§ 31. Сверхпроводимость

В 1911 г. голландский ученый Камерлинг-Оннес, изучая электропроводность ртути при весьма низких температурах, открыл интереснейшее явление — сверхпроводимость. Явление сверхпроводимости заключается в том, что ртуть, свинец, цинк, алюминий и некоторые другие металлы при глубоком охлаждении до весьма низкой температуры внезапно при 2—8° К полностью утрачивают свое сопротивление электрическому току.

Электрическое сопротивление при понижении температуры уменьшается плавно и в области весьма низких температур обычно

с определенным замедлением (рис. 97). Но у некоторых металлов при характерной для каждого из них температуре — при «точке превращения в сверхпроводник» — сопротивление вдруг скачком убывает по меньшей мере в десятки миллиардов раз, вероятно до полного исчезновения (рис. 98). Во всяком случае, несмотря на исключительную чувствительность применяемых методов измерения, электрическое сопротивление в состоянии сверхпроводимости оказывается необнаружимо малым и, возможно, нулевым.

Рис. 97. Обычный характер зависимости сопротивления от температуры в области низких температур.

Рис. 98. Скачок исчезновения сопротивления для сверхпроводника.

Когда через тонкую свинцовую проволоку, находящуюся в состоянии сверхпроводимости, проходит ток плотностью в тысячи ампер на квадратный сантиметр, никакого падения потенциала между концами проволоки не замечается. Не замечается также никакого выделения тепла током.

Ток, однажды возбужденный в замкнутом сверхпроводящем кольце, не уменьшается в величине десятки часов — все время, пока сохраняется состояние глубокого охлаждения, обеспечивающее сверхпроводимость.

Переход в состояние сверхпроводимости не сопровождается какими-либо резкими изменениями других свойств металла (не считая магнитных). Исследованиями Кеезома и де Гааза установлено, что переход в состояние сверхпроводимости не связан с какими-либо изменениями в строении кристаллической решетки. Установлено, что в момент возникновения сверхпроводимости (в ненамагниченном металле) не происходит ни выделения, ни поглощения тепла; коэффициент теплового расширения не изменяется; только теплоемкость (весьма малая при низких температурах) испытывает небольшой скачок в сторону возрастания.

Опыты, проведенные Шенбергом (1937 г.), показали, что интенсивное намагничивание сверхпроводника способно разрушить его сверхпроводимость. Это обстоятельство налагает ограничение на допустимую плотность тока в сверхпроводнике: магнитное поле чрезмерно большого тока вызывает исчезновение сверхпроводимости. Однако при уменьшении величины тока или при более

глубоком охлаждении состояние сверхпроводимости вновь восстанавливается.

Ряд исследований показал, что в совершенно чистом металле в состоянии сверхпроводимости весь ток проходит по поверхности металла, сам же металл становится непроницаемым для магнитного и электрического полей. Таким образом, термин «сверхпроводимость» оказалось возможным рассматривать как имеющий даже геометрический смысл, а именно смысл такого состояния металла, когда ток проходит «сверх» (или «поверх») металла, не проникая внутрь. Естественно, что физические и химические особенности металла не сказываются в виде сопротивления току, который протекает «поверх» металла. Но это, конечно, еще не объясняет сущности явления.

Тонкие эксперименты, осуществленные членом-корр. Академии наук СССР А. И. Шальниковым, доказали, что глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник составляет десятитысячные доли миллиметра. Последующие опыты А. И. Шальникова (1947 г.) обнаружили, что переход к сверхпроводимости куска металла при глубоком охлаждении происходит через промежуточное состояние, когда (в согласии с теорией, развитой акад. Л. Д. Ландау) наблюдается расслоение металла на тонкие слои сверхпроводимости, чередующиеся со слоями нормальной проводимости.

Явление сверхпроводимости обнаружено у 23 металлов и у многих сплавов. Температуры, при которых металл, когда его охлаждают, внезапно обнаруживает сверхпроводимость, — точки превращения в сверхпроводник — для некоторых металлов приведены в помещенной здесь таблице.

Точки превращения в сверхпроводник по шкале абсолютной температуры

(см. скан)

Рис. 99 показывает, как происходит падение сопротивления, когда металл охлажден до точки превращения в сверхпроводник.

