Сверхпроводимость – это физическое явление, при котором материалы теряют электрическое сопротивление при охлаждении до определённой температуры, называемой критической температурой. В этом состоянии материалы могут проводить электрический ток без потерь энергии, что делает их идеальными проводниками.
Это явление было открыто голландским физиком Хейке Камерлингом Оннесом в 1911 году, когда он обнаружил, что при температуре около 4 К (минус 269 градусов Цельсия) ртуть теряет своё электрическое сопротивление. С тех пор сверхпроводимость стала одной из ключевых тем в физике конденсированного состояния.
Чтобы понять, что такое сверхпроводимость, необходимо разобраться в её физической природе и особенностях. Сверхпроводимость проявляется только при очень низких температурах, так как атомы в материале, при обычных температурах, сильно вибрируют, что мешает образованию сверхпроводящего состояния. При понижении температуры атомы начинают двигаться медленнее, и выше критической температуры начинают образовываться условия для проявления сверхпроводимости.
Микроскопическая теория сверхпроводимости
Одним из важнейших этапов в понимании физики сверхпроводимости стало открытие микроскопической теории, объясняющей, почему и как материалы становятся сверхпроводниками. Эту теорию предложили Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер в 1957 году, за что они получили Нобелевскую премию по физике. Теория, известная как теория БКШ (Бардин-Купер-Шриффер), основывается на взаимодействии электронов в материале.
Электронные пары Купера
Суть теории БКШ заключается в том, что в сверхпроводящих материалах электроны, которые обычно отталкиваются друг от друга из-за их одинаковых зарядов, могут связываться в пары, называемые парами Купера. Эти пары образуются из-за слабого взаимодействия между электронами и колебаниями решётки атомов материала (фононов). Когда температура опускается ниже критической, электроны начинают взаимодействовать с фононами таким образом, что их движение становится координированным.
Пары Купера ведут себя как бозоны (частицы, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние), в отличие от одиночных электронов, которые являются фермионами (частицами, подчиняющимися принципу Паули). Бозоны могут конденсироваться в одно и то же квантовое состояние, создавая коллективный квантовый объект, который не испытывает сопротивления от атомов в решётке. Это и есть сверхпроводящее состояние.
Энергетическая щель
В сверхпроводниках существует так называемая энергетическая щель – область, в которой электроны не могут существовать. Энергетическая щель препятствует тому, чтобы электроны, составляющие пары Купера, могли рассеиваться на дефектах решётки или других возбуждениях. Это явление обеспечивает стабильность сверхпроводящего состояния и отсутствие сопротивления.
Когда энергия пары Купера становится меньше порогового значения (температура ниже критической), она превращается в стабильное состояние без потерь энергии. В результате электрический ток, протекающий через сверхпроводящий материал, не встречает сопротивления и может бесконечно долго течь, пока не нарушится сверхпроводящее состояние.
Экспериментальные наблюдения сверхпроводимости
При охлаждении материалов до низких температур физики наблюдают резкое исчезновение их электрического сопротивления. Это исчезновение происходит быстро, при этом возникает несколько характерных эффектов, которые сопровождают переход в сверхпроводящее состояние.
Одним из таких эффектов является эффект Мейснера – явление, при котором магнитное поле полностью выталкивается из сверхпроводника. Этот эффект связан с тем, что в сверхпроводнике возникает экранирующий ток, который противодействует внешнему магнитному полю, заставляя его покидать материал. Это является отличительным признаком сверхпроводников и позволяет использовать их для создания мощных магнитных полей.
Сверхпроводимость и её типы
Сверхпроводимость разделяется на два основных типа: тип I и тип II.
Тип I
Сверхпроводники типа I теряют свое сопротивление при определённой критической температуре и могут существовать в сверхпроводящем состоянии только при наличии достаточно слабого внешнего магнитного поля. Когда внешнее поле становится сильным, сверхпроводящее состояние разрушится, и материал вернется к нормальному состоянию. Эти материалы характеризуются ярко выраженным эффектом Мейснера.
Примеры сверхпроводников типа I – это чистые элементы, такие как свинец и алюминий.
Тип II
Сверхпроводники типа II могут поддерживать сверхпроводящее состояние при более высоких внешних магнитных полях. В этом случае магнитное поле проникает внутрь материала, но не разрушает его сверхпроводящий характер. Это объясняется наличием так называемых вихревых состояний, в которых магнитное поле создаёт вихри в сверхпроводящем материале, но материал всё равно сохраняет свою способность проводить ток без сопротивления.
Материалы типа II, такие как ниобий, магний и другие сплавы, являются более применимыми в реальных технологических устройствах, так как они могут работать при более высоких температурах и магнитных полях.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Одной из самых интересных и сложных проблем современной физики является открытие материалов, которые могут стать сверхпроводниками при более высоких температурах, чем традиционные сверхпроводники. В 1986 году была сделана важная веха в науке, когда физики обнаружили, что некоторые медь-оксидные соединения, такие как лантанум-барий-медь-оксид (LaBaCuO), могут быть сверхпроводниками при температурах выше 77 K (температура жидкого азота).
Эти высокотемпературные сверхпроводники представляют собой сложные многокомпонентные материалы, чья структура отличается от традиционных сверхпроводников. Понимание их физики до сих пор остаётся активной областью исследований, поскольку точные механизмы высокотемпературной сверхпроводимости пока не объяснены. Ожидается, что дальнейшее изучение этих материалов может привести к открытию сверхпроводников, работающих при температурах, близких к комнатной.
Применение сверхпроводимости
Сверхпроводимость открыла широкие возможности для технологических применений. Одним из таких применений являются магнитно-резонансные томографы (МРТ), где сверхпроводящие магниты создают сильные магнитные поля, необходимые для получения точных медицинских изображений. Также сверхпроводники используются в магнитных левитирующих поездах, где они позволяют создавать подушки, которые позволяют поездам двигаться без трения.
Другие области применения включают мощные ускорители частиц, где сверхпроводящие магниты управляют потоками частиц, и энергетические системы, где сверхпроводящие кабели могут передавать электричество с минимальными потерями. В будущем возможно создание сверхпроводящих квантовых компьютеров, которые будут значительно быстрее традиционных.
Таким образом, сверхпроводимость является явлением, которое не только приводит к глубоким теоретическим изысканиям, но и имеет важные практические применения, обеспечивая основу для будущих технологических достижений.