мини|десно|Високотемпературни суперпроводник лебди изнад магнета. Постојана електрична струја тече по површини суперпроводника, делујући тако да истискује магнетно поље магнета (Мајснеров ефекат). Ова струја ефективно формира електромагнет који одбија магнет.
Суперпроводљивост (суперпроводност) је скуп физичких својстава уочених код суперпроводника: материјала где електрични отпор нестаје, а магнетно поље бива истиснуто из материјала. За разлику од обичног металног проводника, чији се отпор постепено смањује како се његова температура снижава, чак и близу апсолутне нуле, суперпроводник има карактеристичну критичну температуру испод које отпор нагло пада на нулу. Електрична струја кроз петљу од суперпроводне жице може трајати неограничено без извора напајања. Прештампано у
Феномен суперпроводљивости открио је 1911. године холандски физичар Хејке Камерлинг Онес. Као и феромагнетизам и атомске спектралне линије, суперпроводљивост је феномен који се може објаснити једино квантном механиком. Карактерише га Мајснеров ефекат, потпуно поништавање магнетног поља у унутрашњости суперпроводника током његовог преласка у суперпроводно стање. Појава Мајснеровог ефекта указује на то да се суперпроводљивост не може разумети једноставно као идеализација савршене проводљивости у класичној физици.
Године 1986. откривено је да неки купратно-перовскитски керамички материјали имају критичну температуру изнад . Убрзо је откривено (од стране Чинг-Ву Чуа) да замена лантана итријумом, тј. прављење YBCO-а, подиже критичну температуру на , што је било важно јер се течни азот тада могао користити као расхладно средство. Тако висока температура прелаза теоретски је немогућа за конвенционални суперпроводник, због чега су ови материјали названи високотемпературни суперпроводници. Јефтино доступно расхладно средство течни азот кључа на , те постојање суперпроводљивости на вишим температурама од ове омогућава многе експерименте и примене које су мање практичне на нижим температурама.
Историја
мини|Временска линија суперпроводних материјала. Боје представљају различите класе материјала: мини|Хејке Камерлинг Онес (десно), проналазач суперпроводљивости. Паул Еренфест, Хендрик Лоренц, Нилс Бор стоје са његове леве стране. Суперпроводљивост је открио 8. априла 1911. године Хејке Камерлинг Онес, који је проучавао отпор чврсте живе на криогеним температурама користећи недавно произведени течни хелијум као расхладно средство. На температури од 4,2 K, приметио је да је отпор нагло нестао. У истом експерименту, такође је приметио суперфлуидни прелаз хелијума на 2,2 K, не препознајући његов значај. Тачан датум и околности открића реконструисани су тек век касније, када је пронађена Онесова бележница. У наредним деценијама, суперпроводљивост је примећена и у неколико других материјала. Године 1913. откривено је да олово постаје суперпроводно на 7 K, а 1941. да ниобијум нитрид постаје суперпроводан на 16 K.
Велики напори су уложени у откривање како и зашто суперпроводљивост функционише; важан корак догодио се 1933. године, када су Мајснер и Оксенфелд открили да суперпроводници истискују примењена магнетна поља, феномен који је постао познат као Мајснеров ефекат. Године 1935, Фриц Лондон и Хајнц Лондон показали су да је Мајснеров ефекат последица минимизације електромагнетне слободне енергије коју носи суперпроводна струја.
Лондонове конститутивне једначине Теоретски модел који је први пут осмишљен за суперпроводљивост био је потпуно класичан: сажет је у Лондоновим конститутивним једначинама. Предложила су га браћа Фриц и Хајнц Лондон 1935. године, убрзо након открића да се магнетна поља истискују из суперпроводника. Велики успех једначина ове теорије је њихова способност да објасне Мајснеров ефекат, где материјал експоненцијално истискује сва унутрашња магнетна поља док прелази суперпроводни праг. Коришћењем Лондонове једначине, може се добити зависност магнетног поља унутар суперпроводника од удаљености од површине.
Две конститутивне једначине за суперпроводник по Лондону су:
Прва једначина следи из Другог Њутновог закона за суперпроводне електроне.
