Меню Главная Случайная статья Настройки Сверхпроводимость Материал из https://ru.wikipedia.org Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов проводить электрический ток без затухания, сопровождающееся одновременным полным или частичным вытеснением магнитного поля из объёма сверхпроводника (явлением, известным как эффект Мейснера). Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании. Выталкивание магнитного поля также отличает сверхпроводимость и от других мезоскопических явлений, протекающих без диссипации энергии, таких как незатухающие токи и квантовый эффект Холла. Сверхпроводники обладают нулевым электрическим сопротивлением при температурах ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Существует множество типов сверхпроводимости, и некоторые из них предсказаны только теоретически. Некоторые типы сверхпроводимости, наблюдаемые в эксперименте, нашли квантовомеханическое объяснение, другие — ожидают теоретического объяснения. С момента открытия сверхпроводимости (1911) в течение десятилетий это явление наблюдалось лишь при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю. Открытие в 1986—1993 годах ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) отодвинуло далеко вверх температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешёвой криогенной жидкости. Содержание 1 История 2 Классификация 3 Свойства сверхпроводников 3.1 Нулевое электрическое сопротивление 3.2 Сверхпроводники в высокочастотном поле 3.3 Фазовый переход в сверхпроводящее состояние 3.4 Эффект Мейснера 3.5 Эффект Литтла — Паркса 3.6 Изотопический эффект 3.7 Момент Лондона 3.8 Сверхпроводимость в биофизике 3.9 Сверхпроводимость в нейтронных звездах 4 Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости 5 Применение сверхпроводимости 6 См. также 7 Примечания 8 Литература 9 Ссылки История 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[1]. Согласно существовавшим тогда классическим теориям[2], 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, проводившиеся 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[3][4]. 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 братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном[англ.]. Более общая теория была построена в 1950 году В. Л. Гинзбургом и Л. Д. Ландау. 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 (Бардина — Купера — Шриффера), являются так называемые куперовские пары электронов. Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I рода (к ним, в частности, относится ртуть) и II рода (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/см. В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт (получивший позже его имя) эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных[5]. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок сопротивления 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[6]. 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)[7][8]. В 2017 году было обнаружено явление сверхпроводимости графена толщиною в два атомных слоя, повёрнутых друг относительно друга на угол 1,1 градуса[9]. В 2019 году была получена сверхпроводимость у декагидрида лантана[англ.] LaH при 23 °C (250 K) и ниже под давлением 188 ГПа. При этом наблюдался гистерезис — при повышении температуры свыше 245 K сверхпроводимость у LaH исчезала[10][11]. Кроме того, в Институте кристаллографии им. Шубникова получена сверхпроводимость у гидрида иттрия YH при температурах 224 K при 166 ГПа и 218 K при 165 ГПа. Эффект сверхпроводимости в таких гидридах обуславливается структурой кристалла, в которой атомы водорода «обволакивают» более тяжёлые атомы, которые задают структуру кристаллической решётки и в такой структуре не препятствуют образованию конденсата Бозе — Эйнштейна. Согласно расчётам, перспективными являются также тернарные гидриды: например, LiMgH должен иметь температуру перехода к сверхпроводимости 473 K при давлении 2,5 МБар[11][12]. В 2023 году было объявлено об обнаружении сверхпроводимости при температуре 294K и давлении 1 ГПа в материале из гидроксида лютеция, легированного азотом[13]. Однако научным сообществом это заявление было встречено со скептицизмом, поскольку открытие было сделано той же командой, которая уже делала аналогичные заявления, отозванные из журнале Nature в 2022 году[14]. Первые попытки воспроизвести заявленные результаты потерпели неудачу[15]. 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, Hc, выше которого они теряют сверхпроводимость), или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, По теории, объясняющей их (БКШ или нет). По их критической температуре: низкотемпературные, если (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, графен[9] и т. п. Молекулы органических веществ, содержащие ${\displaystyle \pi }$-электронную систему, являются миниатюрными сверхпроводниками, в которых ${\displaystyle \pi }$-электроны образуют связанные электронные пары[16]. Свойства сверхпроводников 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 года (эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенные жидкости). Сверхпроводники в высокочастотном поле Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю, справедливо только для постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля. Этот эффект на языке двухжидкостной модели сверхпроводника объясняется наличием, наравне со сверхпроводящей фракцией электронов, также и обычных электронов, число которых, однако, невелико. При помещении сверхпроводника в постоянное поле это поле внутри сверхпроводника обращается в нуль, поскольку иначе сверхпроводящие электроны ускорялись бы до бесконечности, что невозможно. Однако в случае переменного поля поле внутри сверхпроводника отлично от нуля и ускоряет в том числе и нормальные электроны, с которыми связаны и конечное электрическое сопротивление, и джоулевы тепловые потери. Данный эффект особо ярко выражен для таких частот света, для которых энергии кванта ${\displaystyle h\nu }$ достаточно для перевода сверхпроводящего электрона в группу нормальных электронов. Эта частота обычно лежит в инфракрасной области (около 1011 Гц), поэтому сверхпроводники внешне выглядят так же, как обычные металлы[17]. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение В настоящее время[когда?] фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причём при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4,15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К). В 2000 году было показано, что небольшое фторирование упомянутой выше ртутной керамики позволяет поднять критическую температуру при обычном давлении до 138 К[18]. Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Эффект Мейснера Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов вблизи поверхности сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью ${\displaystyle H_{\mathrm {c} }(T)=H_{\mathrm {c0} }\left(1-{\frac {T^{2}}{T_{\mathrm {c} }^{2}}}\right)}$, где ${\displaystyle H_{\mathrm {c0} }}$ — критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая ${\displaystyle j_{\mathrm {c} }}$, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического. Разрушение сверхпроводящего состояния под действием магнитного поля отличается у сверхпроводников I и II рода. Для сверхпроводников II рода существует 2 значения критических поля: Эффект Литтла — Паркса В 1963 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом, равным кванту магнитного потока) зависит от величины магнитного потока[19]. Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости[20][21].