сверхпроводимость. Это происходит при напряженности поля, намного меньшей H c : в сверхпроводнике самопроизвольно зарождаются вихревые токи.

Вихревое состояние сверхпроводников II рода теоретически предсказал советский физик А. А. Абрикосов в работе, опубликованной в 1957 году. Токовые вихри можно уподобить длинным соленоидам с толстой обмоткой (рис. 2), только ток в них течет не по проводам, а прямо в толще сверхпроводника, не растекаясь в стороны и не меняя своей силы со временем, - ведь это сверхпроводящий ток. Как и в любой катушке индуктивности из провода, в таком вихре создается магнитное поле, т.е. в толще сверхпроводника формируется нормальный канал, вбирающий в себя струйку потока магнитного поля. Диаметр этого вихревого канала строго задан, он не зависит от внешнего магнитного поля и меняется от сверхпроводника к сверхпроводнику, а численно составляет около 10 –7 см - гораздо меньше, чем обычные размеры областей промежуточного состояния сверхпроводников I рода.

Рис. 2 - Схематическое изображение вихря в сверхпроводнике II рода. Вихрь параллелен внешнему магнитному полю. Силовые линии поля снаружи проводника и в центре вихря обозначены прямыми стрелками, а вихревые токи - замкнутыми круговыми стрелками

1. Механизм сверхпроводимости

В 1957 года три физика-экспериментатора - Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер создали теорию сверхпроводимости, позже названной в их честь «теорией БКШ» - по первым буквам фамилий этих физиков. В основе теории БКШ лежит представление о том, что между электронами проводимости кристалла могут действовать не только силы отталкивания, но и силы притяжения, возникающие вследствие поляризации решетки. Электроны, движущиеся в кристаллической решетке, притягивают к себе положительные ионы и тем самым создают вдоль своего пути движения избыточный положительный заряд, к которому могут быть притянуты другие электроны. Это эквивалентно возникновению силы притяжения между электронами, но действующей не непосредственно, а через поляризованную решетку, поэтому сверхпроводимость наблюдается у тех металлов, у которых имеет место сильное взаимодействие с кристаллической решеткой, а значит, такие металлы в обычных условиях имеют относительно низкую электропроводность. Например, у хорошо проводящих металлов Cu, Ag, Au сверхпроводимость не наблюдается.

Преобладание в определенных условиях сил притяжения между электронами над силой их кулоновского отталкивания приводит к понижению энергии кристалла. Расчетами Купера показано, что энергетически наиболее выгодным является образование из электронов электронных пар, причем таких, которые образованы из электронов, обладающих противоположными спинами, равными по величине, но противоположными по направлению импульсами. Такие электроны называются куперовскими. В них объединяются два электрона, находящихся с разных сторон от ближайшего положительно заряженного иона. Взаимодействие электронов в паре происходит путем обмена фононами – квантами колебания кристаллической решетки, таким образом, куперовские пары имеют заряд –2е, нулевое значение спина и нулевое значение импульса в отсутствии внешнего электрического поля (бозоны). Обладая нулевым значением спина, куперовские пары подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Переход значительного числа электронных пар в состояние с нулевым импульсом называется бозеконденсацией по аналогии с конденсацией молекул пара в жидкость при низких температурах. Так как сила притяжения между электронами в куперовской паре относительно слаба, то спаренные электроны не “слипаются” друг с другом, они находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга: . Следовательно, объем занимаемый одной куперовской парой будет равен .

В металлах в куперовские пары могут объединяться только те электроны, которые могут возбуждаться и менять свое состояние. Такими электронами являются электроны с уровня Ферми, ответственные за электропроводность металла. Их концентрация , следовательно, в объеме, занимаемой одной куперовской парой будет находиться других куперовских пар. Пространственное перекрытие огромного числа куперовских пар приводит к строгой взаимной корреляции (согласованности) их движения под действием внешнего электрического поля. Все они приобретают один и тот же импульс и движутся как единый коллектив в одном и том же направлении с некоторой дрейфовой скоростью. При этом поведение куперовских пар отличается от поведения обычных электронов, т.е. электронов, находящихся в нормальном состоянии. Нормальные электроны испытывают рассеяние на колебаниях кристаллической решетки и других дефектах решетки. Это приводит к хаотичности их движения, что является причиной возникновения электрического сопротивления. Куперовские пары пока они не разорваны, не могут рассеиваться на дефектах решетки, так как выход любой из них из строго коррелированного коллектива мало вероятен. При этом вырвать куперовскую пару из такого коллектива тем труднее, чем больше таких пар. Любое нарушение в движении данной пары должно сказываться на свойствах всей совокупности пар. Пару можно вырвать из коллектива лишь разрушив ее, однако, при очень низких температурах число фононов, имеющих для этого энергию, исключительно мало. Поэтому подавляющее число образовавшихся куперовских пар сохраняются не разрушенными. Не испытывая рассеяние при своем направленном движении и имея заряд –2е, они обуславливают появление сверхпроводящего тока. Куперовские пары, являясь бозонами, размещаются на одном уровне, расположенном ниже уровня Ферми на расстоянии энергетическом Δ. Чтобы разорвать куперовскую пару на два отдельных электрона при T = 0, необходимо затратить энергию, равную 2Δ. Δ (так называемая сверхпроводящая энергетическая щель) - еще одна важная характеристика не только в теории БКШ, но и во всей теории сверхпроводимости. Δ зависит от температуры (рис. 3) и при T = T c зануляется, что легко понять - в этот момент сверхпроводимость разрушается и для разрыва куперовской пары нет надобности затрачивать энергию. За создание теории сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

Рис. 3 – Зависимость энергетической щели проводника от температуры

Высокотемпературные сверхпроводящие проводники

(ВТСП)

1. Открытие ВТСП

Начало новому захватывающему этапу в развитии сверхпроводимости положила работа А.Мюллера и Г.Беднорца из исследовательской лаборатории фирмы IBM в Швейцарии (рис. 4).

Рис. 4 - Родоначальники ВТСП. Лауреаты Нобелевской премии Алекс Мюллер и Георг Беднорц.

