Свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры Тк, характерной для данного вещества, названо сверхпроводимостью.
Было установлено, что слабое магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника, т.е. при Т <Тк магнитный поток «выталкивается» из проводника. Таким образом было показано, что в сверхпроводящем состоянии проводники становятся идеальными диамагнетиками. Явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника магнитная индукция равна нулю, получило название эффекта Мейснера. Сверхпроводящее состояние разрушается, если напряженность внешнего магнитного поля превышает некоторую величину Нк, называемую критическим Магнитным полем.
В достаточно сильных магнитных полях свойства сверхпроводников не одинаковы, поэтому их подразделяют на две группы –сверхпроводники первого и второго рода.
В сверхпроводники 1-го рода магнитное поле не проникает до тех пор, пока его напряженность не превысит критическое значение Нк(Т). При этом весь образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее) состояние и магнитное поле проникает в него.
В сверхпроводниках 2-го рода существует два критических поля Нк1(Т) и Нк2(Т), При напряженности поля, меньшей нижнего критического значения Нк1, магнитный поток не проникает в образец. Если магнитное поле превышает верхнее критическое значение Нк2, образец переходит в нормальное состояние и поле полностью проникает в образец. В интервале полей Нк1 < Н < Нк2 возникает так называемое смешанное состояние, для которого характерно частичное проникновение магнитного потока в образец. В образце образуется сложная структура из чередующихся нормальных и сверхпроводящих областей.
Согласно эффекту Купера, к сверхпроводимости металла приводит объединение электронов проводимости в пары: два электрона с противоположными спинами, в результате притяжения, вызванного колебаниями кристаллической решетки, могут образовать связанное состояние– куперовскую пару. Заряд такой пары (квазичастицы) равен 2е, её спин равен нулю, т.е. является целочисленным, поэтому куперовскую пару относят к бозонам (частица с целым значением спина), они в отличие от фермионов (частица с полуцелым значением спина),могут находиться в состоянии с одним и тем же импульсом (или энергией). При достаточно низкой температуре происходит фазовый переход квантового газа, состоящего из бозонов, в состояние с нулевым импульсом, т.е. в бозе-конденсат. Плавление такого конденсата приводит к сверхтекучести системы. Сверхпроводимость имеет родственную природу со сверхтекучестью и представляет собой «сверхтекучесть» куперовских электронных пар, образовавшихся в металле.
Применение: Циклотрон, детектор фотонов, сверхпроводящие магниты, магнитометры, резонаторы, элементы ЭВМ и др. Перспективы применения эффекта сверхпроводимости связаны с разработкой высокотемпературных сверхпроводников (Тк ~ 300К)
Эффект Джозефсона.
Протекание сверхпроводящего тока возможно через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника.
Если ток через контакт не превышает критического значения Iк, то падение напряжения на контакте отсутствует (стационарный эффект Джозефсона). Если пропускать ток, больший критического, то на контакте возникает падение напряжения, и он излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект Джозефсона).
Излучение вызвано тем, что куперовские пары, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт Джозефсона приобретают избыточную по отношению к основному состоянию энергию 2еU. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние − это излучить квант электромагнитной энергии hν = 2eU. Таким образом, переменное электромагнитное поле, а значит и переменный ток через контакт, возникают под действием постоянного электрического поля (приложенного напряжения U). Иными словами, имеет место фазовая когерентность сверхпроводящих электронов. доказывает, что в природе существуют макроскопические явления, непосредственно определяемые фазой волновой функции электрона.
Кроме туннельного контакта эффект Джозефсона наблюдается в структурах, где между сверхпроводниками находится тонкий слой полупроводника или металла в нормальном состоянии. Такие системы, как и джозефсоновский контакт, называют слабосвязанными сверхпроводниками.
Эффект Джозефсона подтверждает основную концепцию современной теории сверхпроводимости – наличие единой волновой функции и фазовой когерентности спаренных электронов в сверхпроводящем состоянии. Благодаря относительной простоте и доступности эксперимента этот эффект представляет собой одну из уникальных возможностей изучать проявление квантовых свойств микромира в макроскопическом масштабе.
Эффект Джозефсона используют в криогенных приборах, в частности, в сверхпроводящих квантовых интерферометрах – сквидах (от англ. аббревиатуры SQUI –Superconducting Quantum Interference Device). С помощью сквидов могут быть измерены предельно малые величины: напряженности магнитного поля –
10-12 А/м, тока – 10-10 А, напряжения – 10-15 В. Джозефсоновские контакты применяют в качестве генераторов и детекторов излучения СВЧ-диапазона.
На основе сквидов разрабатываются быстродействующие элементы памяти, логические устройства компьютеров и другие электронные приборы нового поколения.