Введение

Понятие абсолютный нуль вошло в физику в середине прошлого века. Родившись из газового закона, оно постепенно распространилось на все состояния вещества, приобрело фундаментальное значение для всей физики.

Абсолютному нулю соответствует температура -273°С (точнее, -273,15 °С). Любое вещество больше охладить нельзя, т. е. нельзя у него отнять еще энергию. Иными словами, при абсолютном нуле молекулы вещества обладают наименьшей возможной энергией, которая уже не может быть отнята у тела ни при каком охлаж­дении. При каждой попытке охладить вещество энергии в нем остается все меньше и меньше, но всю ее вещество никогда не сможет отдать охлаждающему устройству. По этой причине ученые не достигли абсолютного нуля и не надеются сделать это, хотя они уже творят чудеса, достигая температур порядка миллионных долей градуса.

Так как абсолютный нуль есть самая низкая температура, то естественно, что в физике, особенно в тех ее разделах, где речь идет о низких температурах, поль­зуются термодинамической температурной шкалой, которая может быть проградуирована в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С); соотношение между тем­пературами при любой из этих шкал: T = t + 273, где Т — абсолютная температура, К; t — температура, ^oС.

Исследования при температурах, близких к абсолютному нулю, давно привлекали к себе внимание ученых. Такие температуры физики называют криогенными (от греческого слова «крио» — холод).

При криогенных температурах происходит много удивительного. Ртуть замерзает так, что ею можно забивать гвозди, резина разлетается на осколки от удара молотком, некоторые металлы становятся хрупкими как стекло.

Все это любопытно, но суть получения низких температур гораздо глубже. Поведение вещества вблизи абсолютного нуля зачастую не имеет ни­чего общего с его поведением при обычных температурах.

Казалось бы, вместе с теплом из вещества уходит и энергия, а застывшее вещество уже не может представлять интереса. Еще столетие назад так и считали: абсолютный нуль — это смерть ма­терии. Но вот физики получили возможность работать при сверхнизких температурах, и оказалось, что область вблизи абсолютного нуля не такая уж мертвая. Совсем наоборот: здесь начинают проявляться многочислен­ные красивые эффекты, которые при обычных условиях, как правило, за­маскированы тепловым движением атомов. Именно здесь начинается тот мир — удивительный и порой парадоксальный, который называется сверх­проводимостью.

Сверхпроводимость — способность вещества пропускать электрический ток, не оказывая ему ни малейшего сопротивления.

1 Общая характеристика сверхпроводимости

Экспериментально установлено, что электрическое сопротивле­ние сверхпроводников скачкообразно падает до исчезающе малого, не поддающегося измерению, значения (р < 5 ^. 10^-24 Ом∙м). Темпера­туру, при которой происходит переход в сверхпроводниковое состоя­ние, называют критической температурой Т_кр.

Явление сверхпроводимости обнаружил в 1911 г. голландский физико-химик Гейке Камерлинг-Оннес. Измеряя температурную зави­симость удельного сопротивления ртутного кольца, он установил, что при температуре 4,2 К сопротивление ртути скачкообразно пада­ет до нуля. В настоящее время в сверхпроводниковое состояние пе­реведены 39 химических элементов, в том числе 33 металла, и боль­ше тысячи различных сплавов и химических соединений. Металлы Аg, Си, Аи, Рl, не удалось перевести в сверхпроводниковое состояние при тех низких температурах (около милликельвина), которые могут быть получены в настоящее время.

У идеального металлического проводника при температуре 0К сопротивление должно было бы падать до нуля, так как бездефектная кристалличе­ская решетка имеет строго периодический потенциал и поэтому не способна рассеивать электроны проводимости. Однако такое поведе­ние металлов не являлось бы сверхпроводимостью, поскольку пере­ход материала в сверхпроводниковое состояние, во-первых, в прин­ципе не связан с наличием в нем примесей и, во-вторых, происходит не плавно по мере понижения температуры, а скачкообразно, при некотором значении температуры, называемой температурой перехо­да в сверхпроводниковое состояние или критической температурой Т_кр. Для каждого сверхпроводника величина T_кр вполне определен­ная. Кроме того, для сверхпроводникового состояния характерным является то, что магнитное поле не проникает в объем сверхпровод­ника, а выталкивается из него (рис.1). Следовательно, сверхпро­водник является идеальным диамагнетиком. Явление выталкивания магнитного поля из сверхпроводника получило назва­ние эффекта Мейсснера—Оксенфельда, по имени немецких физиков открывших это явление в 1933 г. Если слабое магнитное поле прони­кает в сверхпроводник только в его поверхностный слой на глубину 10^-7 м, то достаточно сильное магнитное поле, разрушает сверхпро­водимость.

