Когда ток проходит через медный провод, провод слегка нагревается; это тепло возникает из-за того, что электроны теряют энергию при движении сквозь вещество, — именно это и называют электрическим сопротивлением. Однако некоторые материалы при охлаждении ниже определённой температуры теряют сопротивление настолько, что оно опускается ниже любого измеримого значения и на практике становится строго нулевым. Это состояние называют сверхпроводимостью, и ток, однажды запущенный в сверхпроводящем контуре, может циркулировать годами без всякого внешнего источника энергии. В этой статье объясняется, откуда берётся столь необычное поведение и почему оно возникает только при очень низких температурах.
Откуда берётся электрическое сопротивление?
В обычном проводнике электроны, переносящие ток, движутся довольно свободно сквозь кристаллическую решётку, образованную атомами. Однако это движение не идеально: электроны рассеиваются на колебаниях решётки (тепловых фононах), примесных атомах и дефектах, теряя направление и энергию. Потерянная энергия превращается в тепло — это и есть сопротивление. С понижением температуры колебания решётки ослабевают, и сопротивление большинства металлов падает вместе с ними, но никогда не достигает нуля; всегда остаётся «остаточное сопротивление», вызванное дефектами. Сверхпроводимость же — это внезапное явление, совершенно не похожее на такое постепенное уменьшение.
1911 год: сопротивление ртути исчезает скачком
Сверхпроводимость открыл в 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Оннес первым сумел получить жидкий гелий, что позволило ему охлаждать материалы до температур, очень близких к абсолютному нулю (−273,15 °C). Охладив твёрдую ртуть примерно до 4,2 кельвина (−269 °C), он обнаружил, что её электрическое сопротивление не убывает постепенно, а скачком падает до неизмеримо малого значения, как только пройден некоторый порог. За это открытие и за работы в области физики низких температур Оннес получил Нобелевскую премию по физике 1913 года. В последующие годы выяснилось, что и другие металлы — свинец, олово, ниобий — ведут себя так же ниже своей критической температуры.
Эффект Мейснера: вторая подпись сверхпроводимости
Долгое время сверхпроводимость понимали просто как «нулевое сопротивление». В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд, работая с образцами олова и свинца, обнаружили куда более яркое свойство: при переходе в сверхпроводящее состояние материал выталкивает магнитное поле из своего объёма. В этом явлении, названном эффектом Мейснера, сверхпроводник создаёт незатухающими токами на своей поверхности встречное поле, которое в точности компенсирует приложенное; в итоге материал ведёт себя как «идеальный диамагнетик». Именно это отличает сверхпроводник от просто очень хорошего проводника: идеальный проводник удержал бы уже проникшее поле, тогда как сверхпроводник активно выталкивает его. Магнит, парящий в воздухе над сверхпроводящей пластиной, — самая известная демонстрация этого эффекта. Поле не обращается в нуль полностью; оно проникает от поверхности на очень тонкий слой, называемый лондоновской глубиной проникновения, и там убывает экспоненциально.
Куперовские пары и теория БКШ
Микроскопическое объяснение сверхпроводимости появилось лишь в 1957 году — это теория, разработанная Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Робертом Шриффером и известная по их инициалам как БКШ (в 1972 году трое учёных получили Нобелевскую премию по физике). В основе теории лежит неожиданная мысль: два электрона, которые обычно отталкиваются, при очень низкой температуре могут слабо притягиваться друг к другу через кристаллическую решётку. Двигаясь, первый электрон слегка притягивает к себе окружающие положительные ионы и оставляет за собой кратковременную область повышенной положительной плотности заряда; эта область притягивает второй электрон. Медленный отклик ионов (запаздывание) позволяет этому фононному притяжению перевесить прямое отталкивание между электронами. Образующуюся так слабосвязанную пару электронов называют куперовской парой. Поскольку куперовские пары как целое ведут себя как бозоны, все они конденсируются в одно и то же квантовое состояние и образуют единую когерентную «сверхтекучую жидкость». Чтобы разрушить это общее состояние, нужно преодолеть определённый энергетический порог (энергетическую щель); при низкой температуре колебания решётки не могут обеспечить такой порог, поэтому пары движутся без рассеяния — то есть без сопротивления.
Сверхпроводники первого и второго рода
Сверхпроводники делят на две группы по тому, как они реагируют на магнитное поле. Сверхпроводники первого рода (большинство чистых металлов) полностью выталкивают поле ниже некоторого критического значения и разом теряют сверхпроводимость выше него. Сверхпроводники второго рода (сплавы и керамические соединения) между двумя критическими значениями поля остаются в «смешанном состоянии»: магнитное поле проникает в материал в виде тонких нитей потока (вихрей), а окружающая область остаётся сверхпроводящей. Благодаря этому материалы второго рода выдерживают гораздо более сильные магнитные поля, и именно они используются для изготовления мощных магнитов.
Высокотемпературные сверхпроводники и цель — комнатная температура
Десятилетиями все известные сверхпроводники работали только ниже 23 кельвинов, а для этого требовался дорогой жидкий гелий. В 1986 году Георг Беднорц и Алекс Мюллер обнаружили гораздо более высокие критические температуры в керамике на основе оксида меди (Нобелевская премия годом позже). Открытое вскоре соединение оксид иттрия-бария-меди (YBCO) становилось сверхпроводящим при 93 кельвинах, а значит, в качестве хладагента можно было использовать дешёвый и распространённый жидкий азот (77 K). Можно ли полностью объяснить эти «высокотемпературные» сверхпроводники механизмом БКШ — до сих пор открытый научный вопрос. В последние годы показано, что такие соединения, как гидриды серы и лантана, становятся сверхпроводящими вблизи комнатной температуры при давлениях в миллионы атмосфер; однако сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и обычном давлении, пока не создан.
Где применяется сверхпроводимость?
Нулевое сопротивление и способность создавать сильные магнитные поля делают сверхпроводники незаменимыми в ряде технологий. Аппараты МРТ (магнитно-резонансной томографии) в больницах получают своё сильное и стабильное поле от сверхпроводящих катушек. Большой адронный коллайдер в ЦЕРН использует тысячи ниобий-титановых магнитов, охлаждённых до 1,9 кельвина, чтобы направлять частицы. Поезда на магнитном подвесе (маглев) движутся, не касаясь рельса, благодаря сверхпроводящим магнитам. Кабели без потерь, чрезвычайно чувствительные датчики магнитного поля (СКВИДы) и кубиты квантовых компьютеров на джозефсоновских переходах также используют это явление.