ФЕНОМЕН СВЕРХПРОВОДИМОСТИ: ОТКРЫТИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

THE PHENOMENON OF SUPERCONDUCTIVITY: DISCOVERY, CLASSIFICATION, AND PROSPECTS

Boltneva Anna Sergeevna

Lead Design Engineer JSC “Lavochkin Research and Production Association”,

Russian, Khimki

Medvedeva Daria Dmitrievna

Senior Design Engineer

JSC “Lavochkin Research and Production Association”,

Russia, Khimki

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье проводится комплексный анализ феномена сверхпроводимости — квантового явления, характеризующегося нулевым электрическим сопротивлением и эффектом Мейснера. Рассматриваются исторические этапы его изучения, от открытия Камерлинг-Оннеса до создания теории БКШ, а также современная классификация сверхпроводников I и II рода. Особое внимание уделено ключевым проблемам и перспективам развития высокотемпературной сверхпроводимости, включая поиск новых материалов и потенциальные направления применения в энергетике, медицине и транспорте.

ABSTRACT

This article provides a comprehensive analysis of the phenomenon of superconductivity, a quantum effect characterized by zero electrical resistance and the Meissner effect. It examines the historical stages of its study, from the discovery by Kamerlingh-Onnes to the development of the BCS theory, as well as the modern classification of Type I and Type II superconductors. Special attention is paid to the key challenges and prospects in developing high-temperature superconductivity, including the search for new materials and potential applications in energy, medicine, and transport.

Ключевые слова: сверхпроводимость, эффект Мейснера, куперовская пара, сверхпроводники I и II рода, высокотемпературная сверхпроводимость, квантовые эффекты, вытеснение магнитного поля, купраты.

Keywords: superconductivity, Meissner effect, Cooper pair, type I and type II superconductors, high-temperature superconductivity, quantum effects, magnetic field displacement, cuprates.

Понятие о сверхпроводимости

Сверхпроводимость – это свойство некоторых материалов демонстрировать нулевое электрическое сопротивление при понижении температуры ниже критического значения. Существует большое множество различных соединений, чистых элементов, керамик и сплавов, способных переходить в состояние сверхпроводимости. Это явление имеет квантовую природу и также сопровождается эффектом Мейснера (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом (эффект Мейснера)

Открытие явления сверхпроводимости стало возможным лишь благодаря развитию технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур.

В 1893 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследовал влияние сверхнизких температур на электрические свойства металлов. На тот исторический момент ученые ожидали увидеть постепенное снижение сопротивления, но также предполагалась и полная потеря электропроводности при экстремально низкой температуре. Эксперименты, проведенные Камерлингом-Оннесом вместе с его ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, изначально подтверждали предположение о плавном уменьшении сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года неожиданно было обнаружено, что при температуре 3 К (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкое падение сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

Нулевое сопротивление — это не единственная характеристика, отличающая сверхпроводники, также сверхпроводники отличаются эффектом полного вытеснения магнитного поля.

Первоначальное теоретическое обоснование сверхпроводимости предложили в 1935 г. учёные Фриц и Хайнц Лондон. Затем, в 1950 году, появилась более универсальная концепция, разработанная Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Обе ранние модели носили по большей части феноменологический характер и не объясняли фундаментальные механизмы этого явления. Лишь в 1957 году американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер впервые предложили полноценное описание сверхпроводимости, ключевым компонентом которого стали так называемые куперовские электронные пары. Эта теория стала называться теорией БКШ.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов).[1]

Переход материала в сверхпроводящее состояние происходит резко при достижении определенной температуры, называемой критической температурой перехода. Когда температура превышает данное значение, материал пребывает в обычном состоянии, а при понижении температуры ниже указанной границы вещество становится сверхпроводником. Критическая температура конкретного материала зависит от баланса между двумя противоположными силами: одна способствует организации электронов, а вторая нарушает сформированный порядок. [2]

Классификация

Существует несколько основных критериев для классификации сверхпроводников:

1. По 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, Hc1 и Hc2 (нижнее критическое поле, при котором начинается процесс перехода, и верхнее критическое поле, при достижении которого переход завершается). При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств. [3]

Рисунок 2. Классификация сверхпроводников (слева: сверхпроводник I рода, справа: сверхпроводник I рода)

Для сверхпроводников как I, так и II рода существует максимальное значение тока, который может быть пропущен через материал без нарушения сверхпроводимости. Если электрический ток в сверхпроводниках I рода создает магнитное поле на поверхности материала, которое равно или превышает критическое поле, нормальное состояние сверхпроводника восстанавливается. Ток, соответствующий критическому полю, называется критическим.

2. По критической температуре: низкотемпературные, если T_c <77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.

3. По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB2), сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и т. п.

Характерные свойства сверхпроводников

При постоянном электрическом токе сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением. Данный факт подтвержден экспериментально путем индукции электрического тока внутри замкнутого контура из сверхпроводящего материала, где ток сохранялся неизменным на протяжении 2,5 лет (исследование прекратилось вследствие стачки сотрудников, обеспечивающих поставку криогенных жидкостей).

Критические свойства сверхпроводников:

• Критическое магнитное поле (критическая индукция) – это величина напряженности магнитного поля, при превышении которой сверхпроводник переходит в обычное металлическое состояние. Величина критического поля варьируется от нескольких десятков до сотен тысяч гаусс, в зависимости от характеристик материала проводника. Значение критического поля уменьшается с ростом температуры: при температуре фазового перехода оно снижается до нуля, тогда как при температурах, близких к абсолютному нулю, достигает своего максимума.
• Критический ток – максимальный постоянный ток, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводимости. Как и критическая индукция, критический ток сильно зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.
• Критическая температура Tc – такая температура, при достижении которой происходит скачок сопротивления. Исследования показывают, что такой переход наблюдается в некотором интервале температур. Критическая температура для каждого вещества своя. 