На рубеже 1985 - 1986 годов этим ученым удалось синтезировать соединение лантана, бария, меди и кислорода, так называемую металлооксидную керамику La-Ва-Cu-О , которое проявляло признаки сверхпроводимости при рекордно высокой по тем временам температуре в 35 К! Статья под осторожным названием «Возможность высокотемпературной сверхпроводимости в системе La-Ва-Cu-О » была отклонена ведущим американским физическим журналом «Physical Review Letters» - научное сообщество за последние двадцать лет устало от многочисленных ложных сенсаций по поводу открытия то в одном, то в другом месте мифического высокотемпературного сверхпроводника и таким образом ограждало себя от очередного бума. Мюллер и Беднорц отослали статью в немецкий журнал «Zeitschrift fur Physik». Сейчас, когда сверхпроводящий бум действительно разразился и даже несколько угас, а исследования высокотемпературных сверхпроводников ведутся в сотнях лабораторий, почти каждая из тысяч статей, посвященных исследованию нового явления, начинается со ссылки на эту публикацию, осенью же 1986 года она прошла почти незамеченной. Лишь одна японская группа на всякий случай перепроверила и подтвердила заявленный в этой статье результат. Затем феномен высокотемпературной сверхпроводимости был подтвержден американскими, китайскими, советскими физиками. В начале 1987 года весь мир охватила лихорадка поиска новых и исследования свойств уже обнаруженных сверхпроводников. Критическая температура быстро повышалась: для соединения La-Sr-Cu-О она составила уже 45 К, для La-Ва-Cu-О (под давлением) поднялась до 52 К и, наконец, в феврале 1987 года, когда американец Пол Чу догадался сымитировать действие внешнего давления заменой атомов лантана соседними по столбцу таблицы Менделеева, но меньшими по размеру атомами иридия (Y ), критическая температура синтезированного соединения YBa 2 Cu 3 O 7 перевалила через заветный «азотный рубеж», достигнув 93 кельвинов. Это был долгожданный триумф, однако еще не конец истории: в 1988 году синтезируется соединение, состоящее уже из пяти элементов, типа Ва-Са-Sr-Cu-О с критической температурой 110 К (Маеда), а несколько позже - ртутные и таллиевые его аналоги с температурой 125 К (Шенг, Херман). Под давлением в 300 атм предельная критическая температура ртутного рекордсмена уже неплохо звучит и в шкале Цельсия: -108 °С! Открытие высокотемпературной сверхпроводимости во многом уникально для современной физики. Во- первых, оно сделано всего двумя учеными и очень скромными средствами. Во-вторых, в состав обнаруженных соединений входят легкодоступные элементы, и в принципе такие сверхпроводники могут быть приготовлены за день работы в школьном кабинете химии. Так случайно или закономерно открытие Мюллера и Беднорца? Можно ли было синтезировать вещество со столь уникальными свойствами раньше? Как непросто дать ответы на эти вопросы. Мы давно привыкли к тому, что все новое получается на грани возможностей: с применением уникальных установок, сверхсильных полей, сверхнизких температур, сверхвысоких энергий. Здесь же ничего такого нет, «испечь» высокотемпературный сверхпроводник, как говорилось, не так уж сложно - с этим вполне мог бы справиться квалифицированный средневековый алхимик. Некоторые из сегодняшних высокотемпературных сверхпроводников лежали на полке лабораторного шкафа с... 1979 года! Именно тогда в Институте общей и неорганической химии АН СССР они были синтезированы И.С.Шаплыгиным с соавторами совсем для других целей. Однако измерений проводимости этих соединений при низких температурах, позволивших бы обнаружить новое явление, проведено не было - открытие не состоялось...

1. Структура ВТСП

Рис. 5 – Структура органического сверхпроводника

Практически все ВТСП являются сложными слоистыми медьсодержащими оксидами, структура которых включает кислород-дефицитные перовскитные блоки (рис.5). В настоящее время ответственным за сверхпроводимость в купратах считают именно медь-кислородный слой CuO 2 , в котором атомы меди образуют квадратную сетку и располагаются в ее узлах, в то время как атомы кислорода находятся на линиях, соединяющих эти узлы. Электроны атомов меди (3d x2-y2 ) и кислорода (2p x,y ), образующие связи в таком слое, делокализованы, т.е. не принадлежат какому-либо из атомов слоя. Поэтому соединения, содержащие в своих структурах слои (СuO 2 ), могут иметь металлический тип проводимости. Сверхпроводимость при температурах ниже критической возникает при "допировании" слоев CuO 2 оптимальным количеством носителей заряда, которое происходит при упорядочении кислородных атомов и вакансий по достижении ВТСП-фазой определенной кислородной стехиометрии, при гетеровалентном легировании, при приложении внешнего давления и т.д. Экспериментально установлено, что для возникновения сверхпроводимости необходимо, чтобы формальная степень окисления меди в этих слоях с обобщенными электронами немного отличалась от +2 и находилась в диапазонах от +2,05 до +2,25 (дырочные сверхпроводники - 123, Bi-, Tl-семейства) или от +1,8 до +1,9 (электронные сверхпроводники - семейство фаз типа Nd 2 CuO 4 ). Другим важным параметром, определяющим сверхпроводящие свойства, является длина связи между атомами меди и кислорода в слое, которая должна находиться в интервале 0,19-0,197 нм при расстоянии между ближайшими атомами меди – 0,380-0,394 нм. Атомы меди могут быть также связаны с атомами кислорода, расположенными в соседних слоях, однако эти связи должны быть существенно длиннее и превышать 0,22 нм. Другими словами, в структурах сверхпроводящих купратов реализуются неравноценные химические связи: сильные связи в плоскости слоя СuO 2 и значительно более слабые - перпендикулярно этим слоям. Как следствие, эти структуры являются слоистыми, в то время как каркасные сложные оксиды меди - перовскиты с химическими связями, равноценными в трех направлениях, сверхпроводниками не являются. Поскольку кристаллическая структура не может состоять только из одноименно заряженных фрагментов (слои CuO 2 ), для выполнения условия электронейтральности необходимо существование других, компенсирующих заряд слоев, или присутствие между "сверхпроводящими плоскостями" CuO 2 диэлектрических прослоек. Наличие в этих прослойках легко поляризующихся ионов (например, Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ ) может быть использовано "дырками", находящимися в слое CuO 2 , для образования куперовской пары при переходе в сверхпроводящее состояние. Так, в большинстве известных сверхпроводников чередуются слои CuO 2 и слои BaO, SrO, TlO + , BiO + Ca 2+ , Y 3+ и др. Если в структуре изменяется число слоев CuO 2 , то образуются гомологические ряды соединений, имеющих родственное строение. В последнем случае полученные слоистые кристаллические структуры будут устойчивы, если каждый слой в них геометрически соразмерен с выше- и нижележащими слоями.

