§ 54. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Давно известно, что сопротивление проводников падает с температурой. Однако на основании существовавших представлений о строении вещества физики были твердо уверены, что при понижении температуры сопротивление уменьшается до нуля монотонно. Поэтому открытие в 1911 г. голландским физиком Камерлинг-Он-несом сверхпроводимости было совершенно неожиданным, а теоретическое объяснение дано лишь полвека спустя.

Рассматриваемое явление состоит в скачкообразном для чистых металлов) падении сопротивления проводника до исчезающе малых значений . Происходит оно при достаточно низких температурах (рис. VI.15). Как стало ясно после создания теории сверхпроводимости, сопротивление металла ниже точки перехода в точности равно нулю.

Сверхпроводимость оказалась явлением достаточно широко распространенным. Она обнаружена у 27 металлов, а также у большого количества сплавов и соединений, в том числе и таких, которые при комнатной температуре обладают полупроводниковыми свойствами. Только у одновалентных, благородных и ферромагнитных металлов устойчивое сверхпроводящее состояние не наблюдается. Критические температуры чистых металлов не превосходят 10 К, а для некоторых соединений достигают 23 К.

В первое время после открытия сверхпроводимости с ней связывали большие надежды широкого использования ее в электротехнике, в частности, для создания сильных постоянных магнитных полей. Однако вскоре выяснилось, что магнитное поле разрушает сверхпроводимость, причем критическое поле для чистых металлов не превышает Также небольшими оказались и критические токи. И лишь спустя несколько десятилетий, когда стали известны так называемые жесткие сверхпроводники, техника взяла это, до тех пор казавшееся необычным, явление на вооружение.

Рис. VI.15. Температурная зависимость электрического сопротивления ртути вблизи абсолютного нуля:

Рис. V1.16. Переход кольца в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле.

Первым шагом к пониманию природы сверхпроводимости послужил так называемый эффект Мейсснера, открытый в немецкими физиками Мейсснером и Оксенфельдом. Он состоит в том, что магнитное ноле внутри сверхпроводника всегда равно нулю. Иначе говоря, сверхпроводник является идеальным диамагнетиком с (см. также § 44). Это свойство коренным образом отличает сверхпроводник от идеального проводника. В последнем магнитное поле может сохраняться в течение некоторого времени — так называемое «вмороженное поле» (см. § 48). Если же проводник переходит в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле, последнее выталкивается из него. Обратим внимание, что поле выталкивается при этом только из тела сверхпроводника, но не из области, охватываемой сверхпроводником (рис. VI.16). При выключении внешнего поля поток внутри сверхпроводящего кольца сохраняется, и это есть один из способов возбуждения тока в сверхпроводнике.

Основой всех необычных свойств сверхпроводника является свободное (без столкновений) движение внутри него носителей заряда, Это чисто квантовый эффект, объясненный лишь в американскими физиками Бардиным, Купером и Шриффером (теория а также советским математиком Боголюбовым. Оказывается, что носителями заряда в сверхпроводнике являются пары электронов («куперовские пары»), связанные упругими силами решетки. Интересно отметить, что размер пар вполне макроскопический и достигает нескольких микрон (подробнее см. [6. 7]).

В связи с созданием теории сверхпроводимости было впервые введено понятие кванта магнитного потока Лондон, — постоянная Планка). Измерения, проведенные в привели к результату, отличающемуся в два раза: что соответствует представлению о куперовских парах.

Еще в советские физики Губарь и Кикоин экспериментально показали, что гиромагнитное отношение для электронов в сверхпроводнике равно не двойке, а четверке. Тогда этот результат остался непонятным, хотя теперь ясно, что для связанной пары электронов так и должно быть. Движение куперовских пар наиболее ярко проявляется в эффекте Джозефсона, предсказанном им в До этого было известно, что ток в системе двух

сверхпроводников, разделенных тонкой диэлектрической прослойкой 100 А (туннельный эффект), возникает не раньше, чем подаваемое напряжение разорвет связь между электронами в паре. Однако при уменьшении толщины прослойки примерно в 10 раз оказалось возможным прохождение тока вовсе без падения напряжения на туннельном переходе. Объяснение эффекта — туннелирование кунеровских пар через прослойку. На опыте эффект Джозефсона первыми продемонстрировали Андерсон и Роуэлл в 1963 г.