Полное вытеснение магнитного поля

Эффект Мейснера заключается в полном вытеснении магнитного поля из внутренней области материала при его переходе в сверхпроводящее состояние. Этот феномен был открыт в 1933 году немецкими учеными Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом.

При помещении в постоянное внешнее магнитное поле охлаждаемого сверхпроводника магнитное поле целиком вытесняется из внутреннего пространства материала в момент достижения сверхпроводящего состояния. Данное свойство отличает сверхпроводник от обычного высокопроводящего материала.

Из-за отсутствия магнитного поля внутри проводника в проводнике присутствует лишь поверхностный ток (локализуется тонким слоем вблизи поверхности материала). Так, в примере с шаром, находящимся во внешнем магнитном поле (см. рисунок 3), указанный ток формируется движением заряженных частиц в тонком приповерхностном слое по круговым орбитам, расположенным перпендикулярно плоскости изображения и направлению внешнего поля вдали от шара.

Сверхпроводимость играет ключевую роль в этом феномене, обеспечивая возникновение и длительное существование поверхностного тока без потерь энергии. Возникший магнитный поток нейтрализует действие внешнего поля внутри сверхпроводника. Формально сверхпроводник ведет себя подобно идеальному диамагнетику, хотя фактически таковым не является, поскольку его внутренняя намагниченность отсутствует.

Рисунок 3. Эффект Мейснера в сверхпроводимом шаре, охлажденном в постоянном внешнем магнитном поле

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Адекватное описание сверхпроводящих материалов возможно лишь в терминах квантовой механики, поскольку сверхпроводимость сама по себе является чисто квантовым эффектом.

Согласно квантовой теории, механизм возникновения сверхпроводимости обусловлен образованием специфических электронных пар, именуемых куперовскими. Эти пары формируются благодаря особому взаимодействию электронов с кристаллической решеткой материала: проходя сквозь нее, первый электрон смещает атомы, создавая вокруг себя положительную область, притягивающую второй электрон. Между всеми такими парами устанавливается взаимосвязь, для разрушения которой необходима энергия, соответствующая пороговой (пороговая зона). При повышении температуры энергии становится достаточно для разъединения электронных пар, что приводит к их распаду и возвращению материала в обычное состояние.

Рисунок 4. Схематичное изображение куперовских пар в сверхпроводнике

Пространственный масштаб, на котором электроны сверхпроводника оказывают взаимное влияние, называется длинной когерентности ξ. Физической причиной возникновения корреляции в движении электронов является существующая в сверхпроводнике эффективная сила притяжения между ними, под действием которой  электроны с противоположными направлениями спинов объединяются в пары, известные как куперовские. [4] Характерный размер такой пары и называется длиной когерентности ξ.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) — сверхпроводимость при относительно высоких температурах. Исторически температурной границей ВТСП считается значение в 30 К, хотя ряд авторов подразумевает под ВТСП сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

Обычно высокотемпературная сверхпроводимость проявляется в группе сверхпроводящих керамических соединений, характеризующихся наличием чётко выраженных медно-кислородных слоёв. Эти материалы известны как купраты. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние для некоторых купратов являются самыми высокими среди всех известных сверхпроводников.

В настоящее время самым высоким значением критической температуры T_c=161 K обладает декагидрид тория ThH10 [5] (предыдущий рекорд T_c=135 K принадлежит ртутьсодержащему купрату HgBa2Ca2Cu3O8+x).

Многие из свойств, демонстрируемых купратами, не объясняются в рамках теории БКШ. Исчерпывающей теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, интерес в этой области привел ко многим экспериментальным и теоретическим результатам.

Перспективы применения сверхпроводимости

Сегодня сверхпроводники широко используются в современных устройствах для точного измерения слабых электрических сигналов и магнитных полей, они необходимы для разработки сверхчувствительных датчиков излучения и мощных магнитов. Они служат основой технологий магнитно-резонансной томографии, позволяющих выявлять мельчайшие колебания магнитных полей человеческого мозга. Не обошлось без сверхпроводников и в сфере транспорта – в некоторых странах уже используются поезда на магнитной подвеске. Тем не менее, остается нерешенной проблема поддержания экстремально низких температур, необходимых для функционирования большинства сверхпроводников. Несмотря на значительные инвестиции и усилия ученых, разработка высокотемпературных сверхпроводников идет медленно, в значительной степени вслепую, ведь природа таких материалов до сих пор до конца не понята. Но как только ученые смогут объединить теорию и эксперименты, человечество непременно увидит новую революцию в науке и технике. Одним из наиболее значимых направлений станет энергетика. Использование сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии существенно снизит потери мощности, что повысит общую эффективность энергоснабжения. Технологические решения на основе сверхпроводников позволят значительно повысить производительность и снизить затраты на эксплуатацию установок типа синхротронов и коллайдеров.

Список литературы:

1. Фирсов В.П. Тексты лекций по дисциплине: «Криогенная техника», Москва 2023. – 198 с.
2. Фирсов В.П. Криогенная техника. Московский Авиационный Институт (Национальный исследовательский университет), Москва 2012, С. 198.
3. Васильев Б. В.  Сверхпроводимость, Сверхтекучесть и нулевые колебания, 2013 – С. 161.
4. Московский государственный университет приборостроения и информатики, статья «Сверхпроводимость: история открытия и сущность явления», 2016. – С. 17.
5. Materials Today Volume 33, March 2020, Pages 36-44.URL: https://colab.ws/articles/10.1016/j.mattod.2019.10.005