Конвенционалне теорије (1950-их) Током 1950-их, теоријски физичари кондензоване материје дошли су до разумевања „конвенционалне“ суперпроводљивости, кроз пар изузетних и важних теорија: феноменолошке Гинзбург-Ландауове теорије (1950) и микроскопске БКШ теорије (1957).
Године 1950. феноменолошку Гинзбург-Ландауову теорију суперпроводљивости осмислили су Ландау и Гинзбург. Ова теорија, која је комбиновала Ландауову теорију фазних прелаза другог реда са Шредингеровом таласном једначином, имала је велики успех у објашњавању макроскопских својстава суперпроводника. Конкретно, Алексеј Абрикосов је показао да Гинзбург-Ландауова теорија предвиђа поделу суперпроводника у две категорије које се данас називају Тип I и Тип II. Абрикосов и Гинзбург су добили Нобелову награду 2003. године за свој рад (Ландау је добио Нобелову награду 1962. за други рад и преминуо 1968). Четвородимензионално проширење Гинзбург-Ландауове теорије, Колман-Вајнбергов модел, важан је у квантној теорији поља и космологији.
Такође 1950. године, Максвел и Рејнолдс и др. открили су да критична температура суперпроводника зависи од изотопске масе саставног елемента. Ово важно откриће указало је на интеракцију електрон–фонон као микроскопски механизам одговоран за суперпроводљивост.
Комплетну микроскопску теорију суперпроводљивости коначно су предложили 1957. године Џон Бардин, Лион Купер и Џон Роберт Шрифер. Ова БКШ теорија објаснила је суперпроводну струју као суперфлуид Куперових парова, парова електрона који интерагују путем размене фонона. За овај рад, аутори су добили Нобелову награду 1972. године.
БКШ теорија је постављена на чвршће темеље 1958. године, када је Николај Богољубов показао да се БКШ таласна функција, која је првобитно изведена из варијационог аргумента, може добити коришћењем канонске трансформације електронског хамилтонијана. Године 1959. Лев Горков је показао да се БКШ теорија своди на Гинзбург-Ландауову теорију близу критичне температуре.
Генерализације БКШ теорије за конвенционалне суперпроводнике чине основу за разумевање феномена суперфлуидности, јер спадају у класу универзалности ламбда прелаз. У којој мери се такве генерализације могу применити на неконвенционалне суперпроводнике још увек је контроверзно.
Ниобијум Прва практична примена суперпроводљивости развијена је 1954. године проналаском криотона од стране Дадлија Алена Бака. Два суперпроводника са веома различитим вредностима критичног магнетног поља комбинују се да би се произвео брз, једноставан прекидач за рачунарске елементе.
Убрзо након открића суперпроводљивости 1911. године, Камерлинг Онес је покушао да направи електромагнет са суперпроводним намотајима, али је открио да релативно ниска магнетна поља уништавају суперпроводљивост у материјалима које је истраживао. Много касније, 1955. године, Г. Б. Интема успео је да конструише мали електромагнет са гвозденим језгром од 0,7 тесла са суперпроводним намотајима од ниобијумске жице. Затим, 1961. године, Ј. Е. Кунцлер, Е. Билер, Ф. С. Л. Хсу и Ј. Х. Верник дошли су до запањујућег открића да је на 4,2 келвина ниобијум-калај, једињење које се састоји од три дела ниобијума и једног дела калаја, способно да подржи густину струје већу од 100.000 ампера по квадратном центиметру у магнетном пољу од 8,8 тесла. Легура је била крта и тешка за производњу, али се ниобијум-калај показао корисним за генерисање магнетних поља до 20 тесла.
