Сверхпроводимость – явление, заключающееся в том, что у многих химических элементов, соединений, сплавов (наз. сверхпроводниками) при охлаждении ниже определенной критической температуры Т_с наблюдается переход из нормального в сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом переходе структурные и оптические свойства сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства вещества в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих же свойств в нормальном состоянии или от свойств других материалов, которые при тех же температурах в сверхпроводящее состояние не переходят. Сверхпроводники 1-го рода утрачивают сверхпроводимость скачком: либо при достижении соответствующей данному полю критической температуры Т_с(Н), либо при повышении внешнего поля до критического значения Н_с(Т) (термодинамическое критическое поле), образец полностью переходит в нормальное состояние. В сверхпроводниках магнитный момент М линейно зависит от Н (М=-Н). 

Когда говорят о сверхпроводнике, в первую очередь интересуются его критической температурой Т_с - температурой перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Однако для сверхпроводника не менее важны и следующие характеристики: λ₀ - глубина проникновения магнитного поля; ξ₀ - длина когерентности и Δ₀ - энергетическая щель. (Индекс 0 у этих величин означает, что их значения берутся при абсолютном нуле температур - при Т = 0 К) Чтобы дальнейшее изложение было понятным, нам придется сначала описать физическое содержание этих трех параметров, а также рассмотреть разницу между сверхпроводниками первого и второго рода.

Сверхпроводимость - это не только нулевое электрическое сопротивление материала, но и его идеальный диамагнетизм, выражающийся в эффекте Мейснера-Оксенфельда: сверхпроводник не пропускает внутрь себя внешнее магнитное поле, экранируя его токами в очень тонком приповерхностном слое. Глубина этого слоя при Т = 0 обозначается как λ₀. Т. е. хотя поле всe же проникает в сверхпроводящий материал, оно очень быстро, экспоненциальным образом, в нeм затухает - так что на глубине более λ₀ от поверхности сверхпроводник уже можно считать идеальным диамагнетиком. Параметр λ₀ часто называют лондоновской глубиной проникновения магнитного поля (London penetration depth) - по имени братьев Лондонов (Fritz and Heinz London), которые математически описали эффект Мейснера-Оксенфельда. По мере приближения температуры к критической глубина проникновения в сверхпроводник внешнего поля (с фиксированным значением индукции) растет. При Т = Т_с внешнее магнитное поле захватывает материал полностью.

Чтобы понять, что такое длина когерентности, вспомним, что сверхпроводник представляет собой "резервуар" коллективизированных электронов проводимости, объединенных в пары (называемые куперовскими) и текущих без трения как единое целое сквозь кристаллическую решетку материала. Грубо говоря, расстояние между электронами в такой паре и есть длина когерентности ξ. Она, как и лондоновская глубина проникновения, зависит от температуры: с возрастанием температуры расстояние между электронами в куперовской паре увеличивается. При приближении температуры к критической это расстояние стремится к бесконечности, что означает температурное разрушение куперовской пары, а в макроскопическом масштабе - переход материала в нормальное (не сверхпроводящее) состояние.

Разрушить куперовскую пару можно не только путем повышения температуры, но и прикладывая к ней энергию - например, облучая инфракрасным светом. Энергия связи такой пары электронов (при нулевой температуре) равна 2Δ₀ - удвоенное значение энергетической щели. С ростом температуры Δ (уже без индекса 0) уменьшается - до нуля по достижении Т_с.

В 1957 году А. А. Абрикосов сформулировал критерий деления сверхпроводников на две группы, введя отношение κ = λ₀/ξ₀. Если κ < 1/√2, сверхпроводник первого рода, в противном случае, когда κ > 1/√2, - второго рода. К сверхпроводникам первого рода относятся все чистые элементы, за исключением ванадия и ниобия. Сверхпроводящие сплавы, интерметаллические соединения и т. п. вкупе с ванадием и ниобием - сверхпроводники второго рода.

Чем примечательно это разделение с экспериментальной точки зрения? Тем, что оно определяет поведение сверхпроводников в магнитном поле и механизм его проникновения.

Рассмотрим сверхпроводники I рода. Внешнее магнитное поле, индукция которого не превышает критического значения В_с, не проникает в сверхпроводник первого рода, оставляя вещество сверхпроводящим. Когда В достигает B_c, силовые линии пронизывают сверхпроводник, переводя его в нормальное состояние. Как видим, сверхпроводимость можно разрушить не только повышением температуры.

Однако описанная выше ситуация перехода вещества из сверхпроводящего в нормальное состояние несколько идеализирована. Такая картина будет наблюдаться, если в нашем распоряжении находится тонкая пластина или длинный цилиндр, а внешнее поле прикладывается параллельно ее (его) оси (рис. 1а). В реальности образец не всегда - пластина или цилиндр, да и магнитное поле может прикладываться "неправильно". Например, на рисунке 1b видно, что плотность силовых линий у экватора шара больше, чем у полюсов, а это означает, что и поле сильнее. Поэтому может случиться так, что значение В внешнего поля будет несколько меньше В_с, но за счет локального уплотнения силовых линий вблизи экватора индукция превысит критическое значение и сверхпроводимость исчезнет, в результате чего в экваториальной области шара образуется резистивный участок.

Состояние в сверхпроводнике I рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1-D)B_c < B < B_c, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора - от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности). Для шара D составляет 1/3; для цилиндра в поле, перпендикулярном его оси, - 1/2.

 

 

К сверхпроводникам 1-го рода относятся все чистые сверхпроводящие элементы и некоторые их сплавы стехиометрического состава.

Примеры сверхпроводников 1го рода и их параметры приведены в табл.1