Сверхпроводимостью называют состояние вещества, в котором его электрическое сопротивление равно нулю и электрический ток проходит по веществу без потерь при температурах ниже некоторой критической.
Температура, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).
Использование сверхпроводников на практике ограничено тем, что явление сверхпроводимости наблюдается при очень низких температурах.
До 1986 года был найден сплав со сверхпроводящими свойствами, которые обнаруживались при температуре 23,2 К, устоялось мнение, что сверхпроводников с более высокой критической температурой нет. Но в 1986 году ученые И. Беднорц и К. Мюллер обнаружили явление сверхпроводимости у некоторых образцов керамики при температурах 32К и 40 К.
Явление резкого падения сопротивления материала при таких температурах было названо высокотемпературной проводимостью.
Высокотемпературными сверхпроводниками считают сверхпроводники, имеющие критические температуры выше 30 К (так сложилось исторически). Иногда граничной температурой между сверхпроводниками и высокотемпературными сверхпроводниками считают температуру кипения азота – это 77 К.
На сегодняшний день самой высокой критической температурой считают температуру, равную 260 К. При такой температуре выявили сверхпроводящие свойства у сжатого супергидрида лантана.
Охлаждая наноструктурированное серебро на золотой подложке до температуры 236 К получили у него сверхпроводящие свойства при нормальном давлении.
Перспективными и наиболее исследованными высокотемпературными сверхпроводниками в настоящее время считают некоторые керамики (смеси оксидов) и купраты (соединения меди).
Два этапа развития теории высокотемпературной сверхпроводимости
Исследование высокотемпературной сверхпроводимости длится уде больше 35 лет. Можно выделить два этапа ее развития:
- Работы Гинзбурга и Литтла, которые были посвящены возможному существованию сверхпроводников с «высокой» критической температурой. Существование таких сверхпроводников полагалось за счет взаимодействия электронов проводимости не с фотонами, а электронными возбуждениями. Энергия этих возбуждений существенно больше энергии фотонов.
- Начало второго этапа связывают с публикацией работ Беднорца и Мюллера о наблюдении сверхпроводимости в соединении керамических соединений $La_2Ba_2CuO_4$ критическая температура $T_k=32 K$ и $La_2Sr_2CuO_4$, критическая температура которого равна $T_k=40 K$.
После 1986 года количество публикаций по проблемам сверхпроводимости выросло во много раз. Исследование явлений высокотемпературной сверхпроводимости перешло из чисто научной в практически значимую область, так как появились возможности технического использования данного явления.
Итоги первого этапа исследований высокотемпературной сверхпроводимости
Итогами работ Гинзбурга и Литтла можно считать:
- Понимание того, что кроме электро-фотонного механизма сверхпроводимости, которое вызвано притяжением между электронами за счет обмена фотонами, возможны иные механизмы, реализации сверхпроводимости.
- Доказательство отсутствия строгого ограничения критической температуры перехода к сверхпроводнику. Из феноменологической теории сверхпроводимости Гинзбурга – Ландау и микроскопической теории Бардина – Купера – Шрифера (БКШ) следует, что сверхпроводимость вещества можно получить, если благоприятно сочетать параметры материала. Так, отсутствие верхнего предела критической температуры видно из формулы Аллена – Дайнса:
$T_k=0,182 ω_m \sqrt{λ} (1),$
где $ω_m$ – средняя частота фотонов; λ – постоянная электронно- фотонного взаимодействия. Формулу (1) можно использовать только при λ>5.
Критическая температура (1) зависит от фотонных частот, значит поиск материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью нужно вести среди легких элементов, обеспечивающих высокие частоты в фотонном спектре.
Так, было:
- Установлено, что высокие критические температуры могут получаться исключительно в системах с сильным взаимодействием. Необходимым и достаточным условием наличия высоких критических температур являются отрицательные статистические диэлектрические проницаемости ($\epsilon
- Сделан детальный анализ разных факторов, которые влияют на величину критической температуры при фотонном механизме сверхпроводимости.
Второй этап исследований
Большая часть исследований, которые проводятся на втором этапе изучения высокотемпературных сверхпроводников, связана с:
- рассмотрением эффектов сильного обменно-корреляционного взаимодействия и их проявлений;
- применением модели Хаббарда, которая основана на сильном отталкивании электронов на одном центре. В рамках названной модели были выдвинуты идеи о сущности высокотемпературной проводимости в купратах (соединениях меди). Данные идеи основываются на основе резонансных валентных связей, которые применяют для описания спиновой жидкости синглетных пар электронов. Эта теория схожа с результатами описания одномерных моделей взаимодействующих электронов. В таких моделях поведение электронов при низких температурах принципиально отличается от стандартного поведения в обычных трехмерных системах. Электрон, имеющий заряд и спин прекращает быть определенным возбуждением. Происходит «разделение» заряда и спина. При этом спин транспортируется незаряженным фермионом (спиноном), заряд – бесспиновым возбуждением – холоном. Такую систему называют латтинжеровской жидкостью.
Считают, что сущность высокотемпературной сверхпроводимости в том, что система электронов в таких соединениях является латтинжеровской жидкостью в нормальном состоянии и состоянии сверхпроводимости.