ВТСП-материалы

В промышленности производится два основных материала на основе ВТСП – ВТСП материалы 1 и 2 поколения. ВТСП 1 поколения представляют собой ленты, состоящие из нитей сверхпроводника на основе оксида висмута, имплантированных в серебряную матрицу. Такие провода доступны на рынке с 2000 года и имеют длины до 1,5 км. Недостатки их - наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость. Конструкция проводов 2-го поколения решает эту проблему. ВТСП ленты 2 поколения имеют слоистую структуру, в их основе лежит металлическая лента, на которую последовательно нанесены буферный слой, служащий для защиты поверхности металла, затем слой ВТСП и наконец, защитный слой (рис. 6).

Рис. 6 - Строение ВТСП-материалов 1 и 2 поколений

ВТСП ленты 2 поколения имею ряд преимуществ перед лентами 1 поколения:

Меньшая стоимость, т.к. для их изготовления используются более дешевые материалы (ВТСП ленты 1 поколения на 2/3 состоят из серебра, а у лент 2 поколения основной материал – никель); они имеют большую плотность критического тока и меньшие потери на переменном токе;

Большая механическая прочность;

Возможность работы в сильных магнитных полях, т.к. помещение их в магнитное поле не слишком сильно понижает значение их критической температуры.

Эти факторы свидетельствуют о предпочтительном применении лент 2 поколения. Для их создания используют два метода:

В качестве подложки используют поликристаллическую не текстурированную ленту.

В качестве подложки используют ленту с двуосной структурой.

Рис. 7. Структура ВТСП-провода 2-го поколения: а - защитный слой Сu; б - керамика Y–Ba–Cu–O; в - ориентированный слой MgO; г - неориентированный слой MgO; д - лента из нержавеющей стали

Важную роль играет слой MgO, который напыляется непосредственно на нержавеющую ленту под углом 30–40°. Косое напыление создает на поверхности MgO одинаково направленные борозды. Эти борозды служат для ориентации кристаллов ВТСП-керамики, которая напыляется непосредственно на MgO. В качестве ВТСП-керамики используется Y–Ba–Cu–O или близкие к ней по структуре керамики. Слой ВТСП-пленки имеет толщину менее 2 мкм. Структура ВТСП-провода 2-го поколения показана на рис. 7.

