Сверхпроводимость

Согласно классическим теориям, сопротивление проводника должно плавно падать с уменьшением температуры. Существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и металл совсем перестанет проводить ток. На деле же получается совсем противоположный эффект.

Прежде чем на основе квантовой теории объяснить явление сверхпроводимости, рассмотрим некоторые свойства сверхпроводников.

Опытным путем доказано, что при переходе металла в сверхпроводящее состояние структура его кристаллической решетки не изменяется. Так же как и не изменяются его механические и оптические свойства. Вместе с тем при таком переходе скачкообразно меняются тепловые, электрические, а следовательно, и магнитные свойства.

На пути к истине

В 1933 году немецкий физик Вальтер Мейснер показал, что в сверхпроводящем состоянии магнитное поле в толще сверхпроводника отсутствует. То есть при охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры магнитное поле из проводника вытесняется. Это и есть так называемый эффект Мейснера.

Поскольку эффекты сверхпроводимости наблюдаются у разных металлов, то это обусловлено какими-то общими причинами, то есть должен существовать единый для всех сверхпроводников механизм этого явления.

Хейке Камер-линг-Оннес
Хейке Камер-линг-Оннес (1853-1926) — голландский физик и химик, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года

Само явление было открыто в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом. Физическая же природа сверхпроводимости была понята лишь в 1957 году. Именно тогда американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали теорию сверхпроводимости, а основой для нее послужила теория сверхтекучести гелия, предложенная Львом Ландау в 1941 году.

Оказалось, что, помимо внешнего сходства между сверхтекучестью, когда сверхтекучая жидкость протекает по узким капиллярам без трения, и сверхпроводимостью, когда ток в сверхпроводнике течет без сопротивления по проводу, существует физическая аналогия: и то и другое — это макроскопический квантовый эффект.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения (критическая температура).

Ансамбль связанных пар

Между электронами металла, помимо кулоновского отталкивания, возникает и слабое взаимное притяжение. Это притяжение при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. Электроны, обеспечивающие проводимость, образуют своеобразное связанное состояние, получившее название куперовской пары в честь Леона Купера, впервые описавшего это состояние. Поскольку размеры такой пары примерно на четыре порядка больше среднего межатомного расстояния, между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

Для разрушения куперовской пары необходимо затратить некоторую энергию, идущую на преодоление сил притяжения электронов пары. Однако это не так просто сделать, поскольку пары сопротивляются своему разрушению, образуя целую группу взаимодействующих друг с другом куперовских пар.

Поскольку электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположно направленные спины, то общий спин такой пары равен нулю, то есть она представляет собой не что иное, как бозон. Вспомним, что к бозонам принцип Паули не применим, а значит, число частиц, в нашем случае куперовских пар, находящихся в одном состоянии, не ограничено. При сверхнизких температурах бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное. Система куперовских пар, как бозе-частиц, обладает устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, а значит, может под действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, а это и приводит к сверхпроводимости.

Сверхпроводники нашли очень широкое применение. Поскольку они не пропускают магнитный поток, следовательно, могут экранировать электромагнитное излучение, что нашло применение в микроволновых устройствах. Сегодня проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке, где используется так называемая магнитная левитация. Ну и наконец, комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании электронных вычислительных устройств.

«На свете есть столь серьезные вещи, что говорить о них можно только шутя» (Нильс Бор)