История развития сверхпроводимости

1911 г. Нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, сотрудник Лейденского университета, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах, близких к абсолютному нулю, изучая зависимость электрического сопротивления ртути от температуры, обнаружил, что при температуре 4,2 К сопротивление образца исчезало и не было обнаружено при всех достижимых температурах ниже этой. Он назвал это явление сверхпроводимостью, а температуру, при которой оно возникает, - критической температурой Т_с. Важно отметить, что сопротивление исчезало не постепенно с уменьшением температуры, а сразу, скачком до неизмеримо малой величины.

1913 г. За исследования свойств тел при низких температурах и получение жидкого гелия Камерлинг-Онессу была присуждена Нобелевская премия.

1914 г. Вскоре после открытия сверхпроводимости было обнаружено, что сверхпроводимость можно разрушить не только нагреванием образца, но и помещением его в сравнительно слабое ( с индукцией, самое большее сотые доли Тесла) магнитное поле. Это поле назвали критическим полем Н_с. Зависимость Н_с от температуры хорошо описывается эмпирической формулой:

Н_с(Т)=Н_с(0)[1-(Т/Т_с)²],

где Н_с(0) – критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Сверхпроводимость может быть разрушена также током, протекающим по сверхпроводнику, значение которого создает на поверхности сверхпроводника магнитное поле, равное критическому. Значение этого тока называется критическим током I_c.

Это явление носит название «правило Сильсби» по имени американского ученого, выдвинувшего данное предположение еще в 1916 г.

Следует отметить еще одно важное явление в сверхпроводимости. Если поместить сверхпроводящее кольцо при Т>Т_с во внешнее магнитное поле так, чтобы силовые линии проходили через отверстие кольца, затем охладить кольцо до сверхпроводящего состояния и убрать магнитное поле (т.е. изменить магнитный поток), то по закону электромагнитной индукции Фарадея в кольце индуцируется незатухающий ток. Этот ток будет препятствовать уменьшению магнитного потока в кольце, т.е. будет поддерживать поток в кольце на прежнем уровне. Это значит, что в кольце оказался «замороженным» магнитный поток, а по кольцу циркулирует незатухающий ток. Экспериментальные данные показали, что магнитный поток не может принимать произвольные значения, а может быть только кратным величине Ф₀=2.07х10^-7Гс^.см², которую называют квантом магнитного потока.

1933 г. Немецкие физики Мейсснер и Оксенфельд экспериментально установили, что независимо от того, как происходит охлаждение сверхпроводящего образца – в магнитном поле или при его отсутствии – магнитное поле в глубь сверхпроводника не проникает. Этот факт означает, что сверхпроводник в постоянном магнитном поле самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнитизма. Это явление получило название эффекта Мейсснера.

1934 г. Создана первая так называемая «двухжидкостная» модель сверхпроводимости Гортера-Казимира согласно которой свободные электроны сверхпроводника разделены на два коллектива: сверхпроводящие с плотностью n_s и нормальные с плотностью n_n.

1935 г. Немецкие физики братья Ф. и Г. Лондоны предприняли попытку количественного описания электрических и магнитных свойств сверхпроводников. Ими было предложены два уравнения, связывающие плотность тока с электрическим или магнитным полем для сверхпроводников. Первое уравнение описывает идеальную проводимость: поле ускоряет электрон, движущийся в среде без сопротивления. Второе уравнение отражает эффект Мейсснера. Оно описывает затухание магнитного поля в тонком поверхностном слое сверхпроводника, т.е. в этом слое протекают незатухающие токи, которые экранируют от влияния внешнего магнитного поля области, удаленные от поверхности. Глубина проникновения поля  является одной из важнейших характеристик сверхпроводника, теория Лондонов позволила найти зависимость индукции магнитного поля от глубины проникновения: В(х)=В(0)ехр(-х/).

1950 г. В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау предложили новую квантовую феноменологическую теорию для описания электродинамических свойств сверхпроводников. Авторы постулировали существование параметра порядка в сверхпроводящей фазе и взаимодействие ее с магнитным и электрическим полем.

1962 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Л.Д. Ландау.

1957 г. А. Абрикосов, основываясь на теории Ландау – Гинзбурга, сумел объяснить факт существования сверхпроводников первого и второго рода. Им было открыто новое физическое явление, заключающегося в появлении в сильном магнитном поле квантовых магнитных вихрей, в которых сверхпроводящее состояние разрушено. Такие сверхпроводники, в которых сосуществуют сверхпроводящие пары и магнитные вихри, получили название сверхпроводников второго рода.

1957 г. Американские ученые Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шиффер создали знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне, за которую в 1972 г. они были удостоены Нобелевской премии. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих «сверхток». Почти одновременно академиком Н.Н. Боголюбовым был разработан математический метод, который сейчас широко используется при изучении сверхпроводимости.

1958 г. Дальнейшее развитие микроскопическая теория сверхпроводимости получила в работах Л.П. Горькова, который разработал метод решения модельной задачи БКШ с помощью функций Грина. Этим методом, в частности, ему удалось получить микроскопическую расшифровку всех феноменологических параметров теории Гинзбурга-Ландау и указать область ее применения.

Работами Горькова было закончено построение теории Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова (Теория ГЛАГ), которая в 1966 г. была удостоена Ленинской премии.

1962 г. Б. Джозефсон выдвинул предположение о переходе куперовских пар за счет «туннельного эффекта» при нулевом напряжении, если сблизить два сверхпроводника на расстояние нескольких ангстрем. Было предсказано два эффекта. Во-первых, через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего (бездиссипативного) тока. Критическое значение этого тока зависит от внешнего магнитного поля. Во-вторых, если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения. Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй – нестационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально.

В 1973 г. Б. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.

1911 г. - 1986 г. Было исследовано очень много свверхпроводящих материалов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры требовался дорогостоящий жидкий гелий, поэтому изучение сверхпроводимости оставалось на лабораторном уровне.

1986 г. Швейцарские ученые К. Мюллер и Й. Беднорц обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К. Это явление было названо высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). К. Мюллер и Й. Беднорц в 1987 г. были удостоены Нобелевской премии.

Однако, несмотря на огромное количество работ, последовательная микроскопическая теория ВТСП до сих пор не создана. Не выяснен окончательно механизм притяжения между электронами, причем есть все основания предполагать, что он не связан с обычным электрон – фононным взаимодействием. Тем не менее, с феноменологической точки зрения макроскопическое поведение ВТСП неплохо описывается теорией Гинзбурга – Ландау для сверхпроводников второго рода. Более того, магнитные свойства ВТСП во многих случаях можно описать с помощью лондоновского приближения, в котором состояние сверхпроводника в магнитном поле задается расположением и формой квантования вихревых нитей.

2003 г. Нобелевская премия «за революционный вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести» удостоены российские ученые А.А. Абрикосов, В.Л. Гинзбург и американский ученый А. Леггет.