Что такое сверхпроводники и какие инновации они сделают возможными

Немного квантовой физики

Без нее не обойтись, чтобы понять, что такое сверхпроводимость, но многие подробности в объяснении мы опустим. Суть явления в том, что электроны в сверхпроводнике могут двигаться без потерь энергии. И мы не знаем точно, как это происходит. Общепринятую теорию в 1957 году предложили физики Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер. Она объясняет сверхпроводимость особенностью взаимодействия электронов в материале. Эта теория, известная как теория БКШ, стала основой для понимания явления, а физики получили за нее нобелевскую премию.

Что такое ток и почему возникает сопротивление? Любой проводник можно представить как расположенные решеткой атомы, которые окружены облаком свободных электронов. Эти электроны находятся на внешних энергетических уровнях, поэтому легко «отрываются» от своего атома.

Если подать на материал напряжение, то свободные электроны начинают двигаться от плюса к минусу. Печаль в том, что атомы не статичны, они вибрируют в решетке. Поэтому электроны сталкиваются с ними, отдавая часть своей энергии. Именно эту энергию мы ощущаем в виде тепла и света, которые излучаются материалами при прохождении через них тока.

В атомах кристаллической решетки проводника протонов больше, чем электронов (электроны с внешних уровней легко отрываются и становятся свободными) — по сути, они положительно заряженные ионы. Поэтому электроны, двигаясь по очень охлажденному проводнику, даже не сталкиваясь с атомами решетки, все равно немного притягивают их. Пролетев, такой электрон оставляет после себя область положительных зарядов, которая притягивает другой электрон. Таким образом две частицы (такие связанные электроны называют куперовской парой) следуют друг за другом, и это явление становится самоподдерживающимся. Вместо облака электронов образуется совокупность куперовских пар, которые движутся вместе без взаимодействия с другими частицами.

При этом куперовские пары приходят в состояние с минимумом энергии. Чтобы возникало сопротивление, как мы помним, электроны, сталкиваясь, отдают часть своей энергии. Но куперовским парам нечего отдать — и сопротивление становится равным нулю.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

1. Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
2. Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
3. Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
4. Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок – специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

Крупномасштабная симуляция структуры, сформированной, когда одна решетка графена повернута под «магическим углом» относительно второй решетки графена

В 2018-м году группа исследователей из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Пабло Джарилло-Эрреро, обнаружила, что при вращении под определенном («магически») углом, два листа графена полностью лишены электропроводимости. Когда исследователи применили к материалу напряжение, добавив небольшое количество электродов к этой графеновой конструкции, они обнаружили, что на определенном уровне электроны вырвались из исходного изолирующего состояния и протекали без сопротивления. Важнейшей особенностью данного явления является то, что сверхпроводимость указанной графеновой конструкции была получена при комнатной температуре. И хотя объяснение данного эффекта все еще остается под вопросом, его потенциал в сфере энергоснабжения довольно высок.

Что такое сверхпроводимость?

Сверхпроводимость — это уникальное и захватывающее явление в физике, которое было впервые обнаружено в 1911 году. Оно проявляется в том, что материал при определённых условиях, обычно при очень низких температурах, становится сверхпроводником. Это означает, что он обладает абсолютной проводимостью, то есть его электрическое сопротивление становится равным нулю. В результате, электрический ток может проходить через сверхпроводник без каких-либо потерь на нагрев или другие формы энергии. Это отличает сверхпроводники от обычных проводников, где ток вызывает нагрев и потери энергии из-за сопротивления материала.

Сверхпроводники уже нашли широкое применение в различных областях. Они используются в медицине, например, в магнитно-резонансной томографии, где сверхпроводящие магниты создают сильное магнитное поле, необходимое для получения изображений внутренних органов. В физике частиц сверхпроводники используются в ускорителях частиц для создания мощных магнитных полей.

Однако, несмотря на потенциал сверхпроводников, их применение ограничено из-за необходимости поддерживать их при очень низких температурах, часто близких к абсолютному нулю (−273.15 °C). Это требует сложных и дорогостоящих систем охлаждения, что делает использование сверхпроводников непрактичным во многих ситуациях. Поэтому открытие сверхпроводимости при комнатной температуре может стать революционным прорывом в этой области ️

Магнитные свойства серхпроводников

Сверхпроводники типа I: те, которые имеют только одно критическое поле, Hc, и резко переходят из одного состояния в другое, когда оно достигнуто. Сверхпроводники типа II: имеющие два критических поля, Hc1 и Hc2, являющиеся совершенными сверхпроводниками под нижним критическим полем (Hc1) и полностью выходящие из сверхпроводящего состояния над верхним критическим полем (Hc2), находящиеся в смешанном состоянии между критическими полями.

Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях

Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.

В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).

Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).

Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

После открытия сверхпроводимости ртути возникло большое количество вопросов. Среди них: «свойственна ли сверхпроводимость другим веществам, помимо ртути?» или «сопротивление снижается до нуля, либо оно настолько мало, что устройства, которые существуют, не могут его измерить.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом.м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом.м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Применение сверхпроводимости[]

Файл:Flyingsuperconductor.ogg

Левитация YBCO в условиях сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa₂Cu₃O_x, получены вещества, для которых температура Т_c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H_c2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Соединение	Tc, K	jc, А/см2 (Тл), при 4,2 К	Bc, Тл (T, K)
NbTi	9,5-10,5	(3-8)·104 (5)	12,5-16,5 (1,2)12 (4,2)
Nb3Sn	18,1-18,5	(1-8)·105 (0)	24,5-28 (0)
NbN	14,5-17,8	(2-5)·107 (18)	25 (1,2)8-13 (4,2)

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации. Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид дектора	Максимальная скорость счета, c-1	Квантовая эффективность, %	Rdk{\displaystyle R_{dk}}, c-1	NEP ВтHz{\displaystyle /{\sqrt {\text{Hz}}}}
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu)	1⋅106{\displaystyle 1\cdot 10^{6}}	≈20{\displaystyle \approx 20}	≈6⋅103{\displaystyle \approx 6\cdot 10^{3}}	≈10−17{\displaystyle \approx 10^{-17}}
R5509-43 PMT (Hamamatsu)	9⋅106{\displaystyle 9\cdot 10^{6}}	1	1.6⋅104{\displaystyle 1.6\cdot 10^{4}}	≈10−16{\displaystyle \approx 10^{-16}}
Si APD SPСM-AQR-16 (EG\&G)	5⋅106{\displaystyle 5\cdot 10^{6}}	0.01	≈10−16{\displaystyle \approx 10^{-16}}
Mepsicron-II (Quantar)	1⋅106{\displaystyle 1\cdot 10^{6}}	0.001	0.1	—
STJ	5⋅103{\displaystyle 5\cdot 10^{3}}	60	—	—
TES	5⋅103{\displaystyle 5\cdot 10^{3}}	90	менее 10−3{\displaystyle 10^{-3}}	менее 10−19{\displaystyle 10^{-19}}
SSPD	7⋅107{\displaystyle 7\cdot 10^{7}}	30	менее 10−3{\displaystyle 10^{-3}}	6⋅10−18{\displaystyle 6\cdot 10^{-18}}

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно – эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Свойства сверхпроводников[]

Нулевое электрическое сопротивление

Файл:CERN-cables-p1030764.jpg

Электрические кабели для ускорителей в CERN: сверху обычные кабели для Большого электрон-позитронного коллайдера; внизу — сверхпроводящие для Большого адронного коллайдера.

Этот раздел не завершён.Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Файл:776px-Cvandrhovst.png

Характер изменения теплоемкости (c_v, синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т_c теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейсснера

Основная статья: Эффект Мейсснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB={\displaystyle rotB=0} . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Н_c, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Н_c возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением Hc(T)=Hc(1−T2Tc2){\displaystyle H_{c}(T)=H_{c0}(1-T^{2}/{T_{c}}^{2})}, где Hc{\displaystyle H_{c0}} — критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая j_c, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Эффект Литтла-Паркса

В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости.

Этот раздел не завершён.Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т_с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего металла.

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

1. Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
2. Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
3. Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
4. Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Магнитные поля

Точно так же при фиксированной температуре ниже критической температуры сверхпроводящие материалы перестают сверхпроводить, когда прикладывается внешнее магнитное поле, которое больше критического магнитного поля. Это происходит потому, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с магнитным полем, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля.

Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы меньше, чем у нормальной фазы, и поэтому для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разницы свободных энергий в нуле) две свободные энергии будут равны, и произойдет фазовый переход к нормальной фазе.

В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к уменьшению доли сверхпроводящих электронов и, следовательно, к большей глубине проникновения в Лондон внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной при фазовом переходе.

