Сверхпроводимость: нулевое электрическое сопротивление и эффект Мейснера

Сверхпроводимость: явление нулевого электрического сопротивления в материалах при критической температуре. Открыта в 1911 году, позволяет току течь вечно.

18 мин чтения

100%

Источник: Superconductivity — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Электрическая проводимость с точно нулевым сопротивлением

Сверхпроводимость – это набор физических свойств, наблюдаемых в определенных материалах, где электрическое сопротивление исчезает и магнитные поля вытесняются из материала. Любой материал, демонстрирующий эти свойства, является сверхпроводником. В отличие от обычного металлического проводника, сопротивление которого постепенно уменьшается при понижении температуры, даже до значений, близких к абсолютному нулю, сверхпроводник имеет характерную критическую температуру, ниже которой сопротивление резко падает до нуля. Электрический ток в замкнутой сверхпроводящей цепи может сохраняться неограниченно долго без источника питания. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Как и ферромагнетизм и атомные спектральные линии, сверхпроводимость – это явление, которое может быть объяснено только квантовой механикой. Оно характеризуется эффектом Мейснера – полным вытеснением магнитного поля из объема сверхпроводника при переходе в сверхпроводящее состояние. Наличие эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике. В 1986 году было обнаружено, что некоторые керамические материалы на основе купратных перовскитов обладают критической температурой выше. Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для традиционного сверхпроводника, что привело к тому, что эти материалы стали называть высокотемпературными сверхпроводниками. Легкодоступный в качестве хладагента жидкий азот кипит при , и, следовательно, существование сверхпроводимости при температурах выше этой облегчает проведение многих экспериментов и практическое применение, которые менее осуществимы при более низких температурах.

Классификация

Существует множество критериев, по которым классифицируют сверхпроводники. Наиболее распространенные из них:

Реакция на магнитное поле

Суперпроводник может быть типа I, то есть иметь одно критическое поле, выше которого вся сверхпроводимость теряется, а ниже которого магнитное поле полностью вытесняется из сверхпроводника; или типа II, то есть иметь два критических поля, между которыми он допускает частичное проникновение магнитного поля через отдельные точки. Эти точки называются вихрями. Кроме того, в многокомпонентных сверхпроводниках возможно сочетание этих двух типов поведения. В этом случае сверхпроводник относится к типу 1.5.

По теории действия

Это считается обычным, если его можно объяснить теорией БКШ или ее производными, и нетрадиционным – в противном случае. Альтернативно, сверхпроводник называют нетрадиционным, если параметр порядка сверхпроводимости преобразуется согласно нетривиальному неприводимому представлению точечной или пространственной группы системы.

По критической температуре

Сверхпроводник обычно считается высокотемпературным, если он достигает сверхпроводящего состояния при температуре выше 30 К (-243,15 °C); как это было в первоначальном открытии Георга Беднорца и К. Алекса Мюллера. К классам сверхпроводящих материалов относятся химические элементы (например, ртуть или свинец), сплавы (такие как ниобий-титан, германий-ниобий и нитрид ниобия), керамика (YBCO и диборид магния), сверхпроводящие пниктиды (например, фторированный LaOFeAs) или органические сверхпроводники (фуллерены и углеродные нанотрубки; хотя, возможно, эти примеры следует отнести к химическим элементам, поскольку они состоят исключительно из углерода).

Элементарные свойства сверхпроводников

Несколько физических свойств сверхпроводников варьируются от материала к материалу, таких как критическая температура, величина сверхпроводящего зазора, критическое магнитное поле и критическая плотность тока, при которой сверхпроводимость разрушается. С другой стороны, существует класс свойств, не зависящих от конкретного материала. Эффект Мейснера, квантование магнитного потока или постоянных токов, то есть состояние нулевого сопротивления, являются наиболее важными примерами. Существование этих "универсальных" свойств обусловлено природой нарушения симметрии в сверхпроводнике и возникновением внедиагонального дальнего порядка. Сверхпроводимость является термодинамической фазой и, следовательно, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей. Внедиагональный дальний порядок тесно связан с формированием куперовских пар.