1. Применение ВТСП-материалов

В начале 1990-х гг. началось применение ВТСП в конкретных устройствах и изделиях. Постепенно были разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводящие прототипы всех электрических устройств. Решающими здесь являются открывающиеся возможности по передаче, превращению и сохранению энергии. В частности, системные применения сверхпроводимости охватывают сверхпроводящие магнитные устройства; криогенные хранилища; (в) космические платформы; научные инструменты; вращающиеся накопители энергии. Например, как показали эксперименты, поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), в которых дно тележки включает ВТСП плавленую керамику, а рельсы представляют собой магниты, могут развивать скорость до 1000 км/ч! Не обошелся без сверхпроводящих изделий и большой адронный коллайдер, запущенный, в частности с целью поиска бозона Хиггса в ноябре 2009 года. Он является крупнейшей экспериментальной установкой в мире. В туннеле длиной 27 км установлено свыше 8 тысяч сверхпроводящих магнитов (с общим весом сверхпроводящих материалов около 1200 т), использованных для создания детекторов и предускорителей элементарных частиц в коллайдере.
Другим применением сверхпроводимости по праву может стать сверхпроводниковый квантовый компьютер. Его создание связано с экспериментальным воплощением квантового бита на основе сверхпроводящей структуры - главным преимуществом такой структуры по сравнению с другими твёрдотельными аналогами (одноэлектронными структурами) даже в рамках современной технологии. Наличие сверхпроводящего состояния означает, что даже многоэлектронная система может в этом случае находиться в основном самом низком по энергии состоянии достаточно долго, поскольку все возбуждения этого состояния отделены энергетической щелью. Эта же причина обусловливает большое время декогерентизации в системе. Структура сверхпроводящего квантового бита может быть изготовлена с помощью традиционной технологии джозефсоновских контактов (переходов). Архитектура построения сверхпроводникового квантового компьютера является гибридной нитевидной архитектурой, которая позволяет в 250 раз увеличить быстродействие сегодняшних самых скоростных компьютеров. Стержнем такого квантового компьютера могут стать сверхпроводниковые схемы быстрой одноквантовой логики и другие криоэлектронные компоненты. Ранние концепции сверхпроводниковых интегральных схем (ИС) использовали нешунтированные джозефсоновские переходы, приводящие к появлению так называемого эффекта «залипания», снижающего быстродействие и усложняющего топологию ИС. Концепция RSFQ, разработанная К.К. Лихаревым и В. К. Семёновым в 1985-1986 гг. и экспериментально опробованная В. П. Кошельцом в 1986 г., основана на использовании шунтированных джозефсоновских переходов. В 1999 г. К. К. Лихарев, с соавторами продемонстрировали несколько действующих ИС (в том числе RSFQ аналого-цифровой преобразователь), включающих до 2000 джозефсоновских переходов каждая. Три попытки создать сверхпроводниковый компьютер (1969-1983 гг. – IBM, США; 1970–1981 гг. – НИИФП, Зеленоград, СССР; 1981–1990 гг. – MITI, США) оказались неудачными из-за непреодолимых в то время технологических трудностей. Современная ниобиевая технология с использованием джозефсоновских переходов с двойным барьером позволяет сформировать десятки тысяч стабильных переходов с воспроизводимыми характеристиками. Это – так называемые S–N–I–S-контакты: «сверхпроводник–нормальный металл–изолятор–сверхпроводник» (обычно это – Nb/Al/AlO x /Nb), работающие при температуре 4-5 К. NbN-технология позволяет перейти к рабочей температуре 10 К. Принципиально более высокие рабочие температуры и быстродействия достижимы с использованием высокотемпературных сверхпроводников, но это потребует достаточно долгого времени и огромного финансирования. В 2000 г. в США была предпринята новая попытка создания сверхпроводникового квантового компьютера производительностью до 10 15 операций с плавающей запятой в секунду, а в 2004 г. была реализована сверхпроводниковая компьютерная петафлопс-система. При этом была определена оптимальная комбинация различных новейших технологий – сверхпроводниковой логики, сети оптоволоконных соединений, голографической оптической и полупроводниковой памяти. Особенность новой системы – использование распределённой памяти, включающей голографическую, полупроводниковую (SRAM) и криогенную (CRAM) компоненты. Стержень системы – сверхпроводниковые процессоры, использующие RSFQ-логику. Значительный шаг в реализации сверхпроводникового квантового компьютера был сделан в 2003 г., когда Т. Ямамото с соавторами удалось продемонстрировать образование т. н. «запутанного состояния» между двумя твёрдотельными сверхпроводниковыми кубитами. Разработанная структура квантового компьютера отличалась от той, на которой уже было продемонстрировано когерентное взаимодействие двух квантовых битов (кубитов), наличием двух затворов, каждый из которых управлял состоянием соответствующего кубита. Управляющий кубит имел вид петли СКВИДa, а сами кубиты взаимодействовали друг с другом через ёмкость. На такой системе двух сверхпроводящих кубитов Т. Ямамото с соавторами успешно выполнили логическую квантовую операцию CNOT («контролируемое НЕ»). Известно, что классический компьютер начинается с одного бита, далее идёт простая арифметика наращивания количества битов. Началом квантового компьютера можно считать только два кубита, выполняющих операцию CNOT. Операция CNOT в 2003 г. не была выполнена в полном объеме. Она была продемонстрирована только для амплитуды состояний, но её выполнение с учетом фазы состояния не было осуществлено. До этого подобное удавалось проделать только с молекулами и атомами в магнитных ловушках. В 2005 г. А. Вальрафу с соавторами удалось проследить за поведением одиночных джозефсоновских вихрей, что открыло перспективу их использования в качестве носителей битов квантовой информации. Для изготовления масштабируемого квантового процессора нужно научиться сохранять когерентность квантовых состояний в больших системах и управлять этими состояниями. Мезоскопические твёрдотельные объекты, такие как джозефсоновские контакты и квантовые точки, легко масштабируются и управляются локальными электрическими сигналами. В то же время, одной из основных проблем сверхпроводникового квантового компьютера является организация взаимодействия между удалёнными кубитами. Напротив, квантовые оптические системы на основе атомов или ионов в магнитной ловушке подвержены декогерентизации в гораздо меньшей степени. Но их проблемы связаны со сложностью миниатюризации и интеграции в электрические цепи. Они не позволяют использовать такое число кубитов, которое достаточно для практического применения. В данном случае невозможно организовать надёжную адресацию к определённым атомам при большом их количестве. В 2005 г. в США была продемонстрирована возможность организации необходимого взаимодействия с помощью резонатора, как и в квантовом компьютере на атомах в ловушке. В качестве «атомов» выступали два зарядовых кубита, основанные на джозефсоновских контактах, которые имели ёмкостную связь с микроволновым резонатором. При этом удалось наблюдать запутанное состояние трёх объектов – двух кубитов и фотона в резонаторе. В 2006 г. был предложен способ интеграции одночастичных систем (полярных молекул) с мезоскопическими твёрдотельными устройствами, который допускает эффективный контроль когерентных состояний молекул (например, CaBr) и взаимодействий между ними. Роль базисных состояний кубитов играют вращательные состояния молекул. Операции с кубитами осуществляются посредством электрических затворов. Молекулы располагаются на субмикронных расстояниях от сверхпроводникового СВЧ-резонатора, через который и осуществляется связь между ними. Запутанные состояния удалённых друг от друга кубитов формируются за счёт обмена СВЧ-фотонами. В этом случае шумы – одно из главных препятствий для квантовых вычислений – удаётся подавить до очень низкого уровня. В 2009 г. Ди Карло с соавторами успешно осуществили двухкубитные варианты квантовых алгоритмов Дойча и Гровера, основанные на использовании запутанных квантовых состояний. Хотя характерное время декогерентизации сверхпроводниковых кубитов (порядка 1 мкс) на несколько порядков меньше, чем у ионов в ловушке, но зато и операции с ними можно осуществлять гораздо быстрее (в данном случае для достижения конечного результата потребовалось около десяти операций). Число кубитов можно многократно увеличить путем механического наращивания количества сверхпроводящих контуров с использованием хорошо разработанной технологии. Большой проблемой, однако, остаются сверхнизкие рабочие температуры (примерно 1 мК). В 2007 г. было объявлено о создании и демонстрации в Канаде первого в мире квантового компьютера. Компьютер «Орион» сделан из ниобия, с использованием кубита постоянного тока. В массиве (4-4) кубитов связь между ними реализовывалась схемотехнически. При этом решаемыми задачами являлись элементарные задачи перебора. Скептицизм, проявленный научным сообществом по поводу практической реализации этого компьютера, в первую очередь был связан с вопросами функционирования кубитов (время декогерентизации, надёжность ввода и считывания данных, собственно квантовые явления в кубите, степень связи между кубитами и её контролируемости и т. д.). Очевидно, можно предположить, что момент создания квантового компьютера наступит, когда будет продемонстрировано решение какой-нибудь практически важной задачи, причём, полученное быстрее, чем на классическом компьютере. Будущий сверхпроводниковый квантовый компьютер позволит сформировать инфраструктуру для изготовления и последующей эксплуатации криогенных ИС, в частности будут решены вопросы, связанные с необходимостью использовать сверхнизкие рабочие температуры. Эта инфраструктура будет способствовать более широкому применению сверхпроводниковых вычислительных устройств. При этом сфера применения низкотемпературной электроники может быть достаточно широкой и включать аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, цифровые СКВИДы, цифровые автокорреляторы, генераторы псевдослучайных сигналов и применения, связанные с высокими уровнями радиации. Одно из возможных направлений применения такого квантового компьютера будет связано с существованием квантового алгоритма, который позволит эффективно моделировать различные гамильтонианы, описывающие спаривание электронов (например, БКШ-гамильтониан) на квантовом компьютере, основанном на явлении ядерного магнитного резонанса. Этот алгоритм даст возможность найти спектр низкоэнергетических возбуждений в окрестности энергетической щели между основным и первым возбуждённым состояниями. Он может быть, в частности, использован для проверки применимости модели БКШ к мезоскопическим сверхпроводящим системам, таким как ультрамалые металлические зерна.

Комнатная сверхпроводимость

В настоящее время остро стоит вопрос о получении сверхпроводников комнатной температуры. В прессе постоянно проскакивают ничем не подтвержденные сведения о создании таких материалов. Хотелось бы привести текст следующей статьи «Физики нашли признаки сверхпроводимости в комнатных условиях», выложенной на сайте «Нанотехнологическое сообщество» от 16 сентября 2012 года.

«Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.

"В целом, данные нашего эксперимента указывают на то, что сверхпроводимость при комнатной температуре осуществима, и что использованные нами методы могут проложить дорогу к новому поколению сверхпроводников, чье появление принесет пока сложно оценимую пользу для человечества," - заявил руководитель группы физиков Пабло Эскуинаци (Pablo Esquinazi) из Лейпцигского университета (Германия).

