Квантовые свойства кристаллов. Классификация кристаллов по электрической проводимости. Cверхпроводимость, страница 10

В современной квантово-механической теории сверхпроводимость рассматривается как сверхтекучесть электронов, образующих в сверхпроводнике связанные пары, называемые куперовскими парами. Возникновение этой связи, вопреки кулоновскому отталкиванию, действующему между электронами, обусловлено влиянием положительно заряженных ионов, образующих кристаллическую решётку сверхпроводника. Этот вывод можно сделать на основе изотопического эффекта, суть которого заключена в том, что для разных изотопов одного и того же сверхпроводящего металла температуры Т_кр различны: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние уменьшается при увеличении атомной массы изотопа, изменяясь приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из её значения.

Указанное взаимное притяжение электронов куперовской пары трактуется как обмен фононами. Электроны куперовской пары имеют антипараллельные спины, поэтому результирующий спин куперовской пары равен нулю. Следовательно, куперовские пары – бозоны и при определённых условиях могут образовывать связанный коллектив (бозе-конденсат), который не может принимать энергию от кристаллической решётки сверхпроводника малыми порциями, меньшими энергии связи электронов пары. Это означает, что при соударениях электронов пары с узлами кристаллической решётки не происходит изменения энергии электронов, то есть вещество проявляет себя как сверхпроводник с нулевым удельным электрическим сопротивлением.

Так как расстояние между электронами в куперовской паре порядка     1 мкм, то в пределах такого расстояния движения электронов пары строго коррелированны и взаимно когерентны. Эта корреляция является корреляцией дальнего порядка и простирается на расстояние, называемое длиной когерентности. Так как фаза волновой функции, сопоставляемой куперовской паре, не испытывает случайных изменений, то зная значение фазы в одной точке, можно предсказать её значение в другой. Явление регулярного изменения фазы волновой функции, сопоставляемой куперовской паре электронов,     называется фазовой когерентностью. Оно имеет большое значение в релизации явления сверхпроводимости.

Весной 1986 г. Г. Беднорз и А. Мюллер сообщили об высокотемпературной сверхпроводимости, и уже осенью 1987 г. им была присуждена Нобелевская премия по физике за её открытие. Наиболее важно в этом открытии не повышение температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние, а открытие новых сверхпроводниковых материалов, относящихся к керамикам.

В 1987 г. было установлено, что высокотемпературная сверхпроводимость свойственна медьсодержащим материалам (не допускается замещение меди другим элементом); она обусловлена спаренными носителями заряда (дырками), очень чувствительна к содержанию кислорода в материалах; результаты исследования изотопического эффекта вынуждают сомневаться в фотонном механизме спаривания.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется в опытах, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается практически не затухающий ток.

В одном из вариантов опыта используют два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, чтобы в отсутствие закручивания нити плоскости колец образовывали между собой некоторый угол. Кольца, находящиеся в магнитном поле, охлаждаются ниже температуры Т_кр, после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми обусловливает уменьшение первоначального угла между плоскостями колец. Нить закручивается, и на том основании, что угол закручивания при крутильных колебаниях постоянен, делают вывод о том, что токи в кольцах являются незатухающими. В опытах такого рода установили, что удельное сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше 10^-20   (для сравнения – удельное сопротивление чистых образцов меди или серебра составляет около 10^-9  при температуре жидкого гелия).

Несколько позже открытия сверхпроводимости Х. Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при   T < T_кр  в достаточно сильном магнитном поле.