Применение сверхпроводников. Школьная энциклопедия

Сверхпроводимость, как явление, возникает в результате образования куперовских пар электронов, ведущих себя подобно единой частице.

Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением , и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. Закон Ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет -273°С по шкале Цельсия или -460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908-1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. Химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары .

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Müller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже -100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости , до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

John Bardeen, 1908-91

Американский физик, один из немногих дважды лауреатов Нобелевской премии. Родился в Мэдисоне, штат Висконсин в семье профессора-патологоанатома. Образование получил в Мэдисонском и Принстонском университетах. В перерыве между учебой в первом и втором несколько лет проработал в нефтяной компании Gulf Oil в качестве сейсмолога-разведчика нефтяных залежей. В годы второй мировой войны служил в навигационной лаборатории ВМФ США в Вашингтоне, по окончании войны работал в радиолаборатории телефонной компании Bell, где стал соавтором изобретения транзистора, за что в 1956 году был удостоен своей первой Нобелевской премии по физике. После этого Бардин стал профессором Университета штата Иллинойс, где занялся разработкой теории БКШ, за которую, вместе с соавторами, в 1972 году получил Нобелевскую премию во второй раз.

ны иметь целый (в том числе нулевой) спин. Бозоны - коллективисты. Они стремятся объединиться не только с ближайшими соседями, образуя «бозе-конденсат», но и присоединить к себе «свободных» соседей из ближайшего окружения. Образуется как бы «коллективная частица», состоящая из большого числа отдельных бозонов. Такое образование, двигаясь как одно целое сквозь кристалл, не будет реагировать ни на микроскопические дефекты решетки, ни на ионы в ее узлах.
Ho электроны принадлежат к классу фермионов, так как они имеют спин S = 1/2, а его проекция может иметь только два значения: -1/2 и +1/2. Фермионы являются индивидуалистами, и каждый из них, имея свою волновую функцию, взаимодействует поодиночке со всеми окружающими их частицами. Поэтому они не могу образовывать “бозе- конденсат”. В теории БКШ и последующих теориях дается “обоснование” возможности объединения электронов в пары, несмотря на куло- новское отталкивание друг от друга.
В 1956 году Л. Купер выдвинул гипотезу, что электроны, при определенных условиях, могут “слипаться” в пары. При этом их спины должны быть антипараллельны, т.е. объединяться могут электроны со спинами -1/2 и +1/2. Суммарный спин у этой пары будет равен нулю, и она становится бозоном. Такие пары электронов стали называть “ку- перовскими парами”.
Дж. Бардин предложил гипотезу, объясняющую природу сил притяжения между электронами при их объединении в куперовские пары. По этой гипотезе, ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, являются квантовой системой, и в этой системе имеются квазичастицы, соответствующие колебаниям решетки, которые называются фонона- ми. Электроны, обмениваясь фононами, испытывают притяжение друг к другу, сила которого превышает силу кулоновского отталкивания.
Куперовские пары имеют конечный размер порядка 1(Н- 10~5 см, а среднее расстояние между электронами в металле около 10-* см (этот парадокс является проявлением квантовых свойств вещества). Почему же они не мешают друг другу? Отвечая на этот вопрос, один из авторов теории БКШ Шриффер для сравнения уподобил электроны в сверхпроводнике с танцорами в современной дискотеке: двое танцуют, и хотя между ними много других танцоров, но они не теряют связь друг с другом. В процессе дальнейших исследований явления сверхпроводимости было установлено, что помимо фонового, должен существовать и другой механизм передачи взаимодействия между электронами. Предполагается, что в веществе могут существовать и другие виды квазичастиц (плазмоны, магноны и т.п.), которые являются переносчиками взаимодействия между электронами.
Таким образом, при разработке теории явления сверхпроводимости основные усилия ученых были направлены на раскрытие механизма взаимодействия между электронами при их объединении в куперовские пары, в котором главную роль якобы играют разного рода квазичастицы (фононы, плазмоны, магноны). Ho подобные частицы - это реальность или миф? Экспериментально это доказать невозможно, т.к. квазичастицы существовать вне тела не могут. Поэтому попытку объяснения явления сверхпроводимости с помощью куперовских пар нельзя считать удачной.
Существующие научные представления об электрическом токе, как направленном, упорядоченном движении электррнов по проводнику, на наш взгляд, не позволяют разработать удовлетворительную теорию, объясняющую механизм проявления многих свойств сверхпроводников. Хорошая теория должна дать ответы на такие вопросы, как, например, почему у ртути, олова, свинца и таллия наблюдается сверхпроводимость, а у хороших проводников из серебра, золота и меди нет? Почему у некоторых монокристаллических сверхпроводников сопро-. тивление поперек слоя в десятки раз превышает сопротивление вдоль них? Почему у многих сверхпроводников при нормальной температуре удельное сопротивление в десятки раз выше, чем у меди?
Однако, несмотря на то, что с разработкой теории явления сверхпроводимости дела обстоят неважно, экспериментаторы практически «вслепую» получили многочисленные классы высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Открытие в 1986 году физиками Г. Беднор- цем и А. Мюллером (Швейцария) класса металлооксидов с высокими температурами сверхпроводящего перехода (Tic ~ 40 К) вызвало настоящий «сверхпроводящий» бум. Типичными представителями сверхпро- водниковых сплавов являются соединения на основе лантана и иттрия: La - Ba - Cu - О, Y - Ba - Cu - О. За последующие десять лет исследований температура сверхпроводящего перехода при атмосферном давлении у некоторых сплавов была доведена до 140 К. В таблице 5.8.1 приведены некоторые соединения трех классов ВТСП на основе теллура, висмута и ртути, созданных в этот период .
Структура всех этих сверхпроводниковых сплавов соответствует так называемым слоистым перовскитам, характерной особенностью которых является чередование в их слоях элементарных ячеек с фиксированными сторонами. В частности, отметим, что ВТСП на основе теллура и висмута в своем составе не содержат элементов, которые сами являются сверхпроводниками.
Итак, что же определяет проявление сверхпроводимости у металлов и рплавов? Скорее всего, все те основные факторы, которые влияют и на величину электрического сопротивления проводников при обыч
ной температуре: строение электронных оболочек атомов, форма кристаллической решетки, температура (рис. 5.8.1).
Рассмотрим явление сверхпроводимости с позиции эфирной природы электрического тока. Электрический ток - это направленное волнообразное движение эфитонов под воздействием электрического поля. Сопротивление движению эфитонов определяется двумя основными факторами: величиной межатомных расстояний и силой электромагнитного взаимодействия с эфитонами межатомного эфирного пространства, которые, свою рчередь, зависят от формы кристаллической решетки вещества, электронной конфигурации атомной оболочки и температуры.

