Сверхпроводимость: история открытия и сущность явления.

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 ртути 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.

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 сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.

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.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. 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, в 1960 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/см².

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.

В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H₂S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C).

Понятие о сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости заключается в скачкообразном исчезновении сопротивления при очень низких температурах. (свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура))

Возникновение сверхпроводящего состояния связывается с тем, что при температурах ниже точки перехода электрон локально искажает решетку, создавая область притяжения для другого электрона, при этом силы притяжения между ними будут превосходить силы отталкивания. Такие электронные пары будут находиться в одном квантовом состоянии. Результатом коллективного поведения пар является рассеяние отдельного электрона на примесях и переход в сверхпроводящее состояние.

Классификация

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

• По их отклику на магнитное поле: они могут быть I рода, что значит, что они имеют единственное значение магнитного поля, H_c, выше которого они теряют сверхпроводимость. Или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, H_c1 и H_c2,. При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств.

• По их критической температуре: низкотемпературные, если T_c < 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.

• По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть, однако не все элементы в чистом виде достигают сверхпроводящего состояния), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB₂), сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и т. п.

Принципиальные свойства сверхпроводников

1. 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).

2. Наличие критических свойств:

• Критическое магнитное поле (критическая индукция). Критическое магнитное поле – значение поля, выше которого сверхпроводник находится в нормальном состоянии. Критические поля обычно лежат в интервале от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс в зависимости от сверхпроводника и его металлофизического состояния. Критическое поле данного сверхпроводника меняется с температурой, уменьшаясь при ее повышении. При температуре перехода критическое поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально

Рис. 2. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ разрушается при сильных магнитных полях и высоких температурах. Представлена фазовая диаграмма магнитное поле – абсолютная температура для олова. При условиях, соответствующих точке А, олово находится в нормальном, несверхпроводящем состоянии. Если же его охладить до точки В, то оно становится сверхпроводящим.

• Критический ток. Критический ток – максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. Как и критическое магнитное поле, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.

• Критическая температура. Температура T_c, при достижении которой происходит скачок, называется критической. Внимательное исследование показывает, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур 

Рис. 3 Вид «сверхпроводящего перехода». Зависимость сопротивления от температуры для образца 1 (более «чистого») и 2 (более «грязного»). Критическая температура T_c обозначает середину перехода, когда сопротивление падает наполовину по сравнению с нормальным состоянием. Начало падения — T_c0, конец — T_ce

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 Tc достигает сотен кельвинов.)Критическая температура своя для каждого вещества. 

3. Полное вытеснение магнитного поля (Эффект Мейснера). Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Все физические системы стремятся к состоянию с минимальной энергией. Магнитное поле обладает некоторой энергией. У сверхпроводника в магнитном поле энергия увеличивается. Но она снова понижается благодаря тому, что в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне. Энергия сверхпроводника выше, чем в отсутствие внешнего магнитного поля, но ниже, чем в том случае, когда поле проникает внутрь его.

Эффект Мейснера-Оксенфельд. О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд в 1933 году. Суть этого эффекта заключается в следующем. Если поместить металл, обладающий свойством сверхпроводимости, 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^-6см, в котором циркулируют токи, полностью экранирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения. Именно благодаря этому эффекту мы можем видеть так называемую левитацию сверхпроводника(рис.4)

Рис. 4. Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жид- ким азотом.

Полное выталкивание магнитного потока энергетически выгодно не для всех сверхпроводников. В некоторых материалах состояние с минимальной энергией в магнитном поле достигается, если некоторые из линий магнитного потока частично проникают в вещество, образуя мозаику из сверхпроводящих областей, где магнитное поле отсутствует, и нормальных, где оно есть.

Но вы можете спросить, как бы в таких условиях вёл себя идеальный проводник, и чем его поведение отличается от сверхпроводника?

Всё очень просто. Если бы идеальный проводник сначала приобрёл свойство проводить ток без сопротивления, а затем его поместили бы в магнитное поле, то он бы вёл себя так же как и сверхпроводник (т.е. вытеснял бы магнитное поле). Но, если бы, вещество сначала поместили в магнитное поле, и оно в него проникло, а только затем вещество приобрело свойство проводить ток без сопротивления, тогда магнитное поле как бы «попало в ловушку» и оставалось бы вокруг идеального проводника после его извлечения из магнитного поля. Идеальный проводник как бы стал постоянным магнитом и сохранял бы это свойство до тех пор, пока проводит ток без сопротивления. Нагляднее всего это видно на рис 5

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

Из всего вышеприведённого следует, что сверхпроводник является не идеальным проводником, а идеальным диамагнетиком.

Эффект Мейснера— полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Физическое объяснение. При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.

Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю.

Эффект Мейснера не может быть объяснён только бесконечной проводимостью. Впервые его природу объяснили братья Фриц и Хайнц Лондоны c помощью уравнения Лондонов. Они показали, что в сверхпроводнике поле проникает на фиксированную глубину от поверхности — лондоновскую глубину проникновения магнитного поля λ. Для металлов λ∼10^-2мкм.

Как должны вести себя в магнитном поле идеальные проводники? Возьмем металлический образец с простой геометрией (шар или тонкий длинный цилиндр) и поместим его в постоянное однородное магнитное поле при комнатной температуре. Как известно из школьного курса физики, поле проникнет внутрь образца на всю его толщину. Снизим температуру ниже критической, чтобы образец перешел в состояние идеального проводника. Такой переход никоим образом не влияет на магнитное поле, которое по-прежнему пронизывает образец. После отключения поля внутри идеального проводника благодаря появлению индукционных токов сохраняется магнетизм, но наружное поле, естественно, изменяется.

Теперь выполним аналогичные операции в обратном порядке: сначала охладим образец, а потом включим магнитное поле. Идеальный проводник полностью вытолкнет магнитные силовые линии и породит на своей поверхности экранирующие индукционные токи. Однако после того как мы поднимем температуру и превратим идеальный проводник в обычный металл, магнитное поле вновь проникнет внутрь образца.

Мейсснер и Оксенфельд в экспериментах с оловянными и свинцовыми цилиндрами обнаружили, что этот прогноз выполняется лишь наполовину. Во второй версии опыта сверхпроводник действительно ведет себя так, как положено идеальному проводнику. Однако первая версия (охлаждение в постоянном магнитном поле) приводит к совершенно неожиданному результату. После перехода в сверхпроводящее состояние образец полностью выталкивает магнитный поток, так что магнитная индукция внутри него оказывается равной нулю. Дело выглядит так, что и в этом случае на поверхности сверхпроводника возникают незатухающие токи, которые экранируют его внутреннюю часть от внешнего магнитного поля. Экспериментаторы обнаружили также, что при последующем отключении поля образец теряет свою намагниченность. Отсюда следует, что токи исчезают, хотя у идеального проводника они должны сохраниться.