Поведение сверхпроводника во внешнем магнитном поле может быть понято, во всяком случае качественно, и без привлечения микроскопической квантовой теории (ср. с § 44). Еще в 1935 г. братья Лондоны, минимизируя свободную энергию сверхпроводника в присутствии внешнего поля с учетом уравнений Максвелла, показали, что магнитное поле проникает в сверхпроводник, спадая с глубиной экспоненциально: — глубина проникновения, — концентрация электронов проводимости, их масса. Типичное значение глубины для чистых металлов (так называемых сверхпроводников первого рода) составляет см, что, вообще говоря, меньше лондоновской глубины. В 1953 г. английским физиком Пиппардом было показано, что распределение токов и полей в чистых сверхпроводниках зависит от свойств среды не только в данной точке, но и в некотором объеме, ее окружающем. Возникло понятие о длине когерентности . В чистых металлах см. Это, по существу, размер электронной пары. Таким образом, для сверхпроводников первого рода справедливо неравенство Оказалось, что для сплавов (их принято называть сверхпроводниками второго рода) имеет место противоположное соотношение при этом обращение знака неравенства происходит «по вине» обоих его участников, т. е. в сплавах глубина проникновения возрастает до см, а размер пары, наоборот, падает до см.

В наиболее общем и полном виде электродинамика сверхпроводников была построена советскими физиками Гинзбургом и Ландау. Их теория объяснила результаты экспериментальных наблюдений различающегося поведения сверхпроводников первого и второго родов в магнитном поле. Для последних оказалось, что полный эффект Мейсснера имеет место лишь в слабых полях . В широком же интервале полей сверхпроводник второго рода находится в смешанном состоянии: его толщу пронизывают нити нормальной (несверхпроводящей) фазы, радиус которых равен длине когерентности, а магнитный поток, пронизывающий одну нить, — в точности одному кванту потока Плотность сверхпроводящих электронов в сердцевине нити равна нулю. Магнитное поле спадает от центра нити в глубь сверхпроводника на длине Это поле индуцирует круговой сверхпроводящий ток (рис. VI.17). Число нитей зависит от напряженности внешнего поля.

Когда поле достигает значения сверхпроводимость разрушается. Кривая намагничения сверхпроводника второго рода показана на рис. VI. 18. Видно, что в смешанном состоянии

Рис. VI.17. Структура вихревой нити в сверхпроводнике второго рода. а — конфигурация полей и токов, создаваемых вихревой нитью; б - зависимость магнитного поля от расстояния до центра нити; в — изменение плотности сверхпроводящих электронов вблизи оси нити.

макроскопическое . Характерно, что в смешанном состоянии электросопротивление равно нулю. В сверхпроводниках первого рода поле не проникает в образец вплоть до а затем индукция скачком принимает значение изменяясь далее линейно, как в обычных средах.

Поскольку значения верхних критических полей для сверхпроводников второго рода (особенно для так называемых «жестких») достигают сотен тысяч килогаусс, технические применения сверхпроводимости стали вполне реальными. Здесь речь идет об использовании сверхпроводящих обмоток в качестве источников сильных магнитных полей в электрофизической аппаратуре, электрических машинах. Высокие значения критических токов позволяют создавать линии электропередач, свободные от потерь на джоулево тепло. Основные сверпроводящие материалы в наше время — это и сплав Для нужд техники сверхпроводники изготовляют в виде проволоки или многожильных кабелей. В последнем случае мы имеем дело с медным проводом, пронизанным большим числом сверхпроводящих нитей малого, порядка нескольких микрон, диаметра. Такая структура кабеля обеспечивает его механическую прочность, а также стабилизацию сверхпроводящего состояния на случай локального перегрева того или иного участка выше критической температуры.

Рис. VI.18. Кривая намагничения сверхпроводника второго рода. - критические значения магнитного поля.

Рис. VI.19. Поток энергии в цепи постоянного тока (двухпроводная линия).

Сверхпроводники применяют также для создания высокочастотных резонаторов большой мощности для ускорителей и в различных измерительных устройствах. Здесь особенно перспективными оказались приборы, основанные на эффекте Джозефсона. Чувствительность по магнитному потоку легко доводится до тысячных долей одного кванта

Поскольку необходимость использования жидкого гелия для охлаждения сверхпроводящих устройств создает значительные неудобства и сильно удорожает аппаратуру, на протяжении многих лет не прекращаются упорные поиски более «высокотемпературных» сверхпроводников, которые могли бы работать хотя бы при температуре кипения жидкого водорода 20 К. Недавно получен сложный сплав из ниобия, алюминия и германия с критической температурой 23 К.