Сверхпроводимость-это свойство не отдельных атомов, а всего их коллектива, атомной структуры образца. Она возникает тогда, когда межатомные расстояния, хотя бы по одному из направлений кристаллической решетки, позволяют эфитонам тока беспрепятственно двигаться по ней, а их взаимодействие с эфитонами межатомного эфирного поля должно быть сведено к нулю.
Межатомные расстояния определяются формой кристаллической решетки, особенностями строения электронных оболочек атомов (сортов атомов), а также температурой. Наибольший «вклад» в величину межатомных расстояний вносит форма кристаллической решетки. Об этом свидетельствует слоистость структуры ВТСП, полученных на основе лантана, иттрия, теллура, висмута и ртути. У всех этих сплавов форма кристаллической решетки тетрагональная или ромбическая. В первой элементарная ячейка имеет Вид правильной четырехгранной призмы с фиксированными сторонами (а = б ~ 3,85 А, с ~ 12,5 - 36 А), а во вто
рой - прямоугольного параллелепипеда с произвольными сторонами.
У чистых металлов явление сверхпроводимости также очень сильно зависит от формamp; решетки. В частности, серое олово - полупроводник, а белое олово - сверхпроводник, у которого Tit =
= 3,72 К, а две кристаллические модификации лантана имеют разные значения Тк.
При понижении температуры тела происходит снижение амплитуды колебаний эфитонов в электронных оболочках атомов, в результате чего объем каждого атома уменьшается, а межатомные расстояния в решетке, несмотря на сокращение размера тела в целом, могут возрастать. Вместе с тем, изменение межатомных расстояний по сторонам элементарной ячейки, особенно в сплавах, происходит неодинаковым образом. В большей степени будет расти та: сторона, где расстояния между атомами были больше. Это объясняется тем, что при меньшем расстоянии между атомами сила межатомного взаимодействия всегда сильнее и поэтому противодействие увеличению расстояния между ними тоже будет сильнее. В свою очередь, возрастание межатомных расстояний приводит к снижению плотности эфитонов в межатомном эфирном поле.
Неравномерность изменения межатомных расстояний по различным граням кристаллической решетки при понижении температуры вызывает смещение атомов из положения их равновесия и изменение периодичности структуры самой решетки. Резкое изменение формы кристаллической решетки в веществе, по-видимому, наступает при понижении температуры до Tt, равной отрицательной точке Кюри.
Быстрое изменение формы кристаллической решетки вызывает такое увеличение межатомных расстояний по отдельным ее граням, что плотность межатомного эфирного поля в них снижается до кри
тической величины. Кроме того, при низкой температуре амплитуда колебаний эфитонов значительно уменьшается. При такой плотности межатомного эфирного поля и малой амплитуде его колебаний под воздействием направленного движения эфитонов в нем происходят своеобразные «разрывы» в виде ударной волны, которые позволяют току беспрепятственно двигаться по кристаллической решетке, если сила электромагнитного взаимодействия эфитонов тока с эфитонами межатомного эфирного поля будет сведено к нулю. Величина этой силы зависит как от электронной конфигурации атомов, так и от температуры сверхпроводника.
Как видно из таблицы 5.8.2, все сверхпроводники по электронной конфигурации атомов могут быть сгруппированы в две группы. К первой группе относятся в основном элементы 3-5 групп периодической системы, а ко второй группе - элементы 12-14 групп.
Таблица 5.8.2