Эскуинаци и его коллеги исследовали физические свойства графита и других форм углерода. В ходе одного из экспериментов ученые засыпали графитовый порошок в пробирку с водой, размешали его и оставили в покое на 24 часа. После этого физики отфильтровали графит и высушили его в печи при температуре 100 градусов.

В результате этого ученые получили набор из гранул графита, обладающих крайне интересными физическими свойствами. Так, поверхность этих зерен обладает сверхпроводящими свойствами, которые сохраняются даже при температуре 300 градусов Кельвина, или 26 градусов Цельсия.

Это проявлялось в том, что внутри зерен появлялись характерные резкие фазовые переходы магнитного момента, существующие в классических высокотемпературных сверхпроводниках. Физикам так и не удалось проверить, обладает ли графит двумя другими основными признаками таких материалов: отсутствием сопротивления и так называемым эффектом Мейснера - полным вытеснением магнитного поля из тела проводника.

Тем не менее, открытие даже одного из эффектов позволяет предположить, что высокотемпературные сверхпроводники могут функционировать и при комнатной температуре.

К сожалению, зерна графита, полученные Эскуинаци и его коллегами, нельзя использовать в качестве "строительного материала" для сверхпроводников. Во-первых, сверхпроводящими свойствами обладает лишь 0,0001% от массы графита из-за того, что этот эффект наблюдается только на поверхности зерен. Во-вторых, эта форма графита чрезвычайно хрупкая, и физические свойства зерен теряются безвозвратно даже при малейших деформациях.

В своих последующих работах физики планируют изучить поверхность зерен и роль атомов водорода, которые остаются на их поверхности после "водной бани" и последующего просушивания. Кроме того, Эскуинаци и его коллеги проверят, обладают ли такие зерна нулевым сопротивлением, и возникает ли в них эффект Мейснера.

Подборка лекций по сверхпроводимости

Перечень вопросов для подготовки (темы рефератов):

Открытие сверхпроводимости.

Свойства сверхпроводящего состояния, история их открытия.

Левитация.

Теория низкотемпературной сверхпроводимости.

Теория Гинзбурга-Ландау.

Открытие ВТСП.

Проблема создания теории высокотемпературной сверхпроводимости.

Структура ВТСП-лент.

Комнатная сверхпроводимость.

Поверхностная сверхпроводимость.

Применение ВТСП и КСП.

(77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Сверхпроводимость. Электрический ток в различных средах. Учебный фильм

✪ Сверхпроводимость (рассказывает физик Андрей Варламов)

✪ Сверхпроводимость (рассказывает физик Борис Файн)

✪ Урок 296. Температурная зависимость сопротивления металлов. Сверхпроводимость

✪ Высокотемпературная сверхпроводимость (левитация)

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

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). 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 .

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

1. Открытие сверхпроводимости - глава из книги Дж. Тригг «Физика ХХ века: Ключевые эксперименты»
2. Dirk van Delft and Peter Kes. The discovery of superconductivity (англ.) // Physics Today . - 2010. - Vol. 63. - P. 38-43 .
3. Алексей Левин. Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей (неопр.) . Элементы.ру (8 апреля 2011). Проверено 8 апреля 2011.

Для этого, пожалуй, придется вспомнить несколько дат и начать с 1911 года, когда голландский физик Камерлинг-Онкес в Лейденской лаборатории открыл новое явление сверхпроводимости. Затем ему же первому удалось получить сверхнизкую температуру и при минус 269 градусах превратить гелий в жидкость. Наконец появилась возможность охлаждать вещества в жидком гелии и изучать их свойства в совершенно новой, ставшей теперь доступной области температур.

В то время многие считали (этого же мнения придерживался и Оннес), что с приближением к -273 градусам электрическое сопротивление любого должно падать до нуля. Как заманчиво было, наконец, проверить это! Но подтверждение не получалось. Может быть, виноваты примеси? Подходящим металлом, который можно было исследовать в очень чистом состоянии, Оннесу показалась ртуть. И действительно - как и предсказывала электронная теория металлов - с понижением температуры сопротивление ртути закономерно уменьшалось. Все шло нормально до четырех градусов, как вдруг сопротивление полностью исчезло. Исчезло внезапно, сразу - скачком.

Впрочем, Омнес отнесся к этому довольно спокойно. Он принял это за подтверждение своей теории электрического сопротивления и назвал найденное им новое состояние ртути «сверхпроводящим». Но скоро выяснилось, что парадоксальный скачок сопротивления до нуля невозможно объяснить ни одной теорией и что открыл-то Оннес совсем не то, на что рассчитывал.

Что могло измениться в металле, почему при некоторой температуре (Оннес назвал ее критической) электронам уже ничто не мешает двигаться, почему они перестают взаимодействовать с атомами кристаллической решетки, или, как говорят физики, перестают рассеиваться на колебаниях решетки?

А может быть, сопротивление у вещества все же остается, просто становится таким маленьким, что его не удастся даже измерить? И сам Оннес, и многие экспериментаторы пытались «поймать» это остаточное сопротивление. Они использовали самые чувствительные методы, чтобы по затуханию электрического тока в сверхпроводящем кольце оценить величину сопротивления. Опыты эти продолжались до самого последнего времени и завершились знаменитым экспериментом Коллинза, где сверхпроводящее свинцовое кольцо с электрическим током сохранялось в жидком гелии около трех лет.

Самые чувствительные методы не обнаружили уменьшения тока. Значит, не просто хорошая электропроводимость, а сверхпроводимость. Продолжать эксперимент не было надобности: он показал, что «сопротивление» сверхпроводника, по крайней мере, в биллион раз меньше, чем у самой чистой меди.

Прошло 22 года, прежде чем было сделано второе, не менее поразительное открытие. Оказалось: сверхпроводимость - это не только «идеальная проводимость», но и «идеальный диамагнетизм». Напомним, что диамагнетики - это вещества, находящиеся «не в ладах» с магнитным полем. Помещенные в магнитное поле, они стремятся вытеснить его из себя и занять в пространстве такое положение, где напряженность поля минимальна. Как идеальный диамагнетик сверхпроводник не терпит внутри себя ни малейшего магнитного поля. Так, еще в 1933 году стало ясно, что нулевое сопротивление и нулевое магнитное поле - это два свойства сверхпроводящего состояния.

