Сверхпроводимость¶

Сверхпроводимость — это физическое явление, заключающееся в падении электрического сопротивления материала до нуля при его охлаждении ниже определённой критической температуры (Tc). В сверхпроводящем состоянии вещество также проявляет эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из своего объёма. Сверхпроводимость является квантовым макроскопическим эффектом, который находит применение в мощных электромагнитах, устройствах для передачи электроэнергии и высокочувствительных измерительных приборах.

¶История открытия

Явление сверхпроводимости было открыто 8 апреля 1911 года нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. В ходе экспериментов с охлаждённым жидким гелием ртутью он обнаружил, что при температуре около 4,2 К (−269 °C) электрическое сопротивление образца резко падает до нуля. За это открытие Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд установили, что сверхпроводники не только теряют сопротивление, но и полностью вытесняют магнитное поле (эффект Мейснера). Это показало, что сверхпроводимость — не просто идеальная проводимость, а самостоятельное термодинамическое состояние.

В 1957 году американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер создали микроскопическую теорию сверхпроводимости (теория БКШ), за что получили Нобелевскую премию в 1972 году. Согласно этой теории, сверхпроводимость возникает из-за образования куперовских пар — связанных состояний двух электронов через фононное взаимодействие.

В 1986 году Георг Беднорц и Алекс Мюллер (IBM) открыли высокотемпературную сверхпроводимость в керамике на основе оксида лантана, бария и меди (LaBaCuO) с Tc около 35 К. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии 1987 года, положило начало поиску материалов с критической температурой выше температуры кипения жидкого азота (77 К).

¶Физические основы

¶Куперовские пары и теория БКШ

В обычных металлах электрическое сопротивление возникает из-за рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решётки (фононах) и дефектах. При сверхпроводимости электроны объединяются в куперовские пары — квазичастицы с нулевым спином и нулевым импульсом. Образование пар происходит благодаря притяжению, опосредованному фононами: один электрон деформирует решётку, создавая область повышенной положительной плотности заряда, которая притягивает второй электрон.

Куперовские пары подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна и могут конденсироваться в единое квантовое состояние. Энергетическая щель между основным состоянием и возбуждёнными уровнями делает рассеяние пар на фононах невозможным, что обеспечивает нулевое сопротивление.

¶Эффект Мейснера

При переходе в сверхпроводящее состояние материал вытесняет магнитное поле из своего объёма. Это происходит за счёт возникновения незатухающих поверхностных токов, создающих поле, противоположное внешнему. Глубина проникновения поля (лондоновская глубина) составляет десятки нанометров. Эффект Мейснера — ключевое отличие сверхпроводника от идеального проводника, в котором поле «замораживается» при охлаждении.

¶Классификация сверхпроводников

¶По типу поведения в магнитном поле

Сверхпроводники I рода — чистые металлы (ртуть, свинец, алюминий). Они полностью вытесняют магнитное поле до критического значения Hc, при котором сверхпроводимость разрушается. Переход происходит скачком.

Сверхпроводники II рода — сплавы и керамики (например, NbTi, YBa₂Cu₃O₇). Они допускают частичное проникновение магнитного поля в виде вихрей Абрикосова (квантов магнитного потока). При этом сверхпроводимость сохраняется до гораздо более высоких полей (Hc2). Большинство технически важных сверхпроводников относятся ко II роду.

¶По температуре перехода

Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) — Tc ниже 30 К. Классические металлы и сплавы (Nb, NbTi, Nb₃Sn). Требуют охлаждения жидким гелием (4,2 К).

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — Tc выше 30 К, часто выше 77 К. Открыты в 1986 году. Наиболее известны купраты (соединения на основе меди): YBa₂Cu₃O₇ (Tc ≈ 92 К), Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Tc ≈ 110 К), HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ (Tc ≈ 134 К). Механизм сверхпроводимости в них до конца не ясен, но не описывается стандартной теорией БКШ.

