§ 1. Температура сверхпроводящего перехода

Температура, при которой сверхпроводник теряет сопротивление, называется температурой его сверхпроводящего перехода или критической температурой. Эта температура, обозначаемая Т_с, различна для каждого металла. В табл. I указаны температуры сверхпроводящих переходов металлических элементов. Сверхпроводимостьбыла найдена не у всех металлов. Например, медь, железо и натрий не проявляют сверхпроводимости при охлаждении вплоть до очень низких температур. Конечно, проводяэксперименты в более низкой температурной области, может быть, и удастся обнаружить новые сверхпроводники, но нет никаких фундаментальных оснований полагать, что

^х) Здесь термин сверхпроводник применяется для веществ, которые при охлаждении обнаруживают сверхпроводимость. Прилагательное сверхпроводящий применяется к веществу, когда оно находится в сверхпроводящем состоянии, и нормальный — когда оно не проявляет сверхпроводящих свойств (т.е. выше температуры его сверхпроводящего перехода).

все металлы должны обладать сверхпроводимостью, даже при абсолютном нуле. Известно, что сверхпроводниками являются примерно половина металлических элементов и большое число сплавов.

Наиболеевысокой температурой перехода (9,3 К) среди элементов обладает ниобий, но некоторые сплавы и металлические соединения сохраняют сверхпроводимость и до более высоких температур (табл. II). Например, темпера тура перехода дляNb₃Snпревышает 18 К.

Таблица 11

Температуры сверхпроводящих переходов некоторых сплавов и металлических соединений по сравнению с составляющими их элементами

	Та—Nb	РЬ—Вi	ЗNЬ—Zr	Nb3Sn	NЬ	РЬ	Та	Sп	Zr	Вi
Тc,К	6,3	8	11	18	9,3	7,2	4,5	3,7	0,75	Не сверхпроводник

Ферромагнитные вещества не являются сверхпроводниками. Сплавы могут быть сверхпроводящими, даже если они составлены из двух металлов, не являющихся сверхпроводниками (например, сплав Вi—Рd). Если образец чист и физически идеален, переход в сверхпроводящее состояние при охлаждении может быть чрезвычайно резким. Например, для образца из чистого галлия переход наблюдается в интервале температур, равном 10^-5 градусов. Однако, если образец загрязнен или нарушена его кристаллическая структура, область сверхпроводящего перехода может значительно расшириться. На фиг. 5 изображен сверхпроводящий переход для чистого и загрязненного образцов олова.

Фиг. 5. Сверхпроводящий переход олова.

§ 2. Нулевое сопротивление

Даже в случае, когда переход происходит на значительном температурном интервале, сопротивление все равно ниже определенной температуры исчезает полностью. Естественно возникает вопрос, действительно ли оно в сверхпроводящем состоянии равно нулю или только снижается до очень малой величины. Невозможно, конечно, экспериментально доказать, что сопротивление действительно равно нулю; сопротивление любого образца всегда может быть меньше чувствительности аппаратуры, применяемой для его определения. Однако ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких следов сопротивления в сверхпроводящем состоянии. Определить наличие сопротивления очень легко — надо пропустить ток через сверхпроводящую проволоку и следить за появлением напряжения на чувствительном вольтметре, подсоединенном к концам проволоки. В более чувствительном методе ток запускают в замкнутом сверхпроводящем кольце и затем наблюдают затухание этого тока за длительный период времени. Предположим, что самоиндукция кольца равна Ь', тогда если в момент времени I == 0 мы запускаем по кольцу ток I (0) (способ, каким это делается, описан в § 3), то за время ( ток должен затухать по закону

i(t )= i(0) e^{-(R/L) t} (1.1)

где Н — сопротивление кольца. Нельзя, конечно, включить амперметр в цепь и измерять им ток, но можно измерять магнитное поле, образованное циркулирующим током, и таким образом определять затухание тока со временем. Измерение магнитного поля не приводит к потере энергии в кольце, и поэтому можно увидеть, будет ли ток циркулировать по кольцу бесконечно. Из (1.1) следует, что чем меньше индуктивность кольца Ь, тем быстрее затухает ток при данном сопротивлении Н и тем чувствительнее становится эксперимент. Куин и Иттнер [1] запустили ток в маленьком полом сверхпроводящем свинцовом цилиндре с очень тонкими стенками и с самоиндукцией, равной лишь 1,4·10^-13Г. Поскольку уменьшение магнитного поля составило меньше 2% за 7 ч, они пришли к выводу, что удельное сопротивление сверхпроводящего металла меньше 4·10^-25 Ом-м (т. е. по крайней мере в 10¹⁷ раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре). Следовательно, вполне справедливо считать, что сопротивление сверхпроводящего металла равно нулю.