Постепенно во всех крупнейших центрах Европы и Америки начали разворачиваться работы по сверхпроводимости. В крупнейших - потому что только самым мощным научным учреждениям было «по карману» содержать дорогостоящее холодильное хозяйство и установки ожижения гелия.

Но ни высокая стоимость, ни дефицит жидкого гелия не помешали физикам за эти годы накопить большой фактический материал - открыть сотни новых сверхпроводников и обнаружить целый ряд совершенно неожиданных эффектов. Мы уже знаем около тысячи сверхпроводящих веществ - элементов, соединений, сплавов. Среди них - свыше двадцати элементов периодической системы Менделеева, вплоть до технеция, металла, который не существует на Земле в естественных условиях (его получают искусственно в атомных реакторах). Выяснилось, что сверхпроводимостью обладают сплавы металлов и неорганические соединения, состоящие из сверхпроводящих элементов и - что самое удивительное - не содержащие их. Долгое время первенство по самой высокой критической температуре держал нитрид ниобия (-259 градусов), потом была обнаружена сверхпроводимость при -256 градусах у силицида ванадия, а в 1954 году была зафиксирована рекордно высокая критическая температура: -254,8 градуса у станнида ниобия (сплава ниобия с оловом).

По некоторым свойствам, главным образом магнитным, сверхпроводящие вещества стали разделять на сверхпроводники первого и второго рода. Все вещества с высокими критическими температурами оказались сверхпроводниками второго рода. У них обнаружились и другие важные свойства: высокие значения критического магнитного поля и критической плотности тока. Что это значит? Было известно: сверхпроводимость можно «разрушить», не только повышая температуру выше критической, но и действуя магнитным полем. Так вот, образцы этих соединений оставались сверхпроводящими, даже если через них в сверхсильном магнитном поле пропускали токи плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр сечения.

В те же самые годы сверхпроводимость усиленно атаковали с другой стороны. Здесь не жаловались на нехватку гелия, на сложность и дороговизну оборудования. Перед теоретиками стояли другие трудности - математические. Кто только не брался за решение загадки сверхпроводимости. Только к 1957 году барьеры были, наконец, преодолены.

Открытие сверхпроводимости

Итак, общая теория сверхпроводимости появилась. Основная ее идея такова. Частицы одного знака должны - по закону Кулона - отталкиваться друг от друга. Этот закон, конечно, соблюдается и в сверхпроводниках. Но кроме такого взаимодействия, оказывается, в металле может быть и другое - слабое притяжение, возникающее между электронами через промежуточную среду. Эта среда - сама решетка металла, или, говоря точнее, ее колебания. И вот, если появляются условия, когда это притяжение становится больше сил отталкивания, наступает сверхпроводимость.

Сейчас уже никто не сомневается, что теория, в основном, правильно объясняет природу сверхпроводимости. Но значит ли это, что решены все проблемы? Спросите у теоретиков: «Почему у олова критическая температура равна 3,7 градуса, а у ниобия 9,2?». Увы перед такими важными вопросами теория пока пасует…

Обычный путь в физике: явление открыли - объяснили - научились использовать. Чаще всего развитие теории и разработка способов применения идут параллельно. Разумеется, в такой непривычной, далекой от повседневного быта области, как сверхпроводимость, слово «применение» надо понимать несколько иначе, чем обычно — это не тракторы и не стиральные машины. Применять - значит использовать уникальные эффекты, заставить их «работать». Пусть сначала только в лаборатории, пусть без шумных успехов и сенсаций.

А что, если попробовать изготовить сверхпроводящий магнит? - такой вопрос возник еще в двадцатые годы прошлого века. Известно ведь, наиболее сильные магнитные поля создают с помощью электромагнитов. Поля напряженностью до 20 тысяч эрстед удается получать таким методом довольно успешно, на сравнительно недорогих установках. А если нужны более сильные поля - сто и более тысяч эрстед? Мощность магнитов возрастает до миллионов ватт. Питать их нужно через специальные подстанции, а водяное охлаждение магнита требует расхода тысяч литров воды в минуту.

Магнитное поле - электрический ток - сопротивление связаны в единую цепочку. Как заманчиво было бы вместо этих громоздких, сложных и дорогих устройств изготовить миниатюрную катушку из сверхпроводящей проволоки, поместить в жидкий гелий и, питая ее от простого аккумулятора, получать сверхсильные магнитные поля. Реализовать эту идею удалось значительно позже - только тогда, когда были открыты новые материалы с высокими критическими полями и токами: сначала ниобий, потом сплав ниобия с цирконием, титайом. И, наконец, ниобий - олово. Во многих лабораториях мира уже «трудятся» портативные сверхпроводящие магниты, дающие поля около 100 тысяч эрстед. И несмотря на дороговизну жидкого гелия, такие магниты значительно выгоднее обычных.

Применение сверхпроводимости

Сильные магнитные поля - это всего лишь одна из множества областей возможных и отчасти осуществленных использования сверхпроводимости. Точнейшие приборы физического эксперимента - сверхпроводящие гальванометры и детекторы излучений, резонаторы со сверхпроводящим покрытием для микроволновой техники и для линейных ускорителей тяжелых частиц, магнитные линзы для электронных , электродвигатели на сверхпроводящих подшипниках без трения, трансформаторы и линии передач без потерь, магнитные экраны, аккумуляторы энергии, наконец, миниатюрные и быстродействующие «ячейки памяти» вычислительных машин - вот сильно сокращенный перечень проблем сегодняшней прикладной сверхпроводимости.

Уже говорят о том, что всю классическую электротехнику можно «изобрести» заново, если строить ее не на обычных проводниках электрического тока, а на сверхпроводящих материалах.

Ну, а если немножко помечтать? Ведь в космосе идеальные условия для работы сверхпроводящих устройств, идеальные условия сверхпроводимости. В вакууме космического пространства тело может нагреваться извне только за счет излучения (Солнца, например). Раз так, то достаточно любого непрозрачного экрана, и любой предмет в космосе полностью теплоизолирован. И раз сами элементы нашей воображаемой машины сверхпроводящие и ток течет по ним без сопротивления, тепло в них не выделяется. Жидкий гелий испаряться почти не будет, а значит, устройство сможет работать неограниченно долго. Вспомните опыт Коллинза, чья свинцовая баранка сохраняла ток почти три года.

Представляете, где-нибудь на орбите вокруг Луны вращается эдакая криогенная вычислительная машина, одна обслуживающая целые отрасли земного хозяйства, науки и транспорта? А сверхпроводящие магниты,- может быть, именно они будут удерживать плазму в термоядерных реакторах будущего? Или охлажденные электрические кабели, по которым абсолютно без всяких потерь можно передавать электрическую энергию за десятки тысяч километров?