Металлы, которые при глубоком охлаждении становятся сверхпроводниками, при комнатной температуре отнюдь не являются лучшими проводниками. Напротив, у лучших проводников — меди,

серебра и золота — состояние сверхпроводимости не обнаружено, несмотря на то, что их охлаждение доводилось до температур, предельно близких к абсолютному нулю,

Все металлы, превращающиеся при глубоком охлаждении в сверхпроводники, составляют в периодической системе элементов Д. И. Менделеева компактную группу, очерченную на рис. 100 рамкой.

Рис. 99. Температурный ход удельного сопротивления металлов близ абсолютного нуля (сверхпроводимость).

Рис. 100. Положение сверхпроводящих элементов в периодической системе Менделеева. Цифры под символами элементов — температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Явление сверхпроводимости наблюдается также у многих сплавов. Замечательно, что сверхпроводящими сплавами при низких температурах оказываются не только сплавы металлов-сверхпроводников, но также некоторые сплавы с преобладанием металла, который в чистом виде не обнаруживает сверхпроводимости. Имеются даже такие сверхпроводящие сплавы и соединения, которые полностью состоят из элементов, не принадлежащих к сверхпроводникам. Таковы сплавы висмута и золота карбиды молибдена и вольфрама Полупроводник при 1,6 К становится сверхпроводником.

Самыми высокими точками превращения в состояние сверхпроводимости обладают: ниобий карбид ниобия сплав олова и ниобия и наивысшей точкой — нитрид ниобия

Почти полвека явление сверхпроводимости оставалось малопонятным. Только в 1957 г. американским физикам Бардину, Куперу, Шриферу и в более полной форме академику Николаю Николаевичу Боголюбову удалось, наконец, создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости.

Оказалось, что сверхпроводимость объясняется во многих отношениях аналогично явлению сверхтекучести жидкостей. Как было упомянуто в т. I на стр. 367, сверхтекучесть наблюдается у жидкого гелия II при температурах ниже 2,18° жидкий гелий вследствие сверхтекучести обладает аномально большой теплопроводностью (почти в полтора миллиона раз большей, чем вода, в две тысячи раз большей, чем медь, взятые при комнатной температуре).

В одной из своих статей (1958 г.) Н. Н. Боголюбов пишет:

«...Выяснилась следующая картина движения сверхтекучей жидкости: в противоположность движению обычной жидкости или газа, в которых отдельные частицы движутся беспорядочно, движение сверхтекучей жидкости проявляет высокую степень упорядоченности. Это обусловлено тем, что частицы сверхтекучей жидкости сильно взаимодействуют друг с другом. Особенно сильным это взаимодействие оказывается для частиц с противоположно направленными скоростями. Правильный учет этого взаимодействия составлял особую трудность при создании теории сверхтекучести, Аналогичную трудность таила в себе и теория сверхпроводимости...

До сих пор в физике существовало общее мнение, что вряд ли возможно глубокое сходство в поведении системы, состоящей из атомов гелия, и системы, образованной из электронов. Дело в том, что статистические свойства этих частиц, которые и определяют поведение составленных из них систем, весьма различны: ядра гелия подчиняются статистике Бозе, а электроны подчиняются статистике Ферми.

Общую картину поведения электронов в сверхпроводящем состоянии можно представить себе следующим образом. Свободные электроны металла образуют в этом состоянии связанный «коллектив», по своим свойствам подобный тому, который в теории сверхтекучести называется конденсатом... Движение такого коллектива в целом является устойчивым. При дополнительной стабилизации действием магнитного поля это движение (электрический ток в металле) не встречает сопротивления».

Н. Н. Боголюбов, в прошлые годы усовершенствовавший теорию сверхтекучести жидкостей, применил созданный им математический метод к анализу условий возникновения и характера движения упомянутого «коллектива-конденсата» электронов. Н. Н. Боголюбов показал, что хотя электрическое отталкивание электронов препятствует их сочленению в связанный «коллектив), но в меньшей мере, чем считали Бардин, Купер и Шрифер. Американские физики, придерживаясь предположения, что электроны группируются парами, получили ряд формул для величин, характеризующих состояние сверхпроводимости; те же формулы, наряду с некоторыми новыми заключениями, дает более строгая теория H. Н. Боголюбова.