Общим правилом для всех сверхпроводников является то, что заполнение последнего внутреннего слоя заканчивается электронами, находящимися в состоянии d (в полном или неполном составе), т.е. в их электронных оболочках отсутствуют электроны с состояниями fag.

У сверхпроводников первой группы характерной особенностью электронной конфигурации является то, что во внешнем слое электронной оболочки атома находятся в основном 2 электрона в состоянии s (у ниобия I электрон), а в ближайшем внутреннем слое до его полного заполнения не хватает 6-9 электронов (в состоянии d). При этом, заполнение электронами (в состоянии s) внешнего слоя начинается тогда, когда в предыдущем слое еще отсутствуют электроны в состоянии d. А это означает, что в результате взаимодействия между электронами энергия электрона в состоянии s внешнего слоя оказывается меньше, чем энергия любого электрона в состоянии d предыдущего слоя, т.е. у сверхпроводников первой группы энергия электронов внешнего слоя оказывается незначительной. И еще, магнитные моменты двух электронов, находящиеся во внешнем электронном слое атома, под воздействием “спин- вращающих” сил стремятся занять противоположные направления.
Примечания. В таблице не приведены химические элементы уран (92U 5 f3/6dl/7s2 - период 7, группа 6) и иридий (77Ir 5d7/6s2 - период 6, группа9), которые также являются сверхпроводниками. Данные о строении электронной оболочки содержат атомный номер элемента, символ элемента, электронную конфигурацию. Так, для лантана: 57 - атомный номер, La - символ элемента, 5dl/6s2 - электронная конфигурация (в 5-ом слое в состоянии d находятся один электрон, а в 6-ом слое в состоянии s - два электрона). Возможное число электронов в оболочке по слоям: в первом слое (от ядра) - не более 2, во втором - не более 8, в третьем - не более 18, в четвертом - не более 32, в пятом - не более 18 (при Z lt; 89 или не более 32 при Z gt; 89), в шестом - не более 8, в седьмом - не более 2. Каждый электронный слой атома последовательно заполняется электронами в состояниях s, р, d, f, g. Максимально возможное число электронов в каждом состоянии: s - 2, р - 6, d- 10, f- 14, g- 18
При подобной ориентации магнитных моментов электронов их общий магнитный момент становится равным нулю, т е. электроны оказывают минимальное воздействие на ориентацию по магнитной составляющей эфитонов межатомного эфирного поля.
У сверхпроводников второй группы заполнение последнего внутреннего электронного слоя атомов заканчивается полным составом электронов в состоянии d (d = 10), а во внешнем электронном слое находятся I, 2 или 3 электрона. А это означает, что поскольку внутренние слои электронных оболочек атомов в каждом слое содержат четное число электронов, то их общий магнитный момент должен быть равен нулю. Если во внешнем слое находятся два электрона, то их общий магнитный момент также равен нулю, т.е. в этом случае атом в целом маг- нетонейтрален. При нечетном же числе электронов во внешнем слое (I или 3) магнитный момент одного из электронов будет не скомпенсирован, и он может оказывать определенное влияние на ориентацию по магнитной составляющей эфитонов межатомного эфирного поля.
Так как у атомов сверхпроводников второй группы в последнем внутреннем электронном слое всегда находится по 10 электронов, то они “экранируют” кулоновские силы притяжения между ядром атома и внешними электронами сильнее, чем у сверхпроводников первой группы. Поэтому нечетный электрон внешнего слоя может легче изменять ориентацию своего магнитного момента под воздействием эфитонов тока.
Таким образом, на возникновение явления сверхпроводимости у металлов и сплавов оказывают влияние следующие основные факторы: структура и форма кристаллической решетки вещества, электронная конфигурация оболочек атомов и температура. Действие всех этих факторов на проявление сверхпроводимости комплексное.
При понижении температуры сверхпроводника до отрицательной точки Кюри (-Тк) наступает быстрое изменение формы кристаллической решетки и уменьшение амплитуды колебаний межатомного эфирного поля, которые вызывают резкое увеличение межатомных интервалов по отдельным граням решетки, уменьшение плотности межатомного эфирного поля и его энергетики. Большие межатомные интервалы и малая энергетика межатомного эфирного поля приводят к тому, что в этом поле под воздействием направленного движения эфитонов тока происходят своеобразные «разрывы» в виде ударной волны, которые позволяют ему беспрепятственно двигаться по кристаллической решетке. Этому способствуют электронные конфигурации оболочек атомов сверхпроводников, электроны внешних слоев которых практически не оказывают воздействия на ориентацию эфитонов межатомного эфирного поля, что сводит силу электромагнитного взаимодействия эфитонов этого поля с эфитонами тока к нулю. Такрв возможный механизм возникновения явления сверхпроводимости.
Рассмотрим механизм проявления основных свойств сверхпроводников с позиции эфирной природы электрического тока. Считается, что электрический ток в сверхпроводнике продолжает течь и после того, когда отключается напряжение. Это утверждение базируется наследующем опыте Камерлинг-Оннеса (1911).
