Надпрові́дність — квантове явище протікання електричного струму у твердому тілі без втрат, тобто з суворо нульовим електричним опором тіла. Явище надпровідності було відкрито в 1911 році голландським науковцем Камерлінг-Оннесом, лауреатом Нобелівської премії з фізики 1913 року. Усього за відкриття в галузі надпровідності було видано п'ять Нобелівських премій з фізики: в 1913, 1972, 1973, 1987 та 2003 роках.

Інакше, надпровідність - це набір фізичних властивостей, які спостерігаються у певних матеріалах, коли електричний опір зникає, а поля магнітного потоку витісняються з матеріалу. Будь-яка речовина, що показує такі властивості, є надпровідником. На відміну від звичайного металевого провідника, опір котрого поступово зменшується у міру зниження температури, навіть майже до абсолютного нуля, надпровідник має притаманну йому критичну температуру, нижче якої опір різко падає до нуля. Електричний струм крізь коло з надпровідного дроту, може тривати нескінченно довго без джерела живлення.

Явище надпровідності існує для низки матеріалів, не обов'язково провідників високої якості при звичайних температурах. Перехід до надпровідного стану відбувається за певної температури, яку називають критичною температурою надпровідного переходу. Надпровідність, проте, може бути зруйнована, якщо помістити зразок у зовнішнє магнітне поле, яке перевищує певне критичне значення. Це критичне магнітне поле зменшується у разі збільшення температури.

Станом на сьогодні (2000-і), досягнення критичної температури надпровідності, 203 К, належить сірководню під високим тиском.

Історія

Передумови відкриття

Середина XIX століття і його кінець відзначились освоєнням області наднизьких температур. Досліджуючи явища, що відбуваються в газах, фізики ввели поняття «абсолютний нуль» температури. Це така температура, за якої тиск ідеального газу відповідно до закону Гей-Люссака, дорівнював би нулю. Обчисливши, до якої від'ємної температури треба охолодити газ, щоб в ньому зупинився будь-який тепловий рух молекул, вони отримали, що ця температура повинна бути −273,15 °C. Пізніше поняття абсолютного нуля було узагальнено на всі стани речовини: тверді та рідкі. Це температура, коли весь кінетичний рух часток матерії припиняється (у класичному розумінні) і, таким чином, матерія не має теплової енергії. Ця точка слугує початком відліку температур за термодинамічною шкалою (шкалою Кельвіна).

Будь-яке охолодження речовини — це відбір у нього енергії. Під час охолодження, енергії у тіла залишається дедалі менше, а отже знижується його температура, яка є мірилом кінетичної енергії руху атомів. При цьому вповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується амплітуда коливань атомів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в рідинах та газах) та вільних електронів (в металах та напівпровідниках). Останні приєднуються до іонізованих позитивних атомів. Вважалося, що при досягненні абсолютного нуля вся можлива енергія у речовини відібрана і більше енергії відібрати не можна. Водночас будь-який рух в тілі припиняється (за винятком обертання електронів навколо ядра в атомі). Іншими словами, при "0"К молекули й атоми речовини мають найменшу енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла ніяким охолодженням.

Дослідження властивостей тіл за температур, близьких до абсолютного нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що вивчає цю галузь, називається кріофізикою. Шлях до кріогенних температур лежить через скраплення газів. Скраплений газ у ході випаровування відбирає енергію у тіла, яке занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових холодильниках, де скраплений газ фреон випаровується в морозильнику.

Наприкінці XIX — початку XX століття вже були скраплені багато газів: кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався скрапленню гелій, водночас очікувалося, що він допоможе досягти найнижчої температури.

Успіху в скрапленні гелію досяг Камерлінг-Оннес, який працював в Лейденському університеті (Голландія). Скраплений гелій дозволив досягти рекордно низької температури — близько 4 К. Отримавши рідкий гелій, Камерлінг-Оннес почав досліджувати властивості різних матеріалів при гелієвих температурах.

Одним із запитань, які цікавили вченого, було вивчення опору металів в умовах наднизьких температур. Було відомо, що зі зростанням температури R (опір) збільшується. Отже, можна очікувати, що зі зменшенням температури R (опір) буде зменшуватись. А от до якої межі?

Тут могло б бути три варіанти. За абсолютного нуля R→0. Дійсно, електричний струм — це потік електронів, що проходить крізь кристалічну ґратку провідника. У разі ненульових температур атоми в ґратці здійснюють коливання навколо центру рівноваги, між вільними електронами та атомами відбувається зіткнення (розсіювання). Звернемо увагу на два наслідки такого зіткнення. По-перше, електрони втрачають власну енергію, отриману від електричного поля джерела ЕРС. По-друге, вони відхиляються від початкового напрямку. Ці два наслідки відбиваються у зменшенні струму, тобто в виникненні опору. В ході зниження температури амплітуда коливань атомів зменшується, а значить, зменшується і ймовірність розсіювання на них електронів, тобто падає опір. Така модель довгий час задовольняла фізиків і якби залежність R(Т) пішла б по цьому варіанту, то це сприйнялося б із розумінням. Однак критики попередньої теорії звертали увагу на те, що опір R обумовлений зіткненням електронів не тільки з атомами, що коливаються. Електрони з успіхом можуть розсіюватися і на нерухомих атомах. Тобто, розсіювання зменшиться, але зовсім не зникне, тому R ≠ 0. Крім того існує можливість розсіювання електронів на дефектах ґраток. Третій варіант: електрони «заморожуються» на атомних орбітах. Електронів провідності не залишається, опір зростає до нескінченості ().