0 электрического постоянного сопротивления

Самый простой метод измерения электрического сопротивления образца какого-либо материала — поместить его в электрическую цепь последовательно с источником тока I и измерить возникающее напряжение V на образце. Сопротивление образца определяется законом Ома как R = V / I. Если напряжение равно нулю, это означает, что сопротивление равно нулю. Сверхпроводники также способны поддерживать ток без приложенного напряжения, свойство, используемое в сверхпроводящих электромагнитах, таких как те, что применяются в аппаратах МРТ. Эксперименты показали, что токи в сверхпроводящих катушках могут сохраняться в течение многих лет без какого-либо заметного ухудшения. Экспериментальные данные указывают на срок службы не менее 100 000 лет. Теоретические оценки срока службы постоянного тока могут превышать предполагаемый возраст Вселенной, в зависимости от геометрии проводника и температуры. В таких приборах измерение основано на наблюдении за левитацией сверхпроводящей ниобиевой сферы массой 4 грамма. В обычном проводнике электрический ток можно представить как поток электронов, движущихся через массивную ионную решетку. Электроны постоянно сталкиваются с ионами в решетке, и при каждом столкновении часть энергии, переносимой током, поглощается решеткой и преобразуется в тепло, которое по сути является вибрационной кинетической энергией ионов решетки. В результате энергия, переносимая током, постоянно рассеивается. Это явление электрического сопротивления и джоулева нагрева. В сверхпроводнике ситуация иная. В обычном сверхпроводнике электронный поток нельзя разложить на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как пары Купера. Эта связь обусловлена притягательной силой между электронами, возникающей при обмене фононами. Эта связь очень слаба, и небольшие тепловые колебания могут разорвать ее. В силу квантовой механики энергетический спектр этой жидкости из пар Купера обладает энергетической щелью, то есть существует минимальное количество энергии ΔE, которое необходимо подать для возбуждения жидкости. Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, определяемой как kT, где k — постоянная Больцмана, а T — температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость из пар Купера является сверхтекучей, то есть она может течь без потерь энергии. В классе сверхпроводников, известных как сверхпроводники типа II, включая все известные высокотемпературные сверхпроводники, при температурах, не слишком далеких от номинального сверхпроводящего перехода, возникает чрезвычайно низкое, но ненулевое сопротивление при приложении электрического тока в сочетании с сильным магнитным полем, которое может быть вызвано самим электрическим током. Это связано с движением магнитных вихрей в электронной сверхтекучей жидкости, которое рассеивает часть энергии, переносимой током. Если ток достаточно мал, вихри неподвижны, и сопротивление исчезает. Сопротивление, вызванное этим эффектом, ничтожно мало по сравнению с сопротивлением не сверхпроводящих материалов, но его необходимо учитывать в точных экспериментах. Однако, по мере того как температура опускается достаточно низко ниже номинального сверхпроводящего перехода, эти вихри могут застыть в неупорядоченной, но неподвижной фазе, известной как «вихревое стекло». Ниже температуры перехода в вихревое стекло сопротивление материала становится истинно нулевым.