Замкнутый проводник из чистой твердой ртути помещался между полюсами электромагнита. При выключении тока в обмотке электромагнита в проводнике возникал индукционный ток, который в обычных условиях быстро затухал. При охлаждении же проводника жидким гелием до температуры ниже 4,21 К, сопротивление у него резко уменьшалось и индукционный ток продолжал течь по проводнику в течение многих часов без заметного ослабления. Подобный же эксперимент был проведен в 1959 г. Через 2,5 года после начала опыта не было обнаружено никакого уменьшения тока, протекающего по кольцу .
Течение тока по проводнику в отсутствие электрического напряжения (разности потенциалов), даже при нулевом сопротивлении проводника, противоречит законам Природы и здравому смыслу, тем более, что никакими способами и средствами нельзя достичь нулевого сопротивления проводника. В сообщениях об экспериментах с ртутью не указывалось, каким образом измерялась величина тока в сверхпроводнике. Ho он не мог быть методом непосредственного измерения, а, скорее всего, был основан на измерении величины напряженности магнитного поля вокруг проводника, по которой, используя закон Био-Савара, определялась величина тока. Если это так, то с позиции эфирной природы тока эффект продолжительного течения тока в сверхпроводнике без заметного ослабления и в отсутствие напряжения объясняется следующим образом.
Ток - это направленное поступательное движение ориентированных определенным образом эфирных частиц - эфитонов. У эфитонов тока направление электрической составляющей всегда совпадает с направлением тока, а магнитная составляющая перпендикулярна электрической. Движение тока происходит из области высокой концентрации эфитонов (от плюса) в область с меньшей концентрацией (к минусу) по межатомному эфирному полю. Эфитоны тока, являясь бозонами, «принуждают» эфитоны окружающего пространства согласовывать направления их магнитных составляющих со своими. Так возникает магнитное поле вокруг проводника. Плотность эфитонов в проводнике определяется силой тока, протекающего по проводнику. При отключении питания происходит выравнивание плотности эфитонов по всему проводнику с сохранением их ориентации. Соответственно сохраняется и ориентация у эфитонов окружающего пространства, т.е. магнитное поле вокруг проводника сохраняется. А если величина тока в сверхпроводнике измеряется по напряженности магнитного поля вокруг него, то это создает ложную картину наличия в нем тока. Сохранение магнитного поля вокруг сверхпроводника после отключения в Нем тока объясняет следующее интересное его свойство. Магнитик, падающий на сверхпроводящую пластину, зависает в воздухе и продолжает висеть до тех пор, пока сверхпроводящая пластина охлаждена до температуры, ниже критической. Падая, магнитик своим магнитным полем возбуждает в пластине кольцевой ток, магнитное поле которого отталкивает магнитик. После зависания магнитика электрический ток затухает, но магнитное поле вокруг пластины сохраняется, и оно продолжает удерживать магнитик в зависшем состоянии. Сверхпроводимость может разрушаться в случаях, когда по образцу пропускают достаточно большой ток, а также внешним магнитным полем.
Одной из характеристик сверхпроводника является величина максимального тока Imajf который может по нему протекать без заметного сопротивления. И если величина тока I превысит значение Imai, то сверхпроводимость разрушается. Это Объясняется тем, что межатомные расстояния данного сверхпроводника, и, соответственно, «разрывы» в межатомном эфирном поле не в состоянии обеспечить беспрепятственное протекание подобного тока. Как через маленькое отверстие нельзя без сопротивления пропустить большую струю воды, так и через небольшие «разрывы» в межатомном эфирном поле - большой поток эфитонов. При I gt; Imax возникают завихрения, нарушаются ориентация и направление движения эфитонов, что ведет к усилению их взаимодействия с эфирными полями атомов и, соответственно, к появлению сопротивления течению тока.
В результате сверхпроводник переходит в состояние обычного проводника.
Согласно существующим представлениям на природу электромагнетизма, в сверхпроводнике, помещенным в не очень сильное магнитное поле, это поле должно сохраняться. Более того, оно должно сохраняться и после выключения магнитного поля, так как его должны поддерживать токи, индуцированные в сверхпроводнике. Вместе с тем, результаты исследований показывают, что ничего подобного не наблюдается.
Магнитное поле - это эфирное поле, в котором эфитоны ориентированы по магнитной составляющей. Вектор ориентации эфитонов определяется направлением поля и величиной его напряженности. При взаимодействии двух полей в результирующем поле ориентация эфитонов будет равна сумме векторов ориентации эфитонов этих полей. И если в сверхпроводнике, помещенном во внешнее магнитное поле, это поле не сохраняется, то напряженность его настолько мала, что не оказывает заметного влияния на ориентации эфитонов тока, т.е. внешнее магнитное поле как бы «выталкивается» из сверхпроводника. И только у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой, в котором наблюдается результирующее магнитное поле, экранирующее сверхпроводник. Этой слой называется глубиной проникновения, а его толщина примерно равна 10-5-10-6 см. Если же увеличивать величину магнит

