Наука уже давно обратилась к исследованиям вещества в крайних (экстремальных) условиях его существования. Более ста лет учёные упорно продвигались к естественной нижней границе температур – абсолютному нулю. Открытия, сделанные на этом пути, оказались настолько своеобразными, а свойства вещества – такими необычными, что получение низких температур, специфическая техника эксперимента и сами исследования фундаментальных свойств вещества в этих условиях получили право на выделение в самостоятельную научно – техническую область – физику и технику низких температур. Физику низких температур можно назвать «физикой квантования энергии в конденсированном состоянии вещества» (К. Мандельштам), поскольку именно при понижении температуры затухает хаос тепловых колебаний атомов и молекул и на сцену выступает истинная – квантовая – сущность твёрдых тел в виде совершенно новых явлений, из которых два – сверхтекучесть жидкого гелия и сверхпроводимость металлов – являются наиболее яркими и необычными. К сверхпроводникам относят твердотельные материалы (металлы, сплавы, твёрдые растворы, химические соединения, в том числе органические полимеры, легированные полупроводники, полуметаллы), в которых при понижении температуры до некоторой критической величины Тс обнаруживается явление сверхпроводимости – полное исчезновение электрического сопротивления. При этом сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики с аномально большой магнитной восприимчивостью, следствием чего является выталкивание магнитного поля из объёма сверхпроводника (эффект Мейснера). Сверхпроводимость – одно из самых удивительных явлений в природе, наблюдающееся в известных веществах в условиях глубокого холода. Первые сведения о существовании странного состояния металла, в котором внезапно и полностью исчезает сопротивление протекающему электрическому току, были получены в 1911 г. в Лейденской криогенной лаборатории Х. Камерлинг-Оннесом на образцах ртути. В 1908 г., занимаясь сжижением газов и измерением сопротивления металлов при очень сильном охлаждении, он обнаружил (1911), что при температуре, близкой к абсолютному нулю 4,15 К, ртуть скачком теряла сопротивление. Это противоречило установившимся тогда представлениям: при понижении температуры электрическое сопротивление, вначале падая, должно было расти. Однако Камерлинг-Оннес считал, что для чистого металла (он полагал - платины) сопротивление при температуре, близкой к абсолютному нулю, «в пределах экспериментальных ошибок, связанных с достигнутой степенью чистоты, при гелиевых температурах равна нулю». Для подтверждения гипотезы требовалось исследовать образцы чистых металлов. Поскольку получить чистую платину было непросто, Камерлинг-Оннес остановился на ртути, которую нетрудно выделить в чистом виде дистилляцией и фильтрованием. Этот выбор можно назвать особенно удачным потому, что температура сверхпроводящего перехода ртути (4,15 К) не намного ниже температуры превращения гелия в жидкость - 4,20 К. Если бы исследователь продолжал эксперименты с платиной, золотом и серебром, то сверхпроводимости он, скорее всего, не обнаружил. Однако ему повезло, из чего стало ясно, что открыто принципиально новое явление - сверхпроводимость. Открытие датируют 25 ноября 1911 года. Уже в 1913 г. в докладе при вручении Нобелевской премии за исследование свойств тел при низких температурах и получение жидкого гелия учёный говорил о том, что сверхпроводящее состояние может быть разрушено током и магнитным полем. К этому времени он уже обнаружил сверхпроводимость амальгам Hg – Au, Hg – Cd и Hg – Sn, а также свинца и олова. В 1914 г. Камерлинг-Оннес сообщил о наблюдении незатухающего тока в замкнутой катушке из ртутной проволоки и исчезновения у сверхпроводников эффекта Холла. Дело в том, что сразу после открытия сверхпроводимости, в том же 1911году, Камерлинг-Оннес попытался получить сильное магнитное поле в сверхпроводящей катушке. Идея была очень соблазнительной: сопротивление обмотки отсутствует, значит, ток может быть сколь угодно большим, а напряжённость магнитного поля H пропорциональна его силе. Однако из неё ничего не вышло: даже относительно слабые поля оказывались критическими: при H > Hk сверхпроводимость разрушалась. Механизм разрушения понял немецкий физик В. Мейснер. В 1933 г. немецким физиком В. Мейснером и его сотрудником Р. Оксенфельдом было обнаружено, что если сверхпроводник поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то внутри него возникают кольцевые токи, которые своим полем «выталкивают» внешнее поле из вещества так, что магнитный поток внутри исследуемого образца становится равным нулю. Сверхпроводник ведёт себя как идеальный диамагнетик. Этот эффект