¶По материалу

• Элементы: ртуть (4,15 К), свинец (7,2 К), ниобий (9,25 К), алюминий (1,2 К).
• Сплавы: NbTi (9,5 К), Nb₃Sn (18,3 К), MgB₂ (39 К).
• Керамики: купраты (YBa₂Cu₃O₇, Bi-2223), железосодержащие сверхпроводники (LaFeAsO, Tc до 56 К).
• Органические сверхпроводники: соли Бехгаарда (Tc до 12 К).
• Экзотические: сверхпроводимость в графене (при определённых условиях), в гидридах под высоким давлением (H₃S, Tc до 203 К).

¶Применение

¶Магниты и ускорители

Сверхпроводящие магниты на основе NbTi и Nb₃Sn используются в:

• Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) — 1232 дипольных магнита, создающих поле 8,3 Тл.
• Магнитно-резонансной томографии (МРТ) — медицинские томографы с полем 1,5–3 Тл.
• Токамаках (например, ИТЭР, строящийся во Франции) — для удержания плазмы.

¶Энергетика

• Сверхпроводящие кабели — передача электроэнергии без потерь. В России разработаны кабели на основе ВТСП для линий постоянного тока (проект «Россети»).
• Сверхпроводящие накопители энергии (SMES) — устройства для быстрого запасания и выдачи энергии.
• Трансформаторы и ограничители тока — для защиты электросетей.

¶Электроника

• Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) — сверхчувствительные магнитометры, применяемые в геологоразведке, медицине (магнитоэнцефалография) и фундаментальных исследованиях.
• Цифровые схемы на основе джозефсоновских переходов (RSFQ-логика) — работают на частотах до 100 ГГц при сверхнизком энергопотреблении.
• Квантовые компьютеры — кубиты на основе джозефсоновских контактов (IBM, Google, российские проекты).

¶Транспорт

• Магнитная левитация (маглев) — поезда на сверхпроводящих магнитах (например, японский JR-Maglev, развивающий скорость до 603 км/ч).

¶Современные исследования

¶Поиск комнатно-температурной сверхпроводимости

С 2015 года активно исследуются гидриды под высоким давлением. В 2020 году сообщалось о сверхпроводимости в гидриде углерода и серы (CSHₓ) при температуре около 15 °C, но под давлением 267 ГПа. В 2023 году были опубликованы данные о сверхпроводимости в гидриде лютеция (LuHₓ) при 21 °C и 1 ГПа, однако результаты не были воспроизведены другими группами и вызвали сомнения.

¶Высокотемпературные сверхпроводники

Продолжаются поиски новых материалов с Tc выше 77 К при атмосферном давлении. Исследуются никелаты (аналоги купратов), железосодержащие сверхпроводники, топологические изоляторы.

¶Теоретические проблемы

Механизм высокотемпературной сверхпроводимости в купратах остаётся предметом дискуссий. Предложены модели, включающие магнитные взаимодействия (спиновые флуктуации), экситонные механизмы и необычные виды спаривания.

¶Интересные факты

• В 1911 году Камерлинг-Оннес первоначально назвал явление «сверхпроводимостью» (supraconductivity), но термин не прижился.
• В 1962 году Брайан Джозефсон предсказал эффект протекания сверхтока через тонкий изолятор (джозефсоновский переход), за что получил Нобелевскую премию в 1973 году.
• Сверхпроводящие кольца могут сохранять ток без затухания годами. В 1954 году в Кембридже было зафиксировано кольцо со сверхтоком, не ослабевшим за 2,5 года.
• В 1987 году за открытие ВТСП Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию всего через год после публикации — рекордно короткий срок.
• В России исследования сверхпроводимости ведутся в Институте физики твёрдого тела РАН (Черноголовка), Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» и других организациях.

¶Источники

• Камерлинг-Оннес Х. «О низкотемпературных исследованиях» (1913) — Нобелевская лекция.
• Бардин Дж., Купер Л., Шриффер Р. «Теория сверхпроводимости» (1957).
• Беднорц Г., Мюллер А. «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O» (1986).
• Абрикосов А. А. «О магнитных свойствах сверхпроводников II рода» (1952).
• Горьков Л. П. «Микроскопическая теоририя сверхпроводимости» (1958).
• Дресслер М. «Высокотемпературная сверхпроводимость: современное состояние» (2018).
• «Сверхпроводимость» — Большая российская энциклопедия, 2017.
• «Сверхпроводящие материалы для энергетики» — обзор РНФ, 2021.