ного поля, то при достижении некоторой его напряженности свойство сверхпроводимости у проводника скачком разрушается.
Разрушение сверхпроводимости внешним магнитным полем наступает, когда напряженность этого поля В начинает превышать некоторую критическую величину напряженности магнитного поля Bxp которая зависит от температуры и геометрических размеров сверхпроводника. Чем ниже температура и тоньше сверхпроводник, тем выше Bxp При достижении В = Bxp, сверхпроводник скачком переходит в состояние с нормальной проводимостью.
Строго говоря, в полной мере это справедливо только для чистых сверхпроводников, состоящих из одного металла, таких как ртуть, слово, свинец. Такие сверхпроводники называют сверхпроводниками Ipoda.
У сверхпроводников IIрода, состоящих из сплавов или из металлов с примесями, существует два значения критической величины напряженности магнитного поля: нижнее Bxpii и верхнее В. При напряженности внешнего магнитного поля В lt;
lt; Bispii свойства сверхпроводников I и II рода совпадают. Если же напряженность внешнего магнитного поля находится в пределах Bxpt lt; В lt; Bxpii, то у сверхпроводника одновременно проявляется как области сверхпроводимости, так и области обычной проводимости (смешанное состояние).
В этом состоянии сверхпроводник как бы «пронизан» огромным количеством нитей с нормальной проводимостью, которые направлены вдоль поля и расположены в правильном порядке. В поперечном^ срезе они образуют периодическую структуру, аналогичную кристаллической решетке с треугольными ячейками (рис. 5.8.2). При этом каждая ячейка имеет сердцевину, диаметр которой составляет доли микрона. Сверхпроводимость существует только между нитями. Возможность существования в сверхпроводнике нитей с обычной проводимостью (абрикосовских вихрей) подтверждается результатами исследований. Для этого торец сверхпроводника припудривается тончайшим порошком ферромагнетика. Его частицы собираются в местах, где есть магнитное поле, т.е. в точках выхода нитей. Наблюдения данного торца с помощью электронного микроскопа показывают, что нити располагаются периодически, образуя правильную решетку.

