СВЕРХПРОВОДИ́МОСТЬ

СВЕРХПРОВОДИ́МОСТЬ, свой­ст­во не­ко­то­рых ма­те­риа­лов, про­яв­ляю­щее­ся в том, что их элек­трич. со­про­тив­ле­ние па­да­ет до ну­ля ни­же кри­тич. темп-ры Т_с. От­кры­та Х. Ка­мер­линг-Он­не­сом в 1911. Ма­те­риа­лы, об­ла­даю­щие С., на­зы­ва­ют сверх­про­вод­ни­ка­ми (СП). С. об­на­ру­же­на у боль­шин­ст­ва ме­тал­лов, но у мно­гих из них на­блю­да­ет­ся толь­ко при темп-рах ни­же 1 К и/или при вы­со­ких дав­ле­ни­ях. Пе­ре­хо­ды в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние воз­мож­ны из ме­тал­лич., по­лу­про­вод­ни­ко­во­го и да­же ди­элек­трич. со­стоя­ний. СП яв­ля­ют­ся мн. со­еди­не­ния, напр. спла­вы, ок­си­ды, ин­тер­ме­тал­ли­ды. Ре­корд­но вы­со­кая Т_с=133 К за­фик­си­ро­ва­на у ок­си­да HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ в 1993.

Экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­ле­но, что удель­ное со­про­тив­ле­ние ρ ме­тал­ла в сверх­про­во­дя­щем со­стоя­нии мень­ше, чем 10^–20 Ом·см (ρ срав­ни­тель­но чис­тых Cu или Ag со­став­ля­ет 10^–10–10^–9 Ом·см при 4,2 К). Од­на­ко СП не яв­ля­ет­ся иде­аль­ным про­вод­ни­ком. В 1933 бы­ло ус­та­нов­ле­но, что сла­бое маг­нит­ное по­ле не про­ни­ка­ет в глубь СП, хо­тя иде­аль­ный про­вод­ник дол­жен за­хва­ты­вать про­ни­зы­ваю­щий его маг­нит­ный по­ток, ес­ли по­ле при­ло­же­но при темп-ре вы­ше Т_с. Вы­тал­ки­ва­ние маг­нит­но­го по­ля из СП (Мейс­не­ра эф­фект) оз­на­ча­ет, что во внеш­нем маг­нит­ном по­ле та­кой об­ра­зец ве­дёт се­бя как иде­аль­ный диа­маг­не­тик.

В ос­но­ве С. ле­жит кван­то­во­ме­ха­нич. яв­ле­ние, свя­зан­ное с об­ра­зо­ва­ни­ем пар элек­тро­нов (ку­пе­ров­ских пар) (см. Ку­пе­ра эф­фект) за счёт их при­тяже­ния по­сред­ст­вом ко­ле­ба­ний кри­стал­лич. ре­шёт­ки (элек­трон-фо­нон­но­го взаи­мо­дей­ст­вия) или, воз­мож­но, и др. элек­трич. и маг­нит­ных ко­ле­ба­ний в ма­те­риа­ле. Пер­вой ус­пеш­но под­твер­ждён­ной мик­ро­ско­пич. мо­де­лью С. яв­ля­ет­ся Бар­ди­на – Ку­пе­ра – Шриф­фе­ра мо­дель (БКШ), ко­то­рая объ­яс­ня­ет воз­ник­но­вение еди­но­го (ко­ге­рент­но­го) вол­но­во­го по­ве­де­ния элек­тро­нов в СП. Она вво­дит по­ня­тие осн. со­стоя­ния СП, от­де­лён­но­го энер­ге­тич. ще­лью от обыч­ных (не­ко­ге­рент­ных) од­но­элек­трон­ных со­стоя­ний. Су­ще­ст­во­ва­ние энер­ге­тич. ще­ли оп­ре­де­ля­ет воз­мож­ность дви­же­ния ко­ге­рент­ных элек­тро­нов (элек­трон­но­го кон­ден­са­та) без со­про­тив­ле­ния. Тео­рия БКШ (и её даль­ней­шее раз­ви­тие) – ос­но­ва для объ­яс­не­ния ря­да яв­ле­ний, экс­пе­ри­мен­таль­но на­блю­дае­мых в СП: вы­тес­не­ние маг­нит­но­го по­ля из объ­ё­ма СП, кван­то­ва­ние маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­во­дя­щих коль­цах, тун­не­ли­ро­ва­ние ку­пе­ров­ских пар че­рез ди­элек­трич. барь­е­ры ме­ж­ду дву­мя СП (Джо­зеф­со­на эф­фект).

