21.10. Високотемпературна надпровідність

У 1986 році К.Мюллер та Дж.Беднорец зафіксували існування надпровідності при температурах ~100 К в матеріалах, що називаються кераміками. Кераміки створюються методом відпалювання відповідних сумішей на основі La-Sr-Cu-O та Y-Ba-Cu-O при температурах до 1000 С і більше в атмосфері кисню з надлишком або з його недостачею при різних тисках. Наприклад, кераміка , що складається з набору спікшихся кристаликів довжиною 0,2-0,4 мм і товщиною 5-7м, утворюється відпалюванням при 950-1100 С у атмосфері кисню і вона має критичну температуру . Заміна у кераміках ітрію Y на інші рідкоземельні елементи, як то на європій Еu , гадоліній Gd, ітербій Yb та інші, дає кераміки, у яких Т_с має порядок азотних температур.

21.11. Теоретичні засади низькотемпературної надпровідності

У 1957 році американські вчені Бардін, Купер та Шріффер створили теорію надпровідності металів, що отримала назву теорія БКШ. Після цілого ряду експериментальних підтверджень висновків цієї теорії, її авторам у 1972 році була присуджена Нобелівська премія. Ця теорія полягає у тому, що при низьких температурах електрони, обмінюючись фононами, взаємодіють між собою. Взаємодія носить характер тяжіння між електронами, що при температурах близьких до Т_с призводить до об’єднання електронів у пари, всупереч кулонівському відштовхуванню. Ці пари дістали назву ‘куперівських’ за прізвищем одного з авторів БКШ. У такі пари об’єднуються електрони провідності з протилежними моментами імпульсу та спінами. Розміри куперівських пар  10^-6 м, а їх енергії близькі до енергій Фермі. Утворені пари, на відміну від електронів, являються бозонами, число яких у певному енергетичному стані необмежене.

При зменшенні температури відбувається накопичення куперівських пар у найнижчому енергетичному стані. Це явище носить назву бозе-конденсації. Хвильова функція куперівської пари для однорідного надпровідника без струму може бути записана у вигляді

, (11)

де є стала дійсна величина, афаза псі-функціі.

При бозе-конденсації куперівські пари об’єднуються в ансамбль взаємодіючих між собою пар. Для зруйнування однієї з таких пар потрібно затратити енергію Е_p, що дорівнює енергії взаємодії електронів у парі. В термінах квантової теорії це означає, що енергетичний спектр ансамблю буде мати дискретну структуру: збуджений стан, відокремлений від основного на величину Е_p, яку називають енергетичною щілиною. На всі збудження з енергією меншою ніж , наприклад, взаємодія з тепловими коливаннями решітки, ансамбль реагувати не буде, тобто рух пар із зарядом q=2e не буде мати опору.

Експериментальне підтвердження теорії БКШ дають досліди, що визначили заряд пари, дискретність магнітного потоку Ф_о, відсутність надпровідного стану у таких металах як мідь, срібло та інших. Окрім цього потрібно відзначити, що завдяки цій теорії вперше установлено зв’язок між макроскопічним струмом стаціонарного ефекту Джозефсона та фазою хвильової функції куперівської пари

де фази хвильових функцій першого та другого надпровідників, що мають діелектричний контакт. Добре описуючи явище надпровідності чистих металів, теорія БКШ не пояснює механізм високотемпературної надпровідності керамік.