Рисунок 6. Эффект Мейснера

Заключение

Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние.

И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий. Ведь спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник миллиардных доходов предприятий электронной индустрии.

Список литературы

1. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУР. На правах рукописи Курин Владислав Викторович, Физика сверхпроводников. Вводный курс.
2. Учебное пособие для студентов 4,5 курсов Радиофизического факультета (РФ) и Высшей школы общей и прикладной физики (ВШОПФ) ННГУ им. Лобачевского г.Нижний Новгород, 2004 г.
3. Захарова Е. И., Суюндиков М. М. Применение высокотемпературной сверхпроводимости в металлургической промышленности // Технические науки в России и за рубежом: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2021 г.). — М.: Буки-Веди, 2021. — С. 23-29. — Интернет

Температура

В 1986 году было обнаружено, что некоторые купрат-перовскитовые керамические материалы имеют критическую температуру выше 90 K (-183 ° C). Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычного сверхпроводника, что приводит к тому, что материалы называют высокотемпературными сверхпроводниками.

Доступный охлаждающий жидкий азот кипит при 77 К, и, таким образом, сверхпроводимость при более высоких температурах, чем эти, облегчает многие эксперименты и применения, которые менее практичны при более низких температурах. Это ответ на вопрос, при какой температуре возникает явление сверхпроводимости.

Рисунок 3. Сверхпроводимость

Эффект Мейсснера

Удивительно, но до 1933 года, никто из исследователей не задался вопросом о проникновении магнитного поля в сверхпроводник. По-видимому ответ казался тривиальным и следовал из представления о сверхпроводнике как о проводнике с бесконечной проводимостью σ = ∞. В соответствии сэтими воззрениями при переходе в сверхпроводящеее состояние магнитное поле должно бы остатьсятаким же, каким было до перехода, или говоря другими словами, замораживаться. Действительно,из материального соотношения

j = σE и условие конечности тока и бесконечности проводимости следует E = 0, откуда, используя уравнение Максвелла ∂B ∂t = −crotE, мгновенно получаем ∂B ∂t = 0,

т.е поле B — постоянно во времени, заморожено. Если бы мы заморозили сверхпроводник в нулевомполе, а потом поле включили, мы получили бы картинку силовых линий как на Рис.4-(a), а еслиохлаждали в конечном поле, то поле не изменилось бы, и картинка была бы как Рис.4-(b).Австрийский ученый Мейсснер предположил что вопрос о проникновении магнитногополя всверхпроводник не совсем тривиален и в 1933 году предпринял экспериментальные исследованияи обнаружил эффект, который носит его имя.

Он обнаружил, что независимо от того в нулевомили конечном полепроисходит переход в сверхпроводящее состояние, в конечном состоянии внутрисверхпроводника всегда B = 0 и картинка силовых линий выглядит как показано на Рис.4-(a).Это и есть содержание эффекта Мейсснера, из сверхпроводника магнитное поле выталкивается ивнутри сверхпроводника магнитное поле B = 0. Можно сказать, что сверхпроводник представляетсобой идеальный диамагнетик.

Теорема о запрете клонирования

Согласно квантовой теории, создание точной копии любого неизвестного квантового состояния невозможно. Клонирование в классическом понимании представляет собой точную копию, но в квантовой механике под клонированием подразумевается создание состояния, состоящего из нескольких исходных состояний двух и более групп частиц.

Как известно, группы частиц могут быть сцеплены между собой, и энергия между ними может быть взаимосвязана. Тем не менее, передать энергетическое состояние с абсолютной точностью от одной группе к другой невозможно, поскольку это противоречит принципам квантовой запутанности, однако создание не полностью идентичной копии всё же возможно.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Куперовская пара электронов, движущаяся сквозь решетку из положительных атомов. Первый электрон искажает решетку, создавая область повышенного положительного заряда, в которую втягивается второй электрон.