Кро­ме тео­рии БКШ, в объ­яс­не­нии С. важ­ную роль сыг­ра­ли фе­но­ме­но­ло­гич. Гинз­бур­га – Лан­дау тео­рия и тео­рия Аб­ри­ко­со­ва для СП 2-го ро­да (А. А. Аб­ри­ко­сов, 1957). В тео­рии Гинз­бур­га – Лан­дау С. опи­сы­ва­ет­ся с по­мо­щью еди­ной вол­но­вой элек­трон­ной функ­ции. Имен­но од­но­знач­ность вол­но­вой функ­ции на за­мк­ну­тых элек­трон­ных тра­ек­то­ри­ях в сверх­про­во­дя­щих коль­цах оп­ре­де­ля­ет воз­мож­ность раз­ме­ще­ния в них толь­ко це­ло­го чис­ла (n) пе­рио­дов элек­трон­ной вол­ны и це­ло­го чис­ла nΦ₀ кван­тов маг­нит­но­го по­то­ка Φ₀= 2,067·10^–15 Вб. Кван­то­ва­ние маг­нит­но­го по­то­ка иг­ра­ет гл. роль и в тео­рии Аб­ри­ко­со­ва. Эта тео­рия объ­яс­ня­ет су­ще­ст­во­ва­ние ог­ром­но­го клас­са СП – СП 2-го ро­да, в ко­то­рых, в от­ли­чие от СП 1-го ро­да, опи­сан­ных в тео­рии Гинз­бур­га – Лан­дау, воз­мож­но про­ник­но­ве­ние маг­нит­но­го по­ля в объ­ём СП в ви­де вих­рей не­за­ту­хаю­ще­го сверх­про­во­дя­ще­го то­ка, ка­ж­дый из ко­то­рых пе­ре­но­сит квант маг­нит­но­го по­то­ка Φ₀. Су­ще­ст­во­ва­ние вих­рей Аб­ри­ко­со­ва и сверх­про­во­ди­мо­сти в СП 2-го ро­да до вы­со­ких (бо­лее 10⁵ Э) маг­нит­ных по­лей, а так­же их за­кре­п­ле­ние (пин­нинг) на не­од­но­род­но­стях обес­пе­чи­ва­ет про­те­ка­ние очень боль­ших (10⁵ А/см² и вы­ше) сверх­про­во­дя­щих (без­дис­си­па­тив­ных) то­ков в про­во­дах и ка­бе­лях из СП 2-го ро­да. Та­кие сверх­про­во­дя­щие ка­бе­ли ис­поль­зу­ют для пе­ре­да­чи элек­трич. энер­гии без по­терь, про­из-ва сверх­про­во­дя­щих маг­ни­тов (в ча­ст­но­сти, для маг­нит­но-ре­зо­нанс­ной то­мо­гра­фии), на­ко­пи­те­лей энер­гии, элек­трич. фильт­ров и др.

Воз­мож­ность про­хо­ж­де­ния сверх­про­во­дя­щей элек­трон­ной вол­ны че­рез барье­ры (слои ди­элек­три­ков или не­сверх­про­во­дя­щих ме­тал­лов) обес­пе­чи­ва­ет реа­ли­за­цию уни­каль­ных сверх­про­во­дя­щих эле­мен­тов – джо­зеф­со­нов­ских пе­ре­хо­дов, ши­ро­ко ис­поль­зуе­мых в фи­зи­ке и тех­ни­ке сверх­про­вод­ни­ков (см. Джо­зеф­со­на эф­фект, СКВИД-маг­ни­то­метр).