Без всякого опору: що таке надпровідність

Багато хто чув термін «надпровідність», але мало хто може пояснити, що це таке. Розповідаємо!

Фізиків кінця XIX століття дуже цікавило, як веде себе електропровідність металів при наднизьких температурах. З цього приводу існували різні теорії, але придатність їх поблизу абсолютного нуля виглядала сумнівною. У грудні 1910 року Камерлінг-Оннес разом з Корнелисом Дорсманом і Гиллесом Полотном приступили до експериментів. Першим ділом вони виміряли температурну залежність опору платинового дроту, охолодженої рідким гелієм. Виявилося, що воно знижується разом з температурою, але нижче 4,25 До стає постійним. Камерлінг-Оннес вважав, що хімічно чистий метал поблизу абсолютного нуля зобов’язаний вільно пропускати струм, і пояснював залишковий опір впливом домішок. Надалі він вирішив скористатися ртуттю, яку можна очистити багаторазової перегонкою у вакуумі. Рідку ртуть при кімнатній температурі заливали в тонкі капіляри і охолоджували їх в гелієвому кріостаті, після чого вимірювали її опір. У знаменний день 8 квітня 1911 року Камерлінг-Оннес лише переконався, що при охолодженні від 4,3 до 3 До опір ртуті падає практично до нуля. У повторному експерименті 11 травня він виявив, що ртуть втрачає опір при охолодженні до 4,2 К (насправді його температурна шкала була не зовсім коректна, насправді чиста ртуть стає надпровідником при 4,15 К).

Камерлінг-Оннес зрозумів, що стрибкоподібне зникнення електричного опору ртуті (або, як мінімум, його падіння до не піддаються вимірюванню значень) не має теоретичного пояснення. Він прийшов до висновку, що ртуть перейшла в новий стан, який він назвав надпровідним (температуру такого переходу зараз називають критичною, Tc).

Пізніше під керівництвом Камерлінг-Оннеса в Лейдені були виявлені ще чотири надпровідника – олово і свинець (1912), талій (1919) і індій (1923). Але найцікавіші відкриття його лабораторії складалися не в цьому. Ще восени 1911 року було помічено, що надпровідність ртуті руйнується при збільшенні густини струму вище певної межі, який зростає в міру зниження температури. Подальші експерименти показали, що при згортанні надпровідного проводу в спіраль цей поріг знижується в кілька разів. Котушки з олов’яній і свинцевій дроту, зроблені для цих дослідів, стали першими в світі надпровідними магнітами.

Ці результати дозволили припустити, що надпровідність руйнується магнітним полем (яке при однаковій силі струму всередині соленоїда куди сильніше, ніж в лінійному провіднику). Як не дивно, Камерлинг-Оннес не подумав про цю можливість, пояснюючи зникнення надпровідності поганим охолодженням котушок. Проте його дуже цікавило вплив зовнішнього магнітного поля на поведінку надпровідника. Почавши ці дослідження в 1914 році, він незабаром переконався, що поле напруженістю всього в декілька сотень ерстед призводить до таких же наслідків, як і нагрівання, тобто ліквідує надпровідність. Хоча Камерлінг-Оннес однозначно сформулював цей висновок і показав, що порогове значення магнітного поля (в сучасній термінології критичне поле Hc) зростає із зменшенням температури подібно порогового значення щільності струму, він не усмо-трел зв’язку між цими явищами. І тільки в 1916 році американський фізик Френсіс Бригг Сильсби висловив гіпотезу, що в обох випадках надпровідність руйнується магнітним полем незалежно від його джерела.

У 1914 році Камерлінг-Оннес по‑новому продемонстрував виникнення надпровідного струму. При кімнатній температурі котушку з свинцевого дроту охолодили в магнітному полі приблизно до 2 До, після чого відключили поле, що створюється електромагнітом. У котушці виник індукційний струм, який утримував своїм магнітним полем підвішену над котушкою намагнічену голку. Згідно зі спостереженнями, за ті півтори години, протягом яких котушку тримали в кріостаті, сила струму практично не зменшилася. Не будь вона надпровідної, струм, зрозуміло, згас би за незначні частки секунди.

Надпровідність і магнетизм

Після Камерлінг-Оннеса лабораторію очолили Віллем Кеезом і Вандер де Хааз. В кінці 1920-х вони з’ясували, що надпровідниками стають не тільки метали, а й біметалічні з’єднання, причому їх порогові магнітні поля можуть складати багато тисяч ерстед, що в десятки разів вище, ніж у чистих металів. Вони ж довели, що накладення зовнішнього магнітного поля знижує критичну температуру.