Фантазия ли это? Все, о чем здесь говорилось, принципиально возможно. Значит, будет сделано. Но когда?

Это прекрасная область, как для фантазии, так и для глубокой теоретической и экспериментальной работы.

А пока сплав ниобий-олово остается единственным веществом с максимальной критической температурой минус 254,8 градуса, причем никто не может понять, за какие достоинства выделила его природа из тысяч других неорганических веществ. Никакие добавки других элементов, никакие изменения внутренней структуры этого сплава не смогли повысить его критической температуры. Поиски других, аналогичных, двойных и тройных сплавов тоже оказались безуспешными - ни разу никому не удалось подняться выше этого заколдованного числа - минус 254,8 градуса. Стали поговаривать о том, что, видимо, эта температура не случайна, вероятно, это предел, который не удастся перейти. Остается лишь найти этому факту теоретическое обоснование, разыскать причину, почему в металлических системах не может быть сверхпроводимости при более высоких температурах.

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.

Впервые гелий был ожижен в 1908 г. Хайке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, и с того времени стало возможным изучать физические явления при температурах лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (точка кипения гелия при атмосферном давлении 4,2 К).

Одно из направлений исследований касалось зависимости сопротивления металлов от температуры. Камерлинг-Оннес уже проводил подобные исследования при температурах, уменьшающихся вплоть до температуры жидкого воздуха (около 80 К).

Для нескольких чистых металлов он обнаружил примерно линейную зависимость, однако он установил, что подобная зависимость не может продолжаться беспредельно, так как в противном случае при абсолютном нуле сопротивление стало бы отрицательным. Сэр Джеймс Дьюар продолжил изыскания Камерлинг-Оннеса и достиг температуры жидкого водорода (20 К), при этом выяснилось, что сопротивление действительно начинает уменьшаться медленнее.

Именно этого и следовало ожидать, причем не только по уже названной причине, но также исходя из принятых в то время представлений о металлах и их свойствах.

Считалось, что электрическая проводимость осуществляется путем переноса электронов, а сопротивление возникает в результате соударений электронов с атомами металлов.

Линейный характер уменьшения сопротивления вполне согласовывался с предполагаемым изменением движения электронов при понижении температуры. Ожидалось, однако, что При достаточно низких температурах электроны «конденсируются» на атомах, тогда сопротивление при какой-то температуре должно быть минимальным, и затем металл должен переходить в диэлектрик.

Наблюдаемое в действительности поведение металлов резко отличалось от предполагаемого. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры сопротивление большинства металлов стремится к постоянной величине, тогда как у некоторых металлов оно полностью исчезает при определенной, характеристической, температуре, которая, как выяснилось, зависит от напряженности магнитного поля. Эти эксперименты относятся к числу работ, за которые Камерлинг-Оннес был удостоен в 1913 г. Нобелевской премии по физике.

В течение более двух десятилетий именно исчезновение сопротивления считалось главной, отличительной чертой сверхпроводимости. Однако некоторые особенности этого явления приводили ученых в замешательство.

Так, если магнитное поле приложить к обычному проводнику (только не ферромагнетику), часть магнитного потока проходит через толщу проводника. Если же приложить его к идеальному проводнику, в последнем индуцируются поверхностные токи, которые создают внутри проводника магнитное поле, полностью компенсирующее приложенное внешнее поле, и тем самым поддерживают внутри проводника нулевое значение магнитного потока.

Это означало, что состояние проводника в магнитном поле зависит от того, каким способом это состояние было достигнуто - ситуация в высшей степени неприятная.

Позднее, в 1933 г., В. Мейснер, Р. Оксенфельд и Ф. Хайденрейх показали, что металл, становясь сверхпроводником, в действительности выталкивает магнитный поток, если температура понижается ниже критического значения, когда образец находится в магнитном поле.

Следующий этап исследования заключался в изучении вновь открытого состояния при больших значениях тока. Необходимость такого исследования была продиктована следующим обстоятельством: если бы сопротивление в действительности не равнялось нулю, то больший ток должен был бы приводить к большему, а следовательно, и легче регистрируемому значению разности потенциалов.

Однако полученные результаты лишь еще более запутали ситуацию, так как наблюдалось «особое явление: при любой температуре ниже 4,18 К для ртутной нити, заключенной в стеклянный капилляр, существовало некое пороговое значение плотности тока, при превышении которого характер явления резко изменялся. При плотностях тока ниже пороговой электрический ток проходит без сколько-нибудь заметных разностей потенциалов, приложенных к концам нити. Это говорило о том, что нить не обладает сопротивлением.

Как только плотность тока превосходила пороговое значение, появлялась и разность потенциалов, которая к тому же росла быстрее, чем сам ток». Затем была поставлена серия экспериментов с целью найти объяснение новому эффекту. Прежде всего было замечено, что пороговая плотность тока возрастала с понижением температуры - примерно пропорционально отклонению от температуры перехода в сверхпроводящее состояние (до тех пор, пока разность между температурами была не слишком велика). Естественно напрашивалось предположение, что из-за нагрева, обусловленного каким-то эффектом, температура ртути поднималась выше точки перехода. Была поставлена задача - найти этот источник тепла.

Используя различные конфигурации ртутной нити, удалось установить, что тепло не подводилось снаружи. Рассматривалось влияние примесей в ртути, хотя в процессе перегонки они должны были быть удалены; опыты показали, что эффект нагревания не связан с примесями, специально добавленными в нужных количествах.

Далее было высказано предположение, что, возможно, контакт ртутной нити с обычным проводником, в каком-либо виде оказавшемся в ней или образованным внутри ее, способен аннулировать сверхпроводящие свойства ртути. Для проверки был взят стальной капилляр, но это не привело к каким-либо определенным результатам, и лишь в дальнейшем, в результате опытов того же типа на олове, это предположение было исключено. В целом эксперименты с ртутью не дали ответа на поставленный вопрос.

Однако, как установил Камерлинг-Оннес, ртуть являлась не вполне подходящим объектом для систематических исследований. «Совместное действие многих обстоятельств приводило к трудностям при работе с ртутью в капиллярах.

День эксперимента с жидким гелием требовал огромной подготовки, и, когда дело доходило непосредственно до описанных здесь экспериментов, на них оставалось лишь несколько часов. Чтобы при этих условиях проводить точные измерения с жидким гелием, необходимо заранее наметить программу и быстро и методично выполнять ее в день эксперимента. Изменения в постановке эксперимента, необходимость которых вызывалась наблюдаемыми явлениями, приходилось обычно вносить на следующий день.