При В lt; Bkph внешнее магнитное поле своим воздействием на эфитоны тока еще не способно оказывать существенного влияния на их ориентацию. Поэтому сопротивления току не возникает и сверхпроводимость сохраняется по всей области проводника. Ho когда Вкргlt; В lt; Bitpii, то внешнее магнитное поле становится уже способным влиять на ориентацию эфитонов тока по магнитной составляющей в области тех граней кристаллической решетки, где межатомные расстояния минимальны. В свою очередь, нарушения ориентации эфитонов ведут к изменению направления их движения и частичному рассеиванию. Так возникают обособленные области сопротивление току, которые располагаются вдоль граней кристаллической решетки сверхпроводника с минимальными межатомными расстояниями. Эти области и образуют «нити» с нормальной проводимостью. Чем сильнее магнитное поле, тем больше нитей возникает в сверхпроводнике.
Когда напряженность,внешнего магнитного поля начинает превышать Bxpt, сверхпроводник превращается в обычный проводник. Физический смысл данного явления заключается в следующем. Внешнее магнитное поле напряженностью В gt; Biipt уже способно своим магнитным полем влиять на ориентацию эфитонов тока по магнитной составляющей по всей области сверхпроводника, что приводит к изменению направления движения эфитонов и их частичному рассеиванию, т.е. к появлению сопротивления. Открытие класса ВТСП показало, что сверхпроводимость может проявляться не обязательно при температурах, близких к абсолютному нулю, а и при достаточно высоких температурах. Она может также проявляться у сплавов, компоненты которых сами хорошими проводниками не являются.
Итак, с позиции эфирной природы электромагнетизма и строения материи наблюдаемая сверхпроводимость в металлах и ставах определяются совместным действием следующих основных факторов: формы кристаллической решетки вещества, особенностями строения электронных оболочек атомов, температурой и внешними условиями (внешним магнитным полем).

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.

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 (англ.) независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски (англ.) и Кароль Ольшевски (англ.) 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 градуса 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 градусах Кельвина (около?270 °C) электрическое сопротивление ртути 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.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильныммагнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.

