Сверхпроводимость является явлением, при котором некоторые материалы при понижении температуры до определенного уровня теряют сопротивление электрическому току. Это явление открыто в 1911 году физиком Хейке Камерлингом Оннесом, который обнаружил, что ртуть при температуре ниже 4,2 K перестает сопротивляться электрическому току. Сверхпроводимость является одной из наиболее загадочных и важнейших тем в современной физике и химии, и ее изучение продолжает развиваться, открывая новые возможности в технологиях и фундаментальной науке.
Сверхпроводимость на молекулярном уровне обусловлена уникальными квантовыми эффектами. Основные теории, объясняющие это явление, включают теорию Бардена-Купера-Шриффера (БКШ) и теорию динамического взаимодействия электронов в сверхпроводниках.
Теория БКШ, предложенная в 1957 году, является одной из самых фундаментальных и широко признанных теорий сверхпроводимости. В этой теории особое внимание уделяется поведению электронов в сверхпроводящих материалах. Электроны, находящиеся в металле, обычно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, что приводит к потере энергии и сопротивлению току. Однако при достаточно низких температурах электроны начинают вести себя по-другому. В этих условиях возникает явление, известное как спаривание электронов. Электроны образуют пары, называемые Куперовскими парами, которые могут двигаться по решетке без сопротивления, несмотря на взаимодействие с атомами. Эти пары электронов действуют как бозоны, что позволяет им находиться в одном квантовом состоянии, не подчиняясь принципу Паули и не испытывая сопротивления при движении.
В теории БКШ ключевую роль в образовании Куперовских пар играет взаимодействие электронов с фононами — квантами колебаний атомов в кристаллической решетке. Это взаимодействие ведет к привлечению двух электронов с противоположными спинами и импульсами, что приводит к их связыванию в пару. Энергия, которая освобождается в результате этого взаимодействия, компенсирует потери энергии, которые происходят в обычных проводниках при движении электронов, тем самым обеспечивая сверхпроводимость.
Сверхпроводники могут быть разделены на несколько типов в зависимости от их физико-химических свойств и поведения при внешних воздействиях, таких как магнитные поля.
Тип I сверхпроводники: Это простые материалы, такие как чистая ртуть или свинец, которые демонстрируют полную потерю сопротивления при достижении температуры сверхпроводимости. Эти материалы имеют резкое и четкое начало перехода в сверхпроводящее состояние и полностью исключают магнитное поле из своего объема (эффект Мейснера). Однако они не могут сохранять сверхпроводимость при достаточно сильных внешних магнитных полях, поскольку поле полностью проникает в материал.
Тип II сверхпроводники: В отличие от сверхпроводников типа I, сверхпроводники типа II, такие как ниобий или высокотемпературные сверхпроводники, могут сохранять свою сверхпроводимость при более сильных магнитных полях. В этих материалах возникает так называемая смешанная фаза, где часть материала остается сверхпроводящей, а часть подвергается воздействию магнитного поля.
Особое место занимают высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), которые были открыты в 1986 году. Эти материалы могут сохранять сверхпроводимость при температурах, значительно превышающих температуру, близкую к абсолютному нулю. В отличие от обычных сверхпроводников, высокотемпературные сверхпроводники основываются на соединениях меди с кислородом, и их сверхпроводящий переход происходит при температуре выше 77 K, что позволяет использовать их в реальных условиях с помощью жидкого азота. Эти материалы изучаются в поисках решений для практического применения сверхпроводимости, таких как магнитные резонансные томографы (МРТ), сверхпроводящие магниты и квантовые компьютеры.
Сверхпроводимость тесно связана с квантовой механикой и использует множество квантовых эффектов. Одним из них является эффект Мейснера, который заключается в полном исключении магнитных полей из внутри сверхпроводящего материала. Этот эффект объясняется тем, что Куперовские пары в сверхпроводнике образуют коллективные квантовые состояния, которые противодействуют внешнему магнитному полю.
Также важно отметить, что сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление. Когда большое количество атомов или молекул действует как единое квантовое состояние, проявляется свойство сверхпроводимости. Это позволяет, например, измерять сверхпроводящие токи, которые не теряют энергии на сопротивление, в макроскопических масштабах.
Сверхпроводимость открывает широкие возможности для применения в различных областях науки и техники. Одним из наиболее известных применений является использование сверхпроводящих магнитов в медицинских и научных устройствах, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и ускорители частиц. Сверхпроводящие материалы также используются для создания высокоэффективных кабелей для передачи энергии, поскольку они позволяют передавать электрический ток без потерь на сопротивление.
Другим важным направлением является использование сверхпроводимости в квантовых вычислениях. Сверхпроводящие кубиты в квантовых компьютерах обладают рядом уникальных свойств, таких как способность к квантовому суперпозиционному состоянию и минимизации потерь энергии. Это делает возможным создание более мощных и быстрых квантовых систем, которые в будущем могут революционизировать обработку информации.
Сверхпроводимость также используется в области магнетизма, например, для создания сверхпроводящих магнитных систем, которые могут быть использованы в различных приложениях, включая устройства с высокотемпературным сверхпроводящим магнитным полем и системы для магнитной левитации.
Исследования сверхпроводимости активно продолжаются, и хотя мы уже имеем несколько типов сверхпроводников, многие аспекты этого явления остаются не до конца изученными. В частности, до сих пор не существует единой теории, которая бы полностью объясняла поведение высокотемпературных сверхпроводников. Также остаются проблемы, связанные с синтезом новых материалов, которые могли бы работать при более высоких температурах, и с улучшением стабильности и долговечности сверхпроводящих систем в реальных условиях эксплуатации.
Одним из важных направлений является разработка так называемых «двухмерных сверхпроводников», в которых структура материала ограничена до толщины нескольких атомов. Эти материалы могут иметь новые квантовые свойства, которые не наблюдаются в обычных трехмерных материалах, и это открывает новые перспективы для разработки сверхпроводящих технологий.
Сверхпроводимость продолжает оставаться важной и многообещающей областью исследований в химии и физике. Понимание и использование этого явления открывает двери для создания новых высокотехнологичных устройств и материалов, а также позволяет глубже понять фундаментальные законы природы. Текущие исследования и разработки в области сверхпроводимости обещают привести к значительным достижениям в энергетике, медицине, квантовых вычислениях и многих других областях.