Сверхпроводимость: история, современные представления, последние успехи

5

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ…

Сверхпроводимость:

история, современные представления, последние успехи

А.АБРИКОСОВ

ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ БЫ- ло открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Камерлинг- Оннесу первому удалось получить жидкий гелий, и он использовал его для создания криостатов – приборов, в которых можно поддерживать очень низкую температуру. В частности, он решил проверить правильность существовавших в то время представлений о поведении электрического сопротивления при низких температурах. Измеряя сопротивление ртути, Камерлинг- Оннес обнаружил, что оно скачком обращается в ноль при температуре около 4 К. Это явление было названо сверхпроводимостью, а температура перехода в сверхпроводящее состояние – критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами, от долей градуса до примерно 100 К. Но о последних я скажу позже. Последующие исследования сверхпроводников позволили обнаружить многие их замечательные свойства. Так, оказалось, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем. Критическое поле, при котором это происходит, зависит от температуры. Далее обнаружилось, что сверхпроводимость исчезает и в том случае, когда по образцу пропускают достаточно большой ток. Наконец, был обнаружен так называемый эффект Мейснера, суть которого заключается в следующем. Если поместить металл в не очень сильное магнитное поле и понижать температуру, то при переходе металла в сверхпроводящее состояние линии поля вытол-

Опубликовано в «Кванте» №6 за 1988 год.

кнутся из него. Последующее изучение показало, что на самом деле при таком переходе у поверхности сверхпроводника возникает небольшой слой, толщиной $10^{5} 10^{6}$ см, в котором циркулируют токи, полностью экранирующие внутренние области образца от внешнего поля. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения. Я не буду перечислять все факты, свидетельствующие о свойствах сверхпроводников. Их было обнаружено много. Но, тем не менее, само явление оставалось таинственным. Более того, существовало некое принципиальное обстоятельство, которое, как казалось, делало сверхпроводимость невозможной. В 1937 году П.Л.Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия – его способность протекать по узким капиллярам без всякого трения. Через четыре года Л.Д.Ландау сумел объяснить это явление. В теории Ландау был выведен так называемый критерий сверхтекучести, согласно которому вязкость могла возникать при движении со скоростью, превышавшей некоторую критическую. Опишу это качественно. Торможение гелия означает изменение его энергии и импульса. Однако жидкий гелий является квантовой жидкостью и может менять энергию и импульс, поглощая и излучая определенные кванты, названные квазичастицами. Эти квазичастицы ведут себя в объеме тела как настоящие частицы, правда с необычной связью между энергией и импульсом. Различие между ними и обычными частицами – электронами, фотонами – заключается в том, что вне тела квазичастицы существовать не могут. В

8

КВАНТ 2017/№6

массивному сверхпроводнику не разбиться на тонкие слои нормального и сверхпроводящего металла и не сохранить сверхпроводимость до гораздо больших полей? Ведь критическое поле для тонкого слоя выше, чем для массивного сверхпроводника. Разбиение на слои не происходит потому, что во всех чистых сверхпроводниках, состоящих из одного металла, существует особая поверхностная энергия, возникающая на границах между нормальной и сверхпроводящей фазами. Эта энергия, подобно поверхностному натяжению, стремится уменьшить поверхность границ. Микроскопическая теория объяснила ее происхождение. Оказалось, что она связана с конечным размером куперовских пар. Если уменьшать этот размер, то поверхностная энергия может изменить знак и сделаться отрицательной. Тем самым возникает естественное разделение сверхпроводников на сверхпроводники первого рода – с положительной поверхностной энергией и сверхпроводники второго рода – с отрицательной поверхностной энергией. Надо заметить, что сверхпроводники второго рода являются гораздо более распространенными, чем сверхпроводники первого рода. Мало того: любой сверхпроводник первого рода можно перевести во второй род. Для этого достаточно ввести в него некоторое количество атомов примеси или как-нибудь иначе испортить кристаллическую решетку. Электроны начинают рассеиваться на этих дефектах. Характер движения электронов меняется, и размер пар становится меньше. При достаточной концентрации дефектов сверхпроводник первого рода обязательно переходит во второй род. Теперь я немного расскажу о свойствах сверхпроводников второго рода. Поскольку поверхностная энергия в них отрицательна, то ничто не препятствует бесконечному расщеплению их объема на нормальные и сверхпроводящие области. Поэтому сверхпроводимость в них с увеличением внешнего магнитного поля вытесняется постепенно, начиная с некоторого значения поля $B_{кр1}$. Переход в нормаль-

ное состояние осуществляется в верхнем критическом поле $B_{кр2}$. Физический смысл $B_{кр2}$ заключается в следующем. В магнитном поле электроны, будучи заряженными частицами, движутся по спиральным траекториям и радиус спирали обратно пропорционален В. Если радиус спирали становится меньше размера пары, то пара уже не может существовать и разваливается. Если же внешнее магнитное поле ниже $B_{кр2}$, но выше $B_{кр1}$, то оно частично проникает в сверхпроводник. Происходит это за счет возникновения в сверхпроводнике вихревых токов. Оказывается, что эти вихри являются квантовыми объектами. Каждый из них несет квант магнитного потока. Если хотите, можно сказать, что число силовых линий, проходящих в каждом таком вихре, строго определенное. Квант потока является очень малой величиной и равен

0 ℏ e

$2 10^{15}$ Вб.

При уменьшении внешнего поля вихри расходятся и в поле $B_{кр1}$ исчезают из сверхпроводника совсем. Фактически поле $B_{кр1}$ – это то поле, при котором один вихрь еще может существовать в сверхпроводнике. Область между полями $B_{кр1}$ и $B_{кр2}$ называется смешанным состоянием. В этом состоянии сверхпроводник пронизан вихревыми нитями – миниатюрными соленоидами, расположенными в правильном порядке. В поперечном срезе они образуют треугольную решетку. Каждый вихрь имеет сердцевину, размер которой равен размеру куперовской пары; эту сердцевину можно считать областью нормального металла.

(Продолжение следует)