Нулевое сопротивление -- не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером иРобертом Оксенфельдом в 1933 году.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем (англ.) и Хайнцем Лондоном (англ.). Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга -- Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/смІ.

В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La--Sr--Cu--O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y--Ba--Cu--O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg--Ba--Ca--Cu--O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях

Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.

В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).

Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).

Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

Применение сверхпроводников

Применение сверхпроводников весьма разнообразно. С их помощью можно получить большие токи, используя источник, который имеет небольшое напряжение. При этом практически отсутствуют потери на джоулево тепло, что позволяет использовать сверхпроводник в измерительных приборах. Так, чувствительность гальванометра, имеющего рамку из сверхпроводника, очень велика ($\sim {10}^{-12}B$).

В настоящее время из-за наличия сопротивления подводящих проводов потери электроэнергии составляют $30-40\%$. Если бы стало возможным передавать электроэнергию по сверхпроводящим проводам, то потери на джоулево тепло отсутствовали, что стало бы равносильно увеличению выработки электричества на треть. На основе сверхпроводников можно было бы изготавливать генераторы и электродвигатели с гораздо более высоким КПД, чем существующие сейчас.

Сильноточные технологии, которые предназначаются для устройств больших мощностей, применяются в электроэнергетике, промышленности и на транспорте. В этих отраслях сверхпроводниковые технологии ведут к созданию электрооборудования в $2-3$ раза меньшей массы, более экологичного, более надежного с большим сроком эксплуатации. Предполагается, что в электроэнергетике будет происходить постепенная замена традиционного резисторного оборудования на более дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, которое существенно выше по надежности и эффективности.

Примечание 1

Способность сверхпроводника переходить в нормальное состояние из сверхпроводящего и обратно, под воздействием магнитного поля используют для усиления небольших постоянных токов и напряжений. В данном случае слабый постоянный сигнал подается на сверхпроводник, который находится в переменном магнитном поле. При этом напряженность магнитного поля такова, что состояния сверхпроводника чередуются: нормальное состояние -- сверхпроводящее состояние. Так получают переменный ток с частотой равной частоте магнитного поля. Для создания резонаторов высокой добротности с небольшим затуханием для изготовления стенок резонатора применяют сверхпроводники, в которых происходит малое затухание.

Примечание 2

Сверхпроводники используют для получения магнитных полей с большой индукцией. Для этого используют сверхпроводниковые сплавы с большой критической индуктивностью. Из них изготавливают проволоку для обмоток трансформаторов. В подобных обмотках создается ток высокой плотности, значит, электромагнит имеет магнитное поле большой силы. Индукция получаемых полей достигает 10Тл. В обычных обмотках из меди при магнитном поле 10 Тл выделяется огромное количество тепла, тогда как в сверхпроводниках мощность не рассеивается.

Примечание 3

С помощью сверхпроводящих соленоидов создают сверхсильные магнитные поля, которые применяют для удержания плазмы при термоядерном синтезе. Магнитные поля большой индукции необходимы для работы транспортных средств на магнитной подушке.

Принцип разрушения магнитным полем сверхпроводящего состояния полагается в основу переключающих устройств (криотронов). Пленочные криотроны имеют очень небольшие размеры, короткий интервал переключения (${10}^{-9}-{10}^{-10}c\ $).

Проблемы практического использования сверхпроводимости заключены в том, что необходимо работать в области очень низких температур. Отыскание сверхпроводящих материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около комнатной, открыло бы большие возможности применения таких материалов в науке и технике.

Примечание 4

Первые успехи в этом направлении были сделаны в 1986 г. Беднорцем и Мюллером , которые выяснили, что керамика $La-Ba-Cu-O$ становится сверхпроводником, при температуре $35 К$. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Изученные образцы представляли собой смесь нескольких фаз и имели поликристаллическую структуру. Большинство ученых работающих над созданием высокотемпературных сверхпроводников называют подобные материалы «керамикой» .

