Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa₂Cu₃O_x, получены вещества, для которых температура Т_c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H_c2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD)^[10] для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации. Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид детектора	Максимальная скорость счета, c−1	Квантовая эффективность, %	, c−1[11]	NEP Вт [12]
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu)
R5509-43 PMT (Hamamatsu)		1
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G)		0.01
Mepsicron-II (Quantar)		0.001	0.1	-
STJ		60	-	-
TES		90	менее	менее
SSPD		30	менее

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Бкш-Теория - БКШ-ТЕОРИЯ, теория, объясняющая явление СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. Свое название она получила по именам трех американских физиков - Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шиффера. Согласно этой теории, в сверхпроводнике электростатические силы, действующие между положительно заряженными ионами кристаллической решетки металла, а также электрон проводимости искажают решетку. После этого подвергается воздействию и другой электрон: в результате ток передается не отдельными электронами, а связанными парами электронов, которые носят название Куперовских пар. На такую пару решетка не влияет, и потому она не оказывает сопротивления току.

Бардина-Купера-Шриффера модель (модель БКШ) - теория сверхпроводимости кристаллических твердых тел, основанная на представлении о сверхтекучести куперовских пар электронов (см. Купера эффект). Создана Дж. Бардином (J. Bardeen), Л. Купером (L. Cooper), Дж. Шриффером (J. Schrieffer) в 1957. Теория рассматривает гамильтониан, учитывающий исключительно притяжение между электронами с равными по величине и противоположно направленными импульсами и антипараллельными спинами, характеризуемое одной положительной константой связи g. Гамильтониан электронов в модели БКШ, записанный с помощью операторов вторичного квантования, имеет вид , где - энергия невзаимодействующих электронов, и - операторы рождения и уничтожения электронов с определеннмым импульсом p и проекцией спина ( или ), V - объем системы.
Задача об определении основные состояния системы с таким модельным гамильтонианом, как показал Н. Н. Боголюбов, решается точно. Имеется несколько методов решения уравнений теории БКШ: преобразование Боголюбова, метод спиновой аналогии и др. Система уравнений для функций Грина сверхпроводящей системы в модели БКШ называется уравнениями Горькова.
Зависимость энергии фермиевских квазичастиц (возбуждений относительно основного состояния) от импульса р в модели БКШ имеет вид , где и - скорость и импульс частиц на ферми-поверхности, а энергетическая щель является основной характеристикой сверхпроводящих свойств системы. Такой энергетический спектр удовлетворяет критерию сверхтекучести Ландау (минимальное значение отлично от нуля), то есть металл с соответствующим электронным спектром является сверхпроводящим. Температурную зависимость энергетической щели в модели БКШ смотри на рис.
Появление энергетической щели в теории БКШ является результатом неустойчивости вырожденной ферми-системы (с притяжением между частицами) по отношению к образованию связанных состояний парами частиц, находящихся в импульсном пространстве вблизи ферми-поверхности и обладающих нулевым суммарным импульсом, орбитальным моментом и спином (куперовское или БКШ-спаривание). Величину можно рассматривать как энергию связи пары. Характерный размер пары . БКШ-спаривание не сводится просто к образованию связанного состояния двух частиц. Оно представляет собой чисто коллективное явление в вырожденной ферми-системе и происходит даже при сколь угодно слабом притяжении между частицами. Такое спаривание означает появление корреляции в движении частиц, находящихся на расстоянии друг от друга, намного превосходящем среднее расстояние между частицами.
При нулевой температуре величина энергетической щели равна , где - плотность состояний частиц, вблизи ферми-поверхности, т эффективная масса электрона. Если притяжение между электронами обусловлено фрелиховским взаимодействием, то величина характерной энергии , где - дебаевская частота. Неаналитичность зависимости означает, что в модели БКШ, рассматривая притяжение как возмущение, нельзя получить основное состояние сверхпроводящей системы из основного состояния невзаимодействующих электронов ни в каком порядке теории возмущений.
Модель БКШ дает описание перехода в сверхпроводящее состояние как фазового перехода второго рода в рамках теории Ландау. Роль параметра порядка в теории сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова (ГЛАГ-теории) играет энергетическая щель .
Вблизи сверхпроводящего перехода щель стремится к нулю пропорционально , причем температура перехода T_c связана с соотношением .