Теория БКШ. Первое качественное объяснение явлению сверхпроводимости было предложено в рамках так называемой теории БКШ, построенной американскими физиками Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером. Эта теория выходит из предположения, что между электронами при определенных условиях может возникать притяжение. Притяжение, которое обусловлено различными возбуждениями, в первую очередь – колебаниями кристаллической решетки, способно создавать «куперовские пары» — связанные состояния двух электронов в кристалле. Такая пара может двигаться в кристалле, не рассеиваясь ни на колебания кристаллической решетки, ни на примеси. В веществах с температурой, далекой от нуля, достаточно энергии, чтобы «разорвать» такую пару электронов, в то время как при низких температурах система не обладает достаточной энергией. В результате этого возникает поток связанных электронов – куперовских пар, которые практически не взаимодействуют с веществом. В 1972-м году Д. Бардин, Л. Купер и Д. Шриффер получили Нобелевскую премию по физике.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др.) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является бозоном. При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Интересные открытия

И другие новые материалы демонстрируют любопытные свойства. Нобелевская премия по физике 2016 года была присуждена за теоретическую работу, которая характеризует топологические изоляторы — материалы, проявляющие похожее странное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами в общей массе материала, но необычайно хорошими сверхпроводниками в тонком слое на поверхности.

Microsoft делает ставку на топологические изоляторы в качестве ключевого компонента квантового компьютера. Также они считаются потенциально важными компонентами миниатюрных микросхем.

Некоторые примечательные свойства транспорта электронов также наблюдались в новых «двумерных» структурах — подобных графену, но из других элементов. Это материалы толщиной в один атом или молекулу.

Сверхпроводимость при комнатной температуре остается такой же неуловимой и захватывающей, какой и была на протяжении более века. Непонятно, может ли существовать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим показателем того, что необычные и очень полезные квантовые эффекты могут быть найдены совершенно неожиданно.

Возможно, в будущем — при помощи искусственного интеллекта или открытий камерлингов-оннесов 21 века — эти технологии также станут неотличимы от магии.

Критика эффекта наблюдателя

Влияние наблюдателя на результаты экспериментов до сих пор вызывает споры. Ученые критикуют и сам термин «наблюдатель» (ведь речь не всегда идет о человеке-наблюдателе, часто «наблюдатель» — это инструмент или прибор), и понятие «воздействие», под которым иногда подразумевается чуть ли не телепатическое влияние. Так, почему эксперимент с двумя щелями не доказывает, что эффект наблюдателя существует.

Кирилл Половников:

«Австрийские физики провели двухщелевой эксперимент с молекулярным соединением фуллереном. Молекула фуллерена имеет ту же двойственную природу, что и электрон. И чтобы ее проявить, фуллерену не потребовалось присутствия «наблюдателя». Изначально молекулы фуллерена вели себя как волны, проявляя только одну из своих характеристик. А потом их начали понемногу нагревать и они начинали вести себя уже как частицы. Это происходит потому, что нагретые молекулы начинают испускать инфракрасное излучение, по которому в принципе оказывается возможным определить, через какую именно щель пролетела та или иная эта молекула. Получается, что переход от волновых свойств к корпускулярным не требует присутствия наблюдателя.

Прежде чем пытаться ввести в физику наблюдателя и объявить, что он как-то влияет на результаты экспериментов, нужно обязательно указать, каким образом он осуществляет это влияние. Если наблюдатель будет сидеть в соседней комнате и просто думать «через какую щель пролетела частица?», мысленно представлять себе полет этой частицы или даже медитировать на нее, то на поведение частицы это не повлияет никак. А вот если наш наблюдатель попытается измерить ее состояния при помощи какого-то прибора, то есть окажет на нее хоть и малое, но реальное физическое воздействие, то частица будет вести себя иначе».

Эффект влияния экспериментатора на изучаемое явление (например, на поведение человека на рабочем месте) подтверждается научными данными. Но исследований пока недостаточно, чтобы сделать точные выводы о причинах и объеме этого влияния. Вполне возможно, что как и в случае с плацебо и ноцебо, эффект наблюдателя — это не однородный феномен, а несколько взаимосвязанных явлений.

Корпускулярно-волновой дуализм

Принцип этой концепции состоит в том, что объект может проявлять одновременно как волновые свойства, так и корпускулярные: например, свет представляет собой волны определённой длины, во многих случаях проявляющие электромагнитные свойства, но точно так же свет можно представить и в виде элементарных частиц — фотонов, то есть свет проявляет и корпускулярные свойства.

С точки зрения обычной физики это не логично, однако в квантовой физике такая ситуация допустима и, более того, в случае со светом корпускулярные и волновые свойства взаимно дополняют друг друга.

Сейчас корпускулярно-волновой дуализм по большей части является предметом теоретического интереса, поскольку квантовые объекты нельзя назвать ни частицами, ни волнами в классическом понимании.