Отже, теоретично можна було припустити різні варіанти, але реальність, як часто буває, суперечить всім планам і теоріям.

Відкриття надпровідності Камерлінг-Оннесом

Експериментуючи зі ртуттю, Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і продовжив знижувати температуру. При досягненні Т = 4,2 К прилад перестав фіксувати опір. Оннес міняв прилади в дослідній установці, оскільки побоювався їхньої несправності, але прилади незмінно показували нульовий опір, попри те, що до абсолютного нуля залишалося ще 4 К.

Після відкриття надпровідності в ртуті виникла велика кількість запитань: чи надпровідність властива лише ртуті, чи й іншим матеріалам також? ; опір знижується до нуля або ж він настільки малий, що прилади, які існують, не можуть його виміряти; і багато інших.

Оннес запропонував особливий дослід непрямого визначення, до якого рівня знижується опір. Збуджений у надпровідному колі електричний струм, який було визначено за відхиленням магнітної стрілки, не згасав багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника дорівнював близько 10−25 Ом•м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді — ρCu =1.5۰10−8 Ом•м, видно, що питомий опір надпровідника на 17 порядків менший, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0. Якщо в замкнутому контурі, який перебуває в надпровідному стані, створити електричний струм, то він протікатиме тижні й навіть роки, не зменшуючись.

+ Критичні температури деяких надпровідних матеріалівРечовина, K, °CВольфрам Kittel, Charles: Introduction to Solid State Physics. 7. Aufl. New York: Wiley, 19960,012 −273,139Галій 1,091 −272,059Алюміній1,14 −272,01Індій 3,37 −269,78Ртуть 4,153 −268,997Тантал 4,483 −268,667Ванадій 5,3 −267,85Свинець 7,193 −265,957Ніобій 9,5 −263,65AuPb7,0 −266,15Технецій11,2 −266,07MoN12,0 −261,15PbMo6S815 −258,15K3C6019 −254,15Nb3Ge23 −250,15La2CuO435 −238,15MgB239 −234,15Cs3C6040 −233,15YBa2Cu3O7-x; x ~ 0,2F. Schwaigerer, B. Sailer, J. Glaser, H. J. Meyer: Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit. In Chemie in unserer Zeit. 2002, 36, S. 108–124 93 −180,15HgBa2Ca2Cu3O8+x133 −140,15H2S203 −70, 15

Подальший розвиток

Після відкриття Камерлінг-Оннеса надпровідність було встановлено в інших матеріалах та сплавах. Важливим наріжним каменем в дослідженні властивостей надпровідників було відкриття ідеального діамагнетизму надпровідників (або виштовхування зовнішнього магнітного поля з надпровідника), відомого як ефект Мейснера — Оксенфельда в 1933 році. В 1935 році брати Фріц та Хайнц Лондони запропонували першу теорію надпровідності, яка хоча й була повністю феноменологічною, проте пояснювала ефект Мейснера — Оксенфельда. Наступним кроком була запропонована в 1950 році Віталієм Лазаровичем Гінзбургом та Львом Давидовичем Ландау нова феноменологічна теорія, яка вперше враховувала квантовомеханічну природу явища. В межах цієї теорії Олексієм Абрикосовим в 1957 році було передбачено існування надпровідників II роду. В тому ж році Джон Бардін, Леон Купер та Джон Роберт Шріффер опублікували роботу, в якій дали мікроскопічне пояснення явища надпровідності, яке одержало назву теорії Бардіна — Купера — Шрифера.

Властивості надпровідників

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властивості виникає явище левітації надпровідника над магнітом (або магніту над поверхнею надпровідника), яке отримало назву труна Магомета. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева енергія додатна, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надпровідників II роду поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. Абрикосівський вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.

Теорії надпровідності Явище надпровідності — макроскопічне (видиме) проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати тільки у визначених станах, яким відповідають дискретні значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо розглядати макроскопічні тіла, де концентрація електронів перевищує 1022 см−3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, і спостерігається суцільний (неперервний) спектр поглинання або випромінювання енергії.

Квазічастинки в кристалах

Фонони

Між атомами існують пружні сили, що не дозволяють атомам відділятись або наближатись ближче деякого rкрит. Однак, за кімнатних температур атоми здійснюють коливання навколо положення рівноваги; таким чином, у ґратці постійно присутній коливальний рух, а кожний атом можна розглядати як маятник, що здійснює рівномірні коливання навколо точки рівноваги. Відмінність від класичного маятника полягає в тому, що атом — це «квантовий маятник». Річ у тому, що дійсно енергія атому може змінюватись лише порціями — квантами, з енергією, де f — це частота поглинутого або випроміненого кванту. За кімнатної температури величина близька до kT — повної енергії атома, що коливається. При зниженні температури, здавалося б, амплітуда коливань повинна прямувати до нуля. Однак, сучасні дослідження показують, що атоми і за Т = "0"K будуть здійснювати коливання. Це «нульові коливання атомів». Вони не зникають ніколи.