Керамики в нормальном состоянии являются оксидами металлов. Их сложно получить в виде монокристаллов. Они в настоящее время изготавливаются в виде совокупности кристаллов (зерен) довольно слабо связанных друг с другом. В нормальном состоянии эти соединения имеют удельное сопротивление существенно большее, чем у металлов. У керамик удельное сопротивление растет с ростом температуры (при $T>T_k$). Все металлооксиды имеют слоистую структуру тетрагональной или ромбической симметрии. При переходе через температуру равную критической, кристаллическая структура высокотемпературный сверхпроводников не изменяется. Как в обычных сверхпроводниках в керамике найдена зависимость критической температуры от массы атомов, которые входят в структуру керамики (изотопический эффект). В высокотемпературных проводниках переход к состоянию с нулевым удельным сопротивлением происходит в более широком интервале температур, чем в обычных сверхпроводниках. В керамиках наблюдается эффект Мейсснера -- Оксенфельда . Для них существует критическое магнитное поле. Эти материалы относят к сверхпроводникам второго рода. Глубина проникновения магнитного поля в керамиках существенно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках.

Так в конце восьмидесятых годов были открыты сверхпроводники с температурой перехода около 240 К.

Второй проблемой, сдерживающей развитие сферы применения сверхпроводниковых материалов, служит наличие критического магнитного поля и критических токов. Ограничения по критическому полю и току особенно важны при проектировании и создании сильноточных приборов.

Пример 1

Задание: На сегодняшний день самым точным прибором для измерения магнитных полей служит сверхпроводниковый квантовый интерферометр, который используют в широком диапазоне областей от прогнозирования землетрясений до медицинской диагностики. Действие этого прибора основано на эффекте Джозефсона. Объясните принцип действия этого прибора.

Решение:

Выделяют стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Суть стационарного эффекта в том, что ток может течь через малый зазор между сверхпроводниками в отсутствии внешнего электрического поля. Это значит, что куперовские пары, которые переносят ток в сверхпроводнике, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой даже через слой диэлектрика. Туннельный ток проходит через зазор без падения напряжения, если его плотность не выше некоторой критической величины. Этот ток чувствителен к наличию магнитного поля.

В том случае, если плотность туннельного тока превышает критическое значение, то на контакте появляется разность потенциалов и при этом должен появиться высокочастотный переменный ток. Или постоянное напряжение прикладывают к сторонам зазора. Куперовские пары будут перемещаться через зазор в одном, а затем в противоположном направлении. Появляется переменный ток с частотой, зависящей от приложенного напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона. В этом эффекте постоянное электрическое поле может порождать переменный ток.

Изготавливается маленький контур из сверхпроводника с двумя зазорами, через которые осуществляются переходы Джозефсона. Через контур пропускают ток. Так получают прибор -- квантовый интерферометр. Ток по цепи прибора может изменяться от 0 (это случай, когда токи, идущие по двум переходам, взаимно гасятся) до максимума (токи имеют одно направление и взаимно усиливаются) и это зависит от величины внешнего магнитного поля. В настоящее время используя сверхпроводниковый квантовый интерферометр, подключив датчики можно измерить электромагнитные сигналы, которые вырабатывает мозг человека.

Пример 2

Задание: Сверхпроводящие катушки с самоиндукциями $L_1\ \ и\ L_2$ включены в цепь рис.1. Гальванический элемент имеет ЭДС равную $\mathcal E$. Найдите токи в катушках. Коэффициентом взаимной индукции катушек пренебречь.

Рисунок 1.

Решение:

За основу решения задачи примем закон Ома:

где $R$ -- внешнее сопротивление, $r$ -- сопротивление источника. До того как источник тока включен поток через сверхпроводящий контур ABCD равен нулю. Он сохранится и после выключения тока, то есть можно записать, что:

Из выражения (2.2) следует, что:

\[\frac{I_1}{I_2}=\frac{L_2}{L_1}\left(2.3\right).\] \

Из уравнений (2.3) и (2.4) следует, что:

Ответ: $I_1=\frac{IL_2}{L_1+L_2},\ I_2=\frac{IL_1}{L_1+L_2}$, где $I=\frac{{\mathcal E}}{R+r}.$