До того часу дослідженням надпровідності займалися не тільки в Голландії. Другий комплекс зі зрідження гелію запустили в Університеті Торонто в 1923 році, третій — через два роки в кріогенній лабораторії Імперського фізико-технічного центру в берлінському передмісті Шарлоттенбурзі. З 1928 по 1930 рік там виявили надпровідність танталу, торію і ніобію. А в 1933-му директор лабораторії Вальтер Мейсснер і його асистент Роберт Оксенфельд знайшли у надпровідників парадоксальну особливість, яку нині шанують більш фундаментальною, ніж здатність без перешкод пропускати електричний струм.

Ефект Мейсснера-Оксенфельда

Як повинні вести себе в магнітному полі ідеальні провідники? Візьмемо металевий зразок з простою геометрією (куля або тонкий довгий циліндр) і помістимо його в постійне однорідне магнітне поле при кімнатній температурі. Як відомо з шкільного курсу фізики, поле проникне всередину зразка на всю його товщину. Знизимо температуру нижче критичної, щоб зразок перейшов у стан ідеального провідника. Такий перехід жодним чином не впливає на магнітне поле, яке раніше пронизує зразок. Після відключення поля всередині ідеального провідника завдяки появі індукційних струмів зберігається магнетизм (згадаємо правило Ленца), але зовнішнє поле, природно, змінюється.

Тепер виконаємо аналогічні операції в зворотному порядку — спочатку охладим зразок, а потім включимо магнитне поле. Ідеальний провідник повністю виштовхне магнітні силові лінії і породить на своїй поверхні екрануючі індукційні струми. Однак після того, як ми піднімемо температуру і перетворимо ідеальний провідник у звичайний метал, магнітне поле знову проникне всередину зразка.

Мейсснер і Оксенфельд в експериментах з олов’яними і свинцевими циліндрами виявили, що цей прогноз виконується лише наполовину. У другій версії досвіду надпровідник дійсно веде себе, як годиться ідеального провідника. Однак перша версія (охолодження в постійному магнітному полі) призводить до зовсім несподіваного результату. Після переходу в надпровідний стан зразок повністю виштовхує магнітний потік, так що магнітна індукція всередині нього виявляється рівною нулю. Справа виглядає так, що і в цьому випадку на поверхні надпровідника виникають незатухаючі струми, які екранують його внутрішню частину від зовнішнього магнітного поля. Експериментатори виявили також, що при подальшому відключенні поля зразок втрачає свою намагніченість. Звідси випливає, що струми зникають, хоча в ідеального провідника вони повинні зберегтися.

Ефект Мейсснера-Оксенфельда, як і надпровідність, був відкритий випадково. В ті часи надпровідники сприймали лише як ідеальні провідники з нульовим опором. У 1925 році Гертруда де Хааз-Лоренц (дружина Вандера де Хааза і дочка великого голландського фізика Хендріка Лоренца) теоретично вивела, що в подібних матеріалах електричні струми течуть лише в поверхневому шарі товщиною порядку 50 нм (оцінка виявилася надзвичайно точною — наприклад, для свинцю цей показник становить 40 нм). Через декілька років подібні результати отримали й німецькі фізики. Мейсснер побажав перевірити цю теорію експериментом. Оскільки всередину надпровідника заглянути неможливо, він вирішив вивчити магнітні поля, породжувані надпровідними струмами. Тут його чекав сюрприз. Виявилося, що надпровідники взаємодіють з магнітним полем зовсім не так, як повинні взаємодіяти з ним ідеальні провідники (див. врізку). Експерименти Мейсснера і Оксенфельда показали, що всередині надпровідника магнітне поле стає нульовим, тобто перехід у надпровідний стан породжує ідеальний діамагнетизм (речовини, в межах яких зовнішнє магнітне поле послаблюється, називають діамагнетиками). Ці результати виглядали абсолютно парадоксальними. Неодноразові повторні експерименти підтверджували, що слабкі магнітні поля проникають всередину суцільних надпровідників, хоча проходять крізь кільця і порожнисті циліндри.

Класичний глухий кут

Після смерті Оннеса була розроблена квантова теорія металів і сплавів, яка обіцяла надію на пояснення надпровідності. Його шукали такі фізики-теоретики світового класу, як Вернер Гейзенберг і Вольфганг Паулі, Нільс Бор та Ганс Бете, Лев Ландау і Яків Френкель, Невілл Мотт і Хендрік Казимир, і це аж ніяк не повний список. Однак надпровідність довгий час залишалася неприступною загадкою. Один з творців квантової теорії твердого тіла Фелікс Блох на початку 1930-х років передбачив, що будь-яка теорія надпровідності з часом буде спростована. Цей прогноз протримався 20 років.