Године 1962, Т. Г. Берлинкурт и Р. Р. Хаке открили су да су дуктилније легуре ниобијума и титанијума погодне за примене до 10 тесла. Комерцијална производња ниобијум-титанијумске супермагнетне жице одмах је започела у Вестингхаус Електрик Корпорацији и у Вах Чанг Корпорацији. Иако ниобијум-титанијум има мање импресивна суперпроводна својства од ниобијум-калаја, постао је најшире коришћени „радни коњ“ међу супермагнетним материјалима, у великој мери због своје веома високе дуктилности и лакоће израде. Међутим, и ниобијум-калај и ниобијум-титанијум нашли су широку примену у медицинским уређајима за магнетну резонанцу, магнетима за савијање и фокусирање у огромним високоенергетским акцелераторима честица и другим апликацијама. Конектус, европски конзорцијум за суперпроводљивост, проценио је да је 2014. године глобална економска активност за коју је суперпроводљивост била неопходна износила око пет милијарди евра, при чему су МРИ системи чинили око 80% тог укупног износа.
Џозефсонов ефекат Године 1962, Џозефсон је дао важно теоријско предвиђање да суперструја може тећи између два дела суперпроводника раздвојена танким слојем изолатора. Овај феномен, данас назван Џозефсонов ефекат, користе суперпроводни уређаји као што су SQUID-ови. Користи се у најтачнијим доступним мерењима кванта магнетног флукса Φ0 = h/(2e), где је h Планкова константа. У комбинацији са квантним Холовим отпором, ово води до прецизног мерења Планкове константе. Џозефсон је добио Нобелову награду за овај рад 1973. године.
Године 2008. предложено је да би исти механизам који производи суперпроводљивост могао произвести стање суперизолатора у неким материјалима, са готово бесконачним електричним отпором. Први развој и проучавање суперпроводног Бозе-Ајнштајновог кондензата (БЕК) 2020. године сугерисало је „глатки прелаз између“ БЕК и Бардин-Купер-Шриферових режима.
2Д материјали Више врста суперпроводљивости је пријављено у уређајима направљеним од једнослојних материјала. Неки од ових материјала могу се пребацивати између проводног, изолационог и других понашања. Увртање материјала даје им моаре образац који укључује поплочане хексагоналне ћелије које се понашају као атоми и угошћују електроне. У овом окружењу, електрони се крећу довољно споро да њихове колективне интеракције усмеравају њихово понашање. Када свака ћелија има један електрон, електрони заузимају антиферомагнетни распоред; сваки електрон може имати преферирану локацију и магнетну оријентацију. Њихова интринзична магнетна поља теже да се смењују између усмерења нагоре и надоле. Додавање електрона омогућава суперпроводљивост изазивањем формирања Куперових парова. Фу и Шраде су тврдили да је интеракција електрон-електрон омогућавала и антиферомагнетна и суперпроводна стања.
Први успех са 2Д материјалима укључивао је уврнути двослојни графенски лист (2018, Тц ~1,7 К, угао од 1,1°). Касније је показано да уврнути трослојни графенски уређај постаје суперпроводан (2021, Тц ~2,8 К). Затим је пријављено да неуврнути трослојни графенски уређај постаје суперпроводан (2022, Тц 1–2 К). Касније је показано да је овај последњи подесив, лако репродукујући понашање пронађено у милионима других конфигурација. Директно посматрање шта се дешава када се електрони додају материјалу или се благо ослаби његово електрично поље омогућава брзо тестирање невиђеног броја рецепата да би се видело који воде до суперпроводљивости.
У четворослојном и петослојном ромбоедарском графену, недавно је примећен облик суперпроводљивости са спонтано нарушеном симетријом временске реверзије, познат као „хирална суперпроводљивост“. Код ових система нису примећени ефекти суперрешетке, и они се могу пребацивати између два могућа магнетна стања без напуштања суперпроводне фазе. Ово је у оштром контрасту са другим запажањима суперпроводљивости и магнетних поља.
Ови уређаји имају примену у квантном рачунарству.
2Д материјали осим графена такође су начињени суперпроводним. Дихaлкогенидни (ТМД) листови прелазних метала уврнути за 5 степени повремено су постизали суперпроводљивост стварањем Џозефсоновог споја. Уређај је користио танке слојеве паладијума за повезивање са странама слоја волфрам телурида окруженог и заштићеног бор нитридом. Друга група је демонстрирала суперпроводљивост у молибден телуриду (МоТе₂) у 2Д ван дер Валсовим материјалима користећи фероелектричне доменске зидове. Имплицирано је да је Тц виши од типичних ТМД-ова (~5–10 К).