Сверхпроводимость — это состояние вещества при достаточно низкой температуре (или при другом «подходящем» условии), когда оно теряет электрическое сопротивление и ведёт себя по-особому в магнитном поле.
Главные признаки
1. Нулевое сопротивление. Ток может течь без потерь, в теории он может сохраняться долго без источника, если нет механизмов рассеяния
2. Эффект Мейсснера. Сверхпроводник выталкивает магнитное поле из своего объёма (почти как идеальный диамагнетик): поле становится очень малым внутри материала.
3. Критические параметры. Сверхпроводимость не бесконечна: есть
• критическая температура
• критическое магнитное поле (или поля)
• иногда критическая плотность тока.
При превышении этих значений сверхпроводимость исчезает.
Почему вообще появляется сверхпроводимость
Обычно электроны разлетаются по материалу и постоянно взаимодействуют с решёткой (колебаниями атомов) и друг с другом — поэтому возникает рассеяние и сопротивление.
В сверхпроводнике при низких температурах происходит не что иное: электроны начинают объединяться в куперовские пары. Это не «молекула из двух электронов» в обычном смысле, а квантовая связь: два электрона оказываются согласованы по фазе и ведут себя как единая сущность.
Как пары возникают:
• электрон слегка притягивает к себе атомы решётки (создаёт небольшую деформацию),
• эта деформация может «помочь» другому электрону оказаться в более выгодном энергетическом положении
• в итоге вместо одиночных электронов эффективнее описывать систему парами.
Почему ток течёт без потерь
В обычном металле ток постоянно «ломают» столкновения и взаимодействия: заряд не успевает сохранить направленное движение.
В сверхпроводнике же работает согласованное квантовое движение пар:
• пары обладают согласованной фазой (по сути, у всей системы появляется «коллективный порядок»),
• поэтому вместо случайных столкновений ток остаётся устойчивым.
Почему появляется эффект Мейсснера
Если сверхпроводник в состоянии порядка, он не просто проводит электричество, он ещё и не даёт проникать внутрь магнитному полю (в большинстве случаев).
• магнитное поле пытается «проникнуть» внутрь
• сверхпроводник отвечает токами на поверхности, которые компенсируют поле внутри.
БКШ (Бардина — Купера — Шриффера) теория
Самый известный механизм описывает теория БКШ: слабое притяжение между электронами возникает опосредованно через колебания решётки (фононы). Тогда пары формируются, появляется энергетическая щель.
В сверхпроводнике электроны в основном состоянии собраны в куперовские пары. Чтобы эти пары разрушились или чтобы появились “обычные” возбуждения, нужно дать энергии не меньше некоторого порога.
Этот порог и называют энергетической щелью. Пока температура низкая и внешних воздействий недостаточно, нужной энергии не набирается, поэтому электроны не переходят в режим, где есть потери — отсюда и почти нулевое сопротивление.
Типы сверхпроводников: 1 и 2
• Тип 1: при достижении критического поля — сразу переходит из сверхпроводника в нормальное состояние.
• Тип 2: допускает частичное проникновение магнитного поля в виде квантованных вихрей (флюксоидов), вокруг которых сверхпроводимость локально подавлена.
Что это даёт в технике
• Магниты высокой мощности
• Высокочувствительные датчики магнитного поля
• Квантовые устройства и элементы для квантовых компьютеров (в некоторых архитектурах).