объясняется тем, что в поверхностном слое толщиной ~ 10 нм внешнее магнитное поле индуцирует постоянный ток, но тепловых и излучательных потерь нет, поэтому вокруг этого потока возникает постоянное незатухающее своё магнитное поле. Оно противоположно внешнему полю (принцип Ле-Шателье) и экранирует толщу от внешнего магнитного поля. Эффект Мейснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление, которое невозможно объяснить законами классической физики. Эффект Мейснера показывает, что сверхпроводимость – гораздо более сложное явление, чем просто потеря электрического сопротивления. Ведь в сверхпроводнике, который помещён во внешнее магнитное поле и сопротивление которого стало равно нулю, магнитное поле должно сохраняться. Более того, это «замороженное» поле должно оставаться и после выключения поля внешнего – его станут поддерживать токи сверхпроводимости, индуцированные полем на поверхности сверхпроводника. Опыт, однако, показывает, что ничего похожего не происходит. При включении внешнего поля на поверхности сверхпроводника по закону магнитной индукции действительно наводятся круговые токи. Но их магнитное поле направлено против внешнего поля, так что суммарное поле внутри проводника становится равным нулю. При этом энергия сверхпроводника несколько возрастает, а чем больше энергия системы, тем менее устойчиво её состояние. По мере роста напряжённости внешнего поля система становится неустойчивой настолько, что при достижении критической величины Hk самопроизвольно переходит в более выгодное энергетическое состояние с «нормальной» проводимостью – сверхпроводимость разрушается. Величина критического поля растёт с понижением температуры, но даже вблизи абсолютного нуля остаётся небольшой. В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводник и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода теряют свою сверхпроводимость в поле H = Hс, когда поле скачком проникает в материал, и он во всем объеме переходит в нормальное состояние. Для сверхпроводников 2-го рода характерно постепенное проникновение магнитного поля в толщу образца на протяжении интервала от нижнего критического значения Hс,1 до верхнего критического значения Hс,2, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния. Сверхпроводники 2-го рода были открыты в 1957 г. А.В. Шубниковым и его учеником А.А. Абрикосовым. В них при достижении внешним магнитным полем некоторой величины Hc1 оно проникает в образец, и электроны, скорость которых перпендикулярна H, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити получается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате имеем смешанный сверхпроводник, состоящий из двух фаз – сверхпроводящей и нормальной. Только при достижении другой, более высокой Hc2 нити, расширяясь, сближаются, и сверхпроводящее состояние разрушается полностью. Радиус этих нитей чрезвычайно мал – доли микрона. Магнитный поток, пронизывающий образец, не только заключён внутри этих нитей, но и захватывает тонкий слой сверхпроводника вокруг них. На большую глубину его не пускают кольцевые мейснеровские токи, окружающие каждую нить. Они получили название «абрикосовские вихри». Магнитный поток квантован: в каждой нити содержится один квант магнитного поля 
. Квантование потока в сверхпроводниках– явление, происходящее в многосвязных образцах (например, кольцах, полых цилиндрах) и заключающееся в том, что полный магнитный поток, проходящий через сверхпроводящее кольцо, может принимать лишь дискретные значения, кратные кванту потока – минимальному значению магнитного потока 
, который может быть «заморожен» в сверхпроводящем кольце с током. Поток через кольцо квантуется, т.е. всегда выражается целым числом «порций» величины 
. Эксперимент показал, что 
- это соответствует заряду электронной пары. Для одного кванта потока, таким образом, имеем:
Эту единицу потока называют флюксоидом 
. Здесь величина - заряд электрона найдена экспериментально. Этот результат приводит к мысли, что сверхпроводящее состояние возникает благодаря спариванию электронов. Квантование потока – красивый пример макроскопического проявления квантового эффекта. Чем сильнее магнитное поле, тем больше вихрей возникает в сверхпроводнике; магнитный поток в нём меняется не непрерывно, а скачками, дискретно. Сверхпроводимость существует только между вихрями, внутри она разрушена. И когда магнитное поле становится больше определённой величины Hc2, нити расширяясь, сближаются и как говорилось уже об этом выше - сверхпроводящее состояние разрушается полностью. Вещество возвращается в состояние с нормальной проводимостью. При значениях, меньших Hc1, сверхпроводники 2-го рода из смешанного состояния переходят в чисто сверхпроводящее, превращаясь в сверхпроводник 1-го рода. Поэтому у них имеется два критических значения магнитного поля. «Абрикосовские вихри» не математическая модель, созданная для удобства расчётов, а реальное образование, которое можно увидеть. Для этого торец сверхпроводящего образца припудривают тончайшим порошком ферромагнетика. Его частицы собираются там, где есть магнитное поле, т.е. в точках выхода вихрей. В электронный микроскоп видно, что они расположены периодически, образуя правильную решётку с треугольными ячейками. Таким образом, опыты, проведенные со сверхпроводниками, продемонстрировали удивительные вещи. Электрический ток, однажды «запущенный» в сверхпроводник, продолжал течь и после того, как было отключено напряжение. Поскольку ток течёт без сопротивления, а количество выделяемого током тепла 
, то из-за 
, тепловых потерь просто нет. Но могли бы быть потери на излучение. Излучение в сверхпроводящем кольце не происходит по причине квантования. Но в атоме квантуются (принимают дискретные значения) импульс и энергия одного электрона, а в кольце – ток, т.е. вся совокупность электронов. Таким образом, мы имеем пример кооперативного явления – движения всех электронов в твёрдом теле строго согласовано. Магнитик, падающий на сверхпроводящую пластину, повисал в воздухе: его поле возбуждало в металле кольцевой ток, магнитное поле которого отталкивало магнитик. Причём ток мог продолжать течь, а магнит висеть до тех пор, пока проводник охлажден до сверхпроводящего состояния. Природа этого явления - мгновенное исчезновение сопротивления при охлаждении до критической температуры Tк - долго оставалась неясной. И только в 1957 году американские физики Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер создали теорию, которая смогла её объяснить. До этого же большинство попыток объяснить экспериментальные данные носило в основном феноменологический характер: они базировались на искусственных предположениях или нестрогих модификациях существующих теорий и имели целью достижение согласия с экспериментом. Примером такого рода попыток может служить двухжидкостная модель, в которой постулируется, что при температуре перехода некоторая часть электронов проводимости приобретает способность двигаться, не испытывая сопротивления. Эта модель объясняет температурную зависимость критического поля, критический ток и глубину проникновения, но ничего не дает для физического понимания самого явления. Прогресс был, однако достигнут в 1935 г., когда физики-теоретики, братья Ф. и Г. Лондоны предложили рассматривать сверхпроводимость как макроскопический квантовый эффект. Ранее были известны только квантовые эффекты, наблюдающиеся в атомных масштабах – порядка 10–8 см. Лондоны, таким образом, модифицировали классические уравнения электромагнетизма, что из них следовали эффект Мейсснера, бесконечная проводимость и ограниченная глубина проникновения. В начале 1950-х годов А. Пиппард из Кембриджского университета показал, что такое квантовое состояние в действительности является макроскопическим, охватывая расстояния до 10–4 см, т.е. в 10 000 раз превышающие атомный радиус. Хотя эти попытки и были важны, они не затрагивали сути основного взаимодействия, которым обусловлена сверхпроводимость. Впрочем, некоторые указания на природу этого взаимодействия появились в начале 1950-х годов, когда было установлено, что критическая температура сверхпроводника зависит от его изотопического состава. Впервые это было установлено в опытах Максвелла и Рейнольдса с сотрудниками. Чтобы дать представление о величине этого эффекта, укажем, что для ртути при изменении среднего значения массового числа М от 199,5 до 203,4 (в атомных единицах массы) критическая температура изменяется от 4,185 К до 4,146 К. При смешивании различных изотопов одного и того же элемента температура перехода меняется незначительно. Зависимость Тс от массового числа показывает, что колебания решётки, а, следовательно, и взаимодействие электронов с решёткой имеют важное значение для явления сверхпроводимости. Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. В 1950 году, В. Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау создали так называемую Ψ-теорию, известную также как теория Гинзбурга-Ландау. Для описания сверхпроводимости в ней вводится макроскопическая волновая функция Ψ(r) определяющая плотность электронов в сверхпроводнике. В этой функции появляется некий эффективный заряд е*, величину которого авторы оценили как равную 2-3 е. Теория Гинзбурга-Ландау, созданная более полувека назад, и сегодня остается основой и теоретических исследований в области сверхпроводимости, и практических разработок сверхпроводящих устройств.
2015-03-22
1604
