Сверхпроводник¶

Сверхпроводник — это материал, электрическое сопротивление которого падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры (Tc). Явление полного исчезновения сопротивления, открытое Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году, называется сверхпроводимостью. Помимо нулевого сопротивления, сверхпроводники обладают эффектом Мейснера — полным вытеснением магнитного поля из объёма образца.

¶История открытия

В 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, первым получивший жидкий гелий, обнаружил, что при температуре около 4,2 К (−268,9 °C) сопротивление ртути скачкообразно падает до нуля. За это открытие в 1913 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд установили, что сверхпроводник не только теряет сопротивление, но и выталкивает магнитное поле из своего объёма (эффект Мейснера).

¶Физическая природа

Микроскопическое объяснение сверхпроводимости дала теория Бардина — Купера — Шриффера (теория БКШ), созданная в 1957 году. Согласно ей, электроны в решётке образуют куперовские пары за счёт обмена фононами. Такие пары ведут себя как бозоны и могут конденсироваться в единое квантовое состояние, которое не рассеивается на дефектах решётки — отсюда нулевое сопротивление.

¶Типы сверхпроводников

• Сверхпроводники I рода (чистые металлы: ртуть, свинец, алюминий) — полностью вытесняют магнитное поле вплоть до критического значения Hc, после чего переходят в нормальное состояние.
• Сверхпроводники II рода (сплавы, керамики, ниобий) — допускают частичное проникновение поля в виде вихрей Абрикосова и сохраняют сверхпроводимость вплоть до значительно более высоких полей Hc2.

¶Высокотемпературная сверхпроводимость

В 1986 году Георг Беднорц и Карл Мюллер обнаружили сверхпроводимость в керамике на основе оксида лантана-бария-меди с Tc около 35 К. Это открытие положило начало поиску высокотемпературных сверхпроводников. К 2024 году рекорд при атмосферном давлении принадлежит гидриду иттербия (YbHₓ) с Tc около 250 К (−23 °C), однако такие материалы требуют экстремально высоких давлений в сотни гигапаскалей и пока не имеют практического применения.

¶Применение

Сверхпроводники используются в областях, где требуются сильные магнитные поля или предельная чувствительность:

• Медицина: магниты магнитно-резонансных томографов (МРТ) на основе ниобий-титановых сплавов.
• Наука: сверхпроводящие магниты ускорителей частиц (БАК в ЦЕРНе) и токамаков (ИТЭР).
• Транспорт: проекты маглев-поездов (например, японская линия Синкансэн L0).
• Электроника: сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) для измерения сверхслабых магнитных полей; квантовые процессоры на кубитах (IBM, Google).
• Энергетика: сверхпроводящие кабели для передачи электроэнергии без потерь (опытные линии в Нью-Йорке, Сеуле, Санкт-Петербурге).

¶Перспективы

Основная задача современной физики — создание сверхпроводника, работающего при комнатной температуре и атмосферном давлении. В 2023 году сообщалось о скандальном материале LK-99 (свинец-апатит), но результаты не были воспроизведены. Наиболее перспективными считаются гидриды металлов (LaH₁₀, H₃S) и никелаты. Практическая реализация комнатной сверхпроводимости позволила бы революционизировать энергетику, электронику и транспорт.

¶Источники

• Камерлинг-Оннес Х. «О достижении температур жидкого гелия и опытах со сверхпроводимостью» (1911).
• Бардин Дж., Купер Л., Шриффер Дж. «Теория сверхпроводимости» (1957).
• Беднорц Г., Мюллер К. «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в Ba-La-Cu-O системе» (1986).
• Обзоры по гидридам высокого давления (Д. Дзядух, И. Троян, 2019–2023).