В основе теории сверхпроводимости, соз­данной Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером в 1957 г., лежит представление о том, что электроны проводимости обладают не только кулоновскими силами отталкивания, но и испытывают особый вид взаимного при­тяжения, который обусловлен кулоновскими силами притяжения двух электронов, находя­щихся по разные стороны от положительно заряженного узла кристаллической решетки, этим узлом. В сверхпроводниковом состоянии (при Т ≤ Т_кр) силы притяжения преобладают над силами отталкивания между электронами проводимости. В результате они образуют электронные пары, названные куперовскими па­рами, по имени ученого, доказавшего, что об­разование таких пар энергетически выгодно. В куперовских парах электроны имеют проти­воположные спины и равные по величине, но противоположные по направлению импульсы, поэтому спин и полный импульс пары равны нулю. Поскольку силы притяжения между электронами в куперовской

Рис.1. Магнитное по­ле с проводником в нор­мальном (а) и сверхпроводниковом (б) состоя­ниях

паре относительно слабые, то они находятся друг от друга на достаточно большом расстоянии, равном порядка 10^-7 м. В таком относительно большом пространстве, которое занимает куперовская пара, размещается при­мерно 10⁶ куперовских пар. Пространственное перекрытие такого ог­ромного числа электронных пар неизбежно должно приводить к строгой взаимной корреляции их движения.

Пары не могут двигать­ся независимо друг от друга, как электроны проводимости в металле, которые находятся в нормальном

(«одиночном») состоянии. Каждая электронная пара, взаимодействуя со всеми остальными, движется строго согласованно со всей совокупностью таких же пар.

Как же будут вести себя электроны в куперовских парах при возбуждении в сверхпроводнике электрического тока? В отсутствие тока во всех куперовских парах импульс равен нулю, так как пары образо­ваны электронами, имеющими равные по величине, но противопо­ложные по направлению импульсы. Под действием внешнего источника, вызвавшего ток, все нарушая куперовские пары, не корреляции, приобретают один и тот же импульс и движутся как единое целое (суммарная волна) в одном направлении с некоторой дрейфовой скоростью. Электроны проводимости испытывают рас­сеяние на тепловых колебаниях решетки и других ее дефектах, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Купе­ровские же пары, пока они не разорваны, не могут рассеиваться на тепловых колебаниях и других дефектах решетки. Не испытывая рассеяния при своем движении, куперовские пары обусловливают сверхпроводимость.

При температурах выше 0 К куперовские пары под действием те­пловых колебаний решетки (фононов) начинают медленно разру­шаться, и электроны переходят в нормальное («одиночное») состоя­ние. Чем ближе температура сверхпроводника к его критической температуре Т_кр, тем большее число куперовских пар разрушено, а при Т = Т_кр все они разрушаются и сверхпроводимость пропадает.

Сверхпроводимость можно также разрушить, увеличивая плот­ность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемо­го критической плотностью тока j_кр. При j = j_кр энергия куперовской пары достигает величины, достаточной для ее разрушения.

Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем, что непосредственно вытекает из существования j_кр.

При помещении сверхпроводника в магнитное поле в его тонком поверхностном слое находится незатухающий электрический ток, который с увеличением напряженности магнитного поля Н (магнитной индукции В) растет, и при достижении значения j_кр сверхпроводимость разрушается, так как разрушаются куперовские пары. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют кри­тической напряженностью H_кр (или критической магнитной индукцией В_кр). Чем больше значение Н_кр (В_кр) сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура Т_кр и критическая напряженность магнитного поля Н_кр — взаимозависимые величины. При увеличении температуры сверхпроводника (и В_кр) уменьша­ется. Поэтому максимальная температура перехода Т_кр в сверхпро­водниковое состояние достигается при ничтожно малом значении напряженности магнитного поля (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид диаграммы состояния некоторых сверхпроводников первого (а) и второго (б) рода: Св — сверхлроводниковое состояние; См — смешанное состояние; П - проводниковон (нормальное) состояние.

На сверхпроводимость влияет и частота электромагнитного поля. Начиная с некоторой граничной частоты f_гр, обычно составляющей десятки-сотни ГГц, разрушаются куперовские пары и соответствен­но исчезает сверхпроводимость, т.е. металл становится обычным проводником.

В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода. Часто «жесткие» сверх­проводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпро­водники III рода. В самостоятельный класс также выделяют недавно полученные высокотемпературные сверхпроводники.