Зачастую, в связи с некоторой задержкой, обусловленной трудоемкостью процесса изготовления сопротивлений, гелиевая установка использовалась для каких-либо других целей. Когда же мы могли снова заняться экспериментом, случалось, что приготовленные сопротивления оказывались бесполезными, так как при замораживании ртути нить разрывалась, и все наши усилия становились напрасными. В этих условиях для того, чтобы обнаружить и исключить источники неожиданных и вводящих в заблуждение помех, требовалось очень большое время.

Кроме того, желательно было охлаждать образец не через стенку капилляра, а путем его прямого контакта с жидким гелием. Поэтому, когда Камерлинг-Оннес обнаружил, что олово и свинец обладают свойствами, сходными со свойствами ртути, он продолжил эксперименты с этими двумя металлами. Именно тогда поставленная проблема и была решена.

По существу, надежда на ее решение возникла уже при проведении опытов, в которых была обнаружена сверхпроводимость свинца. Из него можно было легко изготовить проволоку, и было сделано довольно большое количество провода с поперечным сечением 70 мм2. Для одиночного проводника такого размера пороговое значение тока при 4,25 К составляло 8 А. Далее этим проводом на сердечнике диаметром 1 см была намотана катушка длиной 1 см содержащая 1000 витков. Обмотка имела шелковую изоляцию, которая смачивается жидким гелием. Как оказалось, пороговое значение тока составляло лишь 0,8 А.

В 1913 г. интерес к получению сильных магнитных полей уже был достаточно велик, причем не вызывало сомнений, что основная проблема связана с рассеянием мощности в обмотке. Например, Перрен предложил использовать для охлаждения жидкий воздух; ожидалось, что благодаря уменьшению сопротивления обмотки с понижением температуры уменьшится количество выделяемого в ней тепла, что даст определенный выигрыш.

Расчеты показали, однако, что выигрыша таким путем не достичь, в первую очередь это обусловлено тем, что весьма трудно добиться требуемой теплопередачи между предположительно компактной катушкой и охладителем. Камерлииг-Ониес правильно оценил возможности использования с этой целью сверхпроводников, обратив внимание на то, что в них тепло вообще не должно выделяться. Говоря об этом, он, однако, допускал «возможность того, что магнитное поле может привести к возникновению сопротивления в сверхпроводнике». И он приступил к исследованию этого вопроса.

«Были причины предполагать, что этот эффект окажется слабым. Прямое доказательство того, что в сверхпроводниках под действием магнитного поля возникает лишь незначительное сопротивление, было получено, когда оказалось, что описанная выше катушка остается сверхпроводящей, если даже через нее проходит ток 0,8 А. Поле самой катушки достигало в этом случае нескольких сотен гаусс, и в поле такого порядка величины находилась большая часть витков, однако никакого сопротивления не наблюдалось». Поэтому Камерлинг-Оннес создал такую установку для проведения этих экспериментов, которая позволила бы изучать явления, наблюдаемые лишь в полях порядка килогаусс.

Результаты вновь оказались неожиданными. Сверхпроводящую свинцовую катушку, использованную в предшествующих опытах, помещали в криостат так, что плоскость витков была параллельна магнитному полю.

«Прежде всего мы убедились в Том, что катушка будет сверхпроводящей в точке кипения гелия; она оставалась сверхпроводящей и тогда, когда через нее пропускали ток 0,4 А, хотя витки находились в заметном магнитном поле, создаваемом протекающим в них током.

Затем было приложено магнитное поле. При величине поля 10 кГс существовало значительное сопротивление, при 5 кГс оно было несколько меньше. Эти опыты достаточно убедительно показали, что магнитное поле при большой интенсивности вызывает появление сопротивления в сверхпроводниках, а при малой - нет. В ходе дальнейших исследований была получена зависимость сопротивления от поля.

Камерлинг-Оннес еще не был готов к тому, чтобы связать критический ток с критическим значением магнитного поля. Он не имел никаких сомнений в том, что открытое здесь явление связано с внезапным возникновением при определенной температуре обычного сопротивления в сверхпроводниках - эту связь выяснили другие исследователи. Тем не менее можно было считать, что фундамент заложен.

С течением времени, однако, парадокс, описанный в начале этой главы, стал весьма очевидным. Небольшое изменение формулировки еще более усилило его. Если вещество, находясь в магнитном поле, должно было переходить в идеально проводящее состояние при понижении температуры, то пронизывающий образец магнитный поток в момент перехода должен был бы остаться «вмороженным» в него и сохраниться при последующем выключении поля (если температура при этом поддерживается неизменной).

Приготовив подобным образом различные образцы, можно было бы создать множество (в принципе бесконечное) различных состояний, существующих при одинаковых внешних условиях, которые, возможно, могли бы даже находиться в тепловом контакте друг с другом, т. е. в состоянии равновесия.

Вплоть до 1933 г. подобная возможность не была опровергнута экспериментально, а некоторые эксперименты, казалось, даже подтверждали ее. Существовали даже и теоретические соображения в ее пользу. И в этот момент Мейснер, изучая переход в сверхпроводящее состояние, был поражен появлением своеобразного гистерезиса: возврат монокристалла олова в нормальное состояние происходил при температуре, слегка превышающей температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Этот эффект наблюдался даже тогда, когда сопротивление в каждой точке измерялось при двух направлениях тока методом, специально разработанным для исключения термоэлектрических явлений, если направление тока не изменялось, эффект усиливался. Гистерезис наводил на мысль о том, что явление связано с изменением проницаемости образца.

Мейснер писал об этом так: «Если бы распределение измеряемого тока и созданного им магнитного поля не изменялось, не было бы основания для возникновения гистерезисных явлений». Поэтому он вместе со своими сотрудниками предположения, что его проницаемость падает до нуля. Если бы это вообще имело место, то ни одна силовая линия поля не могла бы кончаться на внутренней поверхности полости сверхпроводника, тогда как эксперименты с очевидностью показывают, что ситуация именно такова.

Прошло немало лет, прежде чем удалось создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости; по существу, этот вопрос не был окончательно решен даже в 1972 г. Однако открытие Мейснера по крайней мере позволило дать удовлетворительную макроскопическую трактовку наблюдаемых явлений.

Дж. Тригг "Физика ХХ века: Ключевые эксперименты"