Сверхпроводимость - очень квантовые дела⁠⁠

Предисловие: после опровержения высокотемпературной сверхпроводимости в LK-99, в которую, признаться, мало кто верил, у читателя могли возникнуть вопросы о том, как вообще сверхпроводимость проявляется, почему высокотемпературные сверхпроводники уже не лежат в каждом доме и что за БКШ такое? Далее постараемся максимально просто в этом разобраться. По традиции, длиннопост.

Ещё со школьных времён мы знаем о трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном, в которых с переменным успехом могут находиться все вещества. Для начала разберемся, как такие состояния можно охарактеризовать с точки зрения энергии и её уровней.

Рассмотрим частицы газа - у них большая энергия, они не связаны друг с другом и могут преодолевать гравитацию, поэтому могут занимать весь доступный объём, равномерно по нему распределяясь.
Если мы будем уменьшать энергию частиц, то есть охлаждать газ, то он перейдёт в жидкое состояние. У частиц энергии уже не так много, они уже не могут самостоятельно преодолеть взаимную силу притяжения и гравитацию, поэтому принимают форму сосуда, но всё ещё легко отделимы друг от друга.
Охладим вещество ещё сильнее, теперь частицам энергетически выгоднее образовывать постоянные связи, то есть кристаллическую решётку, и становиться твёрдым телом. Тогда они уже не могут свободно перемещаться, но всё ещё могут колебаться около своих постоянных положений. Также эти связи тяжелее разорвать, поэтому, собственно, вещество и твёрдое.

Конечно, стоит оговориться, что это общая схема, и переход также зависит от внешних условий. Так, например, гелий может становиться жидким, но не может кристаллизоваться при атмосферном давлении при понижении температуры. Или углекислый газ из газового состояния переходит сразу в твёрдое (сухой лёд). Однако, общий принцип, что при понижении температуры частицы переходят в более низкое энергетическое состояние остаётся верен.

Понижения температуры сейчас бы не помешало...

Если мы продолжим охлаждать вещество ещё сильнее, до температур близких к абсолютному нулю, то можем заметить проявление квантовых эффектов, таких как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Они возникают, потому что мы опускаем вещество на самый низкий энергетический уровень. Но тут возникает особенность в виде разделения всех частиц на 2 группы: бозоны и фермионы по их свойству, а именно - спину.

Бозоны, например, протоны и нейтроны, а значит и ядро атома, обладают целочисленным спином: 0, 1, 2, ... Их можно описать с помощью статистики Бозе-Эйнштейна, которая говорит нам, что на самом низком энергетическом уровне может находиться сколько угодно много частиц. Любое взаимодействие - это частица получает или отдаёт энергию. Но из-за квантования уровней, если энергия для передачи не равна энергии до следующего уровня, она не передаётся. То есть взаимодействия с другими частицами не происходит, и вещество течёт без изменения энергии, то есть без трения. Это и есть сверхтекучесть.

Главные статистики

С другой стороны, сопротивление проводника тоже можно описать, как потери энергии электрона на взаимодействие (потерянная энергия затем высвобождается в виде тепла, поэтому проводники нагреваются). Однако, электрон имеет полуцелый спин (+1/2, +3/2, ...) и является фермионом. Фермионы описываются статистикой Ферми-Дирака и подчиняются принципу Паули, то есть на одном уровне не может находиться два фермиона с одинаковыми квантовыми числами. Электроны не могут опуститься на самый низкий уровень все вместе - у каждого из них должен быть свой отдельный уровень. Это означает, что при низких температурах у электрона по-прежнему остаётся большой простор для обмена энергией - он может принимать или отдавать, то есть вещество всё ещё будет обладать сопротивлением.

В этот момент на сцену выходит БКШ-теория, названная в честь Бардина, Купера и Шриффера. Для дальнейшего повествования нам важен только Купер. Он предложил механизм объединения двух электронов в одну квазичастицу. Так как электроны не могут находиться на самом низком энергетическом уровне, но в состояние с наименьшей энергией хочется, они придумали объединяться друг с другом в куперовские пары. Это не означает, что они сливаются вместе, это означает, что между ними образовывается связь, и их можно считать одной частицей с целочисленным спином, то есть бозоном, то есть они могут вместе оказаться на нижнем энергетическом уровне.

Chad куперовская пара и Virgin обычный электрон

Механизм образования куперовских пар на данный момент общепринят для объяснения сверхпроводимости при сверхнизких температурах (единицы кельвин). Такая пара, находящаяся в низком энергетическом состоянии, не отдаёт свою энергию (потому что нечего отдавать) и не принимает (потому что её недостаточно для разрыва пары, и перехода электрона на уровень выше), поэтому переносит заряд без взаимодействия, то есть без сопротивления.

Однако, сверхнизкие температуры на дороге не валяются. Каждый провод или магнит не поместишь в банку с жидким гелием или машину замкнутого цикла. Как минимум хочется уйти от температур в единицы кельвин до температуры жидкого азота (77 Кельвин) или даже до комнатных температур. При таких температурах низкими энергетическими уровнями и не пахнет, с чего бы электронам объединяться в пары? С того, что выбора мы им просто не оставим. Если один энергетический уровень отделить от остальных большой энергетической щелью, то электроны не смогут упасть вниз (столько энергий у них никто не возьмёт) и не смогут подняться вверх (столько энергии им никто не даст), тогда единственное, что им останется - объединиться в пару, чтобы остаться на уровне, и проводить ток без сопротивления.

Сказать просто, а вот сделать...

На практике, однако, это удаётся далеко не всегда, так как общей теории для высокотемпературных сверхпроводников нет, и мы не можем предсказать в какой конфигурации появится сверхпроводимость. Скорее всего, структура такого сверхпроводника должна быть слоистой, для получения нужных энергетических уровней. И скорее всего, в его составе будет медь или железо, так как основные рекордсмены имеют их в своём составе.

Для большей информации нужна теория, которая бы описывала и предсказывала сверхпроводимость при комнатной температуре. А для постройки такой теории нужно больше экспериментальных данных. В итоге, это долгий экспериментальный путь изготовления, измерения и анализа, чтобы наметить основные закономерности и получить применимый на практике результат.

Скоро ли будет найден сверхпроводник, который обеспечит нас летающими машинами и почти бесконечной энергией? Судя по результатам, не особо скоро. Но