§ 271. Сверхпроводимость

Степень дефектности кристалла всегда значительна, и поэтому обычно остаточное сопротивление достигается при температурах в несколько градусов Кельвина и далее остается неизменным. Однако имеется примерно около десятка металлов, которые ведут себя совершенно своеобразно. При вполне определенных температурах, близких к абсолютному нулю, эти металлы полностью теряют свое электрическое сопротивление. Если путем электромагнитной индукции возбудить в кольце из такого сверхпроводящего металла электрический ток, то такой ток будет проходить через кольцо в течение суток. Таким образом, сопротивление не уменьшилось, а просто обратилось в нуль и притом скачком.

Из чистых металлов наиболее высокой температурой при которой появляются сверхпроводящие свойства, обладает ниобий (около 9 К). Наиболее низкая температура Тк принадлежит гафнию, около 0,3 К.

Могло бы показаться, что сверхпроводимость является свойством, принадлежащим всем металлам; достаточно еще понизить температуру — и мы обнаружим сверхпроводящие свойства. Это, видимо, не так. Для очень многих веществ, исследованных вплоть до температур 0,03 К, сверхпроводящие свойства не были найдены. В мнении, что сверхпроводящие свойства не универсальны, поддерживает нас и то обстоятельство, что сверхпроводящие металлы занимают определенное место в таблице Менделеева — ее середину.

Наряду с чистыми металлами к числу сверхпроводящих веществ относятся многочисленные сплавы таких веществ между собой и с несверхпроводящими металлами. Впрочем, оказались сверхпроводящими и некоторые химические соединения, такие как, например, сернистая медь, хотя ни сера, ни медь не являются сверхпроводниками. Азотистый ниобий обнаружил сверхпроводящие свойства уже при температуре за 30 градусов до абсолютного нуля.

Исчезновение электрического сопротивления при температуре Т не является единственной особенностью сверхпроводников. Другим признаком сверхпроводника является его характерное

поведение в магнитном поле, сводящееся, грубо говоря, к тому, что магнитное поле проникает в проводник лишь на глубины порядка 1000 А. Если не говорить о тончайших пленках, поведение которых несколько своеобразно, то можно сказать короче: внутри сверхпроводника магнитное поле равно нулю.

Однако такое положение дел имеет место лишь до тех пор, пока значение накладываемого внешнего поля не превзойдет некоторой критической величины Если напряженность поля выше этого критического значения, то сверхпроводящее состояние исчезает: магнитное поле проникает внутрь тела и восстанавливается электрическое сопротивление.

Величина не постоянна, она зависит от температуры. При температуре, равной Т, достаточно ничтожного внешнего поля, чтобы уничтожить сверхпроводящее состояние. Короче, при критическая напряженность С понижением температуры монотонно возрастает и достигает наибольшего значения при температуре абсолютного нуля. Например, для ртути (у ртути максимальное значение критической напряженности магнитного поля равно

Электрическое сопротивление является результатом рассеяния электронов тепловыми волнами атомов кристаллической решетки. Эти тепловые волны существуют, как нам известно, благодаря наличию нулевой энергии и при абсолютном нуле температуры. Поэтому, казалось бы, электрическое сопротивление не должно исчезать при сколь угодно низких температурах. Каким же образом возможно сохранение теплового рассеяния электронов с одновременным прекращением сопротивления электрическому току?

Ответ на этот вопрос был получен лишь в 1937 г. Методами квантовой механики было показано, что электроны, энергия которых заключена в тонком слое, примыкающем к поверхности Ферми, благодаря взаимодействию с тепловыми колебаниями кристаллической решетки способны «спариваться». Оказалось, что при низких температурах энергетически выгодным становится такое положение дел, при котором «объединяются» два электрона с равными и противоположными по направлению спинами. Мы ставим в кавычки слова «спариваться» и «объединяться» по той причине, что волновые функции этих электронов простираются, как показали расчеты, на большое расстояние, порядка см (размер кристаллического зерна в обычном поликристаллическом металле). Следовательно, образующиеся пары нельзя представить себе как своеобразные «молекулы»; связь осуществляется на большом расстоянии с помощью тепловых волн.

Из теории следует, что все пары электронов тождественны в том смысле, что они обладают одним и тем же суммарным импульсом.

«Материя», состоящая из таких пар электронов, обладает свойствами сверхпроводника. Спаривание электронов не ликвидирует теплового рассеяния электронов; сверхпроводимость появляется по той причине, что рассеяние электронов, входящих в пару,

перестает влиять на силу тока. Тепловое рассеяние может лишь разорвать ту или иную пару или, напротив образовать новую пару из индивидуальных электронов. Величина же тока определяется суммарным импульсом электронов, который остается неизменным. Таким образом, в этой схеме тепловое рассеяние может привести лишь к флуктуациям электрического тока, но не к его прекращению.

Наряду со «спаренными» электронами в сверхпроводнике существует и обычный электронный газ — газ индивидуальных электронов. Таким образом, в сверхпроводнике существуют как бы две жидкости, одна обычная, а другая сверхпроводящая (ср. стр. 601). Если температура сверхпроводника начинает повышаться от нуля градусов, то тепловое движение будет разрывать все большее и большее число пар электронов — доля обычного электронного газа будет расти. Наконец, наступит критическая температура, при которой исчезнут последние спаренные электроны.

Все явления сверхпроводимости, о которых шла речь выше, количественно объясняются новой теорией.

В последние годы явление сверхпроводимости получило техническое применение. Теоретические исследования советских физиков показали, что значения критических полей в так называемых сверхпроводниках второго рода могут достигать значений Создание электромагнитов с такими полями, не требующих затрат энергии, явится событием для многих отраслей техники (обычный электромагнит с таким полем, потребовал бы электрической мощности около 20 млн. цифра, выражающая потребление электроэнергии городом с 20 тысячами жителей). Подходящими материалами для изготовления обмотки являются а также сплавы Промышленные образцы сверхпроводящих магнитов, работающих в гелиевой «ванне», дают поля свыше при исключительной однородности поля которая так важна для многих применений магнитов.