Сверхпроводимость

Прежде чем на основе квантовой тео­рии приступить к качественному объяс­нению явления сверхпроводимости, рас­смотрим некоторые свойства сверх­проводников.

Различные опыты, поставленные с целью изучения свойств сверхпроводни­ков, приводят к выводу, что при пере­ходе металла в сверхпроводящее состоя­ние не изменяется структура его кристал­лической решетки, не изменяются его ме­ханические и оптические (в видимой и инфракрасной областях) свойства. Однако при таком переходе наряду со скачко­образным изменением электрических свойств качественно меняются его магнит­ные и тепловые свойства. Так, в от­сутствие магнитного поля переход в сверх­проводящее состояние сопровождается скачкообразным изменением теплоемкос­ти, а при переходе во внешнем магнит­ном поле скачком изменяются и тепло­проводность, и теплоемкость (такие явле­ния характерны для фазовых переходов II рода . Достаточно сильное магнитное поле (а следовательно, и силь­ный электрический ток, протекающий по сверхпроводнику) разрушает сверхпро­водящее состояние.

Как показал немецкий физик В. Мейсснер (1882—1974), в сверхпроводящем со­стоянии магнитное поле в толще сверх­проводника отсутствует. Это означает, что при охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры маг­нитное поле из него вытесняется (эф­фект Мейсснера).

Общность эффектов, наблюдаемых в сверхпроводящем состоянии различных металлов, их соединений и сплавов, указывает на то, что явление сверхпро­водимости обусловлено физическими при­чинами, общими для различных веществ, т. е. должен существовать единый для всех сверхпроводников механизм этого явления.

Физическая природа сверхпроводимости была понята лишь в 1957 г. на основе теории Ландау (создана в 1941 г.) сверх­текучести гелия (см. § 237). Теория сверхпроводимости создана американски­ми физиками Д. Бардином (р. 1908), Л. Купером (р. 1930) и Д. Шриффером (р. 1931) и усовершенствована Н. Н. Бо­голюбовым.

Оказалось, что помимо внешнего сход­ства между сверхтекучестью (сверхтекучая жидкость протекает без трения, т. е. без сопротивления течению, по узким капил­лярам) и сверхпроводимостью (ток в сверхпроводнике течет без сопротивления по проводу) существует глубокая физи­ческая аналогия: и сверхтекучесть, и сверх­проводимость — это макроскопический квантовый эффект.

Качественно явление сверхпроводи­мости можно объяснить так. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной сте­пени ослабляемого экранирующим дей­ствием положительных ионов решетки, в результате электрон-фононного взаимо­действия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение. Это взаимное при­тяжение при определенных условиях мо­жет преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, при­тягиваясь, образуют своеобразное связан­ное состояние, называемое куперовской парой. “Размеры” пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т. е. между электронами, “связанными” в пару, нахо­дится много “обычных” электронов.

Чтобы куперовскую пару разрушить (оторвать один из ее электронов), надо затратить некоторую энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронов пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фононами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействую­щих Друг с другом куперовских пар.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположно направлен­ные спины. Поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой бозон. К бозонам принцип Паули не­применим, и число бозе-частиц, находя­щихся в одном состоянии, не ограничено. Поэтому при сверхнизких температурах бозоны скапливаются в основном со­стоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное. Система бозе-частиц — куперовских пар, обладая устой­чивостью относительно возможного от­рыва электрона, может под действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления проводнику, что и при­водит к сверхпроводимости.