Сверхпроводимость

Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Камерлинг-Оннесу первому удалось получить жидкий гелии, и он использовал его для создания криостатов — приборов, в которых можно поддерживать очень низкую температуру. В частности, он решил проверить правильность существовавших в то время представлений о поведении электрического сопротивления при низких температурах. Измеряя сопротивление ртути, Камерлинг-Оннес обнаружил, что оно скачком обращается в нуль при температуре около 4 К.

Рисунок скопирован с одной из первых работ Оннеса, посвященной сверхпроводимости. По современным данным, график надо сдвинуть на 0,05 К – у Оннеса была неточная шкала температур.

    Это явление было названо сверхпроводимостью, а температура перехода в сверхпроводящее состояние — критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами, от долей градуса до 100 К.

    Создание макроскопической теории сверхпроводимости относится к 1957 - 1958 гг.

    Объяснение механизма сверхпроводимости невозможно в рамках классических концепций, так что оно является триумфом квантовой теории. Сущность дела состоит в том, что между электронами действуют силы кулоновского отталкивания, тем не менее в твердых телах возникают на ярду с ними также и силы притяжения между электронами, обусловленные тем, что электроны могут обмениваться фононами, т. е. квантами упругих колебаний тела. Это притяжение приводит к образованию вблизи энергетической поверхности Ферми связанных пар электронов.

Квантовые закономерности приводят к тому, что эти пары образуют так называемый Бозе-конденсат, обладающий свойствами сверхтекучести. Поскольку эти пары электронов обладают электрическим зарядом, то их сверхтекучесть равносильна сверхпроводимости.

    Так в чем же заключается явление сверхпроводимости, которое смогла полностью объяснить лишь квантовая теория.

    Сопротивление всех чистых (лишённых примесей) металлов при приближении к абсолютному нулю температуры стремится к нулю, но в некоторых металлах изменение это происходит не плавно: при некоторой определённой температуре сопротивление внезапно (скачком) падает до нуля или, во всяком случае, до неизмеримо малой величины. Резкость этого скачка характеризуется тем, что в некоторых металлах он происходит при изменении Т всего лишь на 0,001°.

    Температура скачка называется критической температурой, а состояние металла ниже этой температуры, характеризуемое отсутствием сопротивления постоянному току, называется сверхпроводящим состоянием.

    Последующие исследования сверхпроводников позволили обнаружить многие их замечательные свойства. Оказалось, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. Критическое поле, при котором это происходит зависит от температуры. Далее обнаружилось, что сверхпроводимость исчезает и в том случае, когда по образцу пропускают достаточно большой ток.

    Наконец, был обнаружен так называемый эффект Мейснера.

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

    До сих пор сверхпроводимостью называли 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 следующем:

если поместить металл в не очень сильное магнитное поле и понижать температуру, то при переходе металла в сверхпроводящее состояние силовые линии поля вытолкнутся из него.

    Последующее изучение показало, что на самом деле при таком переходе у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой толщиной 10-5—10-6 см, в котором циркулируют токи, полностью экранизирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения.