Что такое сверхпроводимость и в чём физика явления?

Сверхпроводимость – это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Сверхпроводимость – это захватывающее электрическое явление и большая надежда для многих отраслей техники. Оказывается, что при низких температурах сопротивление некоторых материалов внезапно падает до нуля. Этот эффект известен уже более 100 лет, но его механизм до сих пор скрывает тайны. Хотя это явление чисто квантовое, вы можете понять (очень приблизительно), что это такое.

Протекание электрического тока через различные материалы сопровождается возникновением электрического сопротивления. Это происходит из-за взаимодействия электронов с атомами или молекулами кристаллической решетки проводника.

Оказывается, однако, что некоторые материалы при очень низких температурах могут переходить в состояние, в котором они вообще не имеют электрического сопротивления. Это явление, называемое сверхпроводимостью, было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг Оннесом (рис. 1.). Материал, в котором происходит это явление, называется сверхпроводником.

Портрет Хайке Камерлинг Оннес
Рис. 1. Портрет Хайке Камерлинг Оннес. Голландский физик, получивший награду за изучение свойств веществ при самых низких температурах и сжижение гелия

В большинстве случаев сверхпроводники, помимо того, что имеют нулевое электрическое сопротивление, также являются идеальными диамагнетиками. Внешнее магнитное поле уравновешивается электрическими токами, протекающими по поверхности, и в результате полное магнитное поле внутри сверхпроводника равно нулю. Это выглядит так, как будто линии магнитного поля выталкиваются из сверхпроводника (см. рис. 2). Это явление называется эффектом Мейснера. Однако существуют сверхпроводники, для которых магнитное поле при определенных условиях проникает в сверхпроводник и создает смешанное состояние.

Графическое представление эффекта Мейсснера
Рис. 2. Графическое представление эффекта Мейсснера, т.е. явления выброса магнитного поля изнутри сверхпроводника

Для справки. Эффект Мейснера ( от англ. Meissner effect ) – это исчезновение магнитного поля (выброс магнитного поля) в сверхпроводнике, когда он переходит в сверхпроводящее состояние. Это явление было открыто в 1933 году Вальтером Майснером и Робертом Оксенфельдом. Это явление является основой для определения того, является ли данный проводник с нулевым электрическим сопротивлением сверхпроводником.

[1]

Силы, вызванные поверхностными электрическими токами, могут удерживать сверхпроводник над или под магнитом, т.е. в состоянии левитации. Технически проще заставить магнит левитировать над сверхпроводником, как показано на рисунке (рис. 3.).

Магнит, левитирующий над сверхпроводником
Рис. 3. Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Источник, CC BY-SA 3.0

Подводя итог обсуждению, мы можем дать определение сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Откуда мы знаем, что электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю? Когда в сверхпроводнике индуцируется вихревой электрический ток, его интенсивность не меняется в течение многих лет, что мы и наблюдаем в физических лабораториях.

Проблема использования сверхпроводимости на практике заключается в том, что это явление возникает при очень низких температурах, обычно ниже -234 oC. Однако исследовательские группы работают над получением этого эффекта при комнатной температуре. Нетрудно представить, как изменился бы наш мир, если бы мы могли использовать электричество без каких-либо потерь энергии.

Температура, при которой появляется сверхпроводимость для данного проводящего вещества, называется критической температурой (Tc). Эти температуры настолько низки, что их трудно достичь, а содержание тел в таких условиях в любом случае очень дорого. Необходимо использовать специальное охлаждение, например, жидким азотом, жидким гелием и т.д. В 20 веке были найдены вещества, для которых критические температуры в среднем намного выше, чем те же температуры для металлов (так называемые керамические агломераты), но даже в этом случае температуры настолько низки, что их поддержание требует больших затрат.

На момент написания статьи рекордно высокая температура сверхпроводимости составляет всего – 23 oC. Это было достигнуто для гидрида лантана. Для его создания – лантан и водород были помещены в камеру и подвергнуты давлению, превышающему атмосферное на 1,7 миллиона (источник [2]).

Материалы, из которых может быть изготовлен сверхпроводник, разнообразны. Это и элементы, и сплавы, органические и неорганические химические соединения. Бывает, что сверхпроводящий материал при температуре выше критической является изолятором.

Явление сверхпроводимости невозможно объяснить на основе классической физики. Это квантовый эффект. Долгое время этому явлению не было убедительного объяснения. Первая теория, описывающая микроскопический механизм эффекта, была разработана в 1957 году. Его авторы – Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер – были удостоены Нобелевской премии в 1972 году.

В двух словах, эта теория основана на постулате, что: в сверхпроводящем состоянии электрический ток переносится парами электронов с противоположно направленными спинами.

Одиночные электроны являются фермионами (т.е. частицами со спином, равным ½) и не могут занимать одинаковые энергетические состояния. Однако пара электронов уже является бозоном (частицей с полным спином, в данном случае 0), а на бозоны этот запрет не распространяется. Все они могут занимать самый низкий квантовый уровень энергии и не участвовать в процессе диссипации энергии из-за взаимодействия с кристаллической решеткой. Электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой, образуя пару, поэтому это происходит только при низких температурах, когда колебания атомов в решетке не мешают этому взаимодействию.

Список использованной литературы

  1. Википедия
  2. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures
  3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.