Основы физики твердого тела: Учебное пособие (содержит конспект лекций и практическую часть), страница 16

В 1911 году голландский физик Х. Каммерлинг–Оннес, измеряя электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах, обнаружил, что при температуре 4,2 К сопротивление ртути исчезает. В дальнейшем было установлено, что подобное явление наблюдается и у других металлов и сплавов. Состояние проводника, при котором его электрическое сопротивление скачком падает до нуля в области низких температур, получило название сверхпроводимости, а вещество в таком состоянии – сверхпроводника. Типичная зависимость сопротивления сверхпроводника от температуры показана на рис. 4.2. Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, носит название критической температуры (Т_К). Наибольшее наблюдавшееся значение Т_К в металлах составляет  20 К.

Сверхпроводники обладают определенными, только им присущими свойствами.

- Электрический ток может протекать по сверхпроводнику бесконечно долго, поскольку сопротивление у него отсутствует.

- Внешнее магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника (эффект Мейснера). Сверхпроводник является, следовательно, идеальным диамагнетиком.

 - Существует критическое значение напряженности внешнего электрического поля (Н_КР), которое разрушает сверхпроводящее состояние. При значении Н_КР. сверхпроводник скачком переходит в нормальное состояние и магнитное поле при этом пронизывает весь его объем.

                   R

                                                                  T_к        

                             1        2         3         4         5        6           T, K

Рис. 4.2

- В сверхпроводящем состоянии электрический ток течет в тонком поверхностном слое, плотность тока при этом на несколько порядков выше по сравнению с таковой в нормальном состоянии проводника. Величина допустимой плотности тока ограничена тем, что ток может разрушить сверхпроводящее состояние, если сила его превысит некоторое критическое для данного сверхпроводника значение Н_КР.

- Постоянный ток может протекать из одного сверхпроводника в другой сверхпроводник без приложенного напряжения на границе между ними, не испытывая сопротивления на стыке (первый эффект Джозефсона). Если же приложить на стыке постоянное напряжение U, то у тока появится еще переменная компонента, осциллирующая с частотой ν = 2eU/h (второй эффект Джозефсона).

Теория сверхпроводимости была создана в 1957 году американскими физиками Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером (теория БКШ) и советским физиком Н. Н. Боголюбовым. Эта теория очень сложна и поэтому ограничимся лишь рассмотрением ее основных положений.

Загадка сверхпроводимости заключается в том, что электроны в металле, кроме кулоновского отталкивания, испытывают особый вид взаимного притяжения, которое появляется при низких температурах в условиях сверхпроводимости. Электроны проводимости объединяются в так называемые куперовские пары. Электроны, входящие в такую пару, имеют противоположно направленные спины. Спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон. Бозоны склонны накапливаться  в основном энергетическом состоянии, из которого их достаточно трудно перевести в возбужденное состояние. Куперовские пары не могут, следовательно, изменить свои состояния независимо друг от друга. Придя в согласованное движение, куперовские пары остаются в этом состоянии неограниченно долго. Такое согласованное движение пар и есть ток проводимости.

На квантовомеханическом языке притяжение между электронами объясняется как результат обмена между электронами квантами возбуждения решетки – фононами. Электрон, двигаясь в металле, изменяет режим колебаний решетки – возбуждает фонон. Энергия возбуждения передается другому электрону, который поглощает испущенный решеткой фонон. В результате такого обмена фононами возникает дополнительное взаимодействие между электронами, которое имеет характер притяжения. При низких характерных для сверхпроводников температурах такое притяжение превышает кулоновское отталкивание.