The simplest method to measure the electrical resistance of a sample of some material is to place it in an electrical circuit in series with a current source I and measure the resulting voltage V across the sample. The resistance of the sample is given by Ohm's law as R = V / I. If the voltage is zero, this means that the resistance is zero. Superconductors are also able to maintain a current with no applied voltage whatsoever, a property exploited in superconducting electromagnets such as those found in MRI machines. Experiments have demonstrated that currents in superconducting coils can persist for years without any measurable degradation. Experimental evidence points to a lifetime of at least 100,000 years. Theoretical estimates for the lifetime of a persistent current can exceed the estimated lifetime of the universe, depending on the wire geometry and the temperature. In such instruments, the measurement is based on the monitoring of the levitation of a superconducting niobium sphere with a mass of 4 grams. In a normal conductor, an electric current may be visualized as a fluid of electrons moving across a heavy ionic lattice. The electrons are constantly colliding with the ions in the lattice, and during each collision some of the energy carried by the current is absorbed by the lattice and converted into heat, which is essentially the vibrational kinetic energy of the lattice ions. As a result, the energy carried by the current is constantly being dissipated. This is the phenomenon of electrical resistance and Joule heating. The situation is different in a superconductor. In a conventional superconductor, the electronic fluid cannot be resolved into individual electrons. Instead, it consists of bound pairs of electrons known as Cooper pairs. This pairing is caused by an attractive force between electrons from the exchange of phonons. This pairing is very weak, and small thermal vibrations can fracture the bond. Due to quantum mechanics, the energy spectrum of this Cooper pair fluid possesses an energy gap, meaning there is a minimum amount of energy ΔE that must be supplied in order to excite the fluid. Therefore, if ΔE is larger than the thermal energy of the lattice, given by kT, where k is the Boltzmann constant and T is the temperature, the fluid will not be scattered by the lattice. The Cooper pair fluid is thus a superfluid, meaning it can flow without energy dissipation. In the class of superconductors known as type II superconductors, including all known high temperature superconductors, an extremely low but non zero resistivity appears at temperatures not too far below the nominal superconducting transition when an electric current is applied in conjunction with a strong magnetic field, which may be caused by the electric current. This is due to the motion of magnetic vortices in the electronic superfluid, which dissipates some of the energy carried by the current. If the current is sufficiently small, the vortices are stationary, and the resistivity vanishes. The resistance due to this effect is minuscule compared with that of non superconducting materials, but must be taken into account in sensitive experiments. However, as the temperature decreases far enough below the nominal superconducting transition, these vortices can become frozen into a disordered but stationary phase known as a "vortex glass". Below this vortex glass transition temperature, the resistance of the material becomes truly zero.

Фазовый переход

В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости проявляются, когда температура T понижается ниже критической температуры Tc. Значение этой критической температуры варьируется в зависимости от материала. У обычных сверхпроводников критические температуры обычно находятся в диапазоне от 20 К до менее 1 К. Твердая ртуть, например, имеет критическую температуру 4,2 К. По состоянию на 2015 год, самая высокая критическая температура, обнаруженная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H2S, хотя для этого требовались высокие давления, приблизительно 90 гигапаскалей. Купратные сверхпроводники могут иметь значительно более высокие критические температуры: YBa2Cu3O7, один из первых открытых купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру выше 90 К, а купраты на основе ртути были найдены с критическими температурами, превышающими 130 К. Основной физический механизм, ответственный за высокую критическую температуру, пока не установлен. Однако ясно, что вовлечено спаривание двух электронов, хотя природа этого спаривания (s-волна или d-волна) остаётся предметом дискуссий. Аналогично, при фиксированной температуре ниже критической температуры, сверхпроводящие материалы перестают проявлять сверхпроводимость при приложении внешнего магнитного поля, превышающего критическое магнитное поле. Это происходит потому, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы возрастает квадратично с магнитным полем, в то время как свободная энергия нормальной фазы практически не зависит от магнитного поля. Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы ниже, чем у нормальной фазы, и, следовательно, при некотором конечном значении магнитного поля (пропорциональном квадратному корню из разности свободных энергий при нулевом магнитном поле) две свободные энергии уравняются и произойдёт фазовый переход в нормальную фазу. В более общем случае, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к уменьшению доли сверхпроводящих электронов и, как следствие, к увеличению глубины проникновения внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной в точке фазового перехода. Начало сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств, что является характерным признаком фазового перехода. Например, электронная теплоёмкость пропорциональна температуре в нормальном (не сверхпроводящем) режиме. При сверхпроводящем переходе она испытывает скачкообразное изменение и перестаёт быть линейной. При низких температурах она изменяется по экспоненциальному закону, как e−α/T, где α – некоторая постоянная. Это экспоненциальное поведение является одним из доказательств существования энергетической щели. Порядок сверхпроводящего фазового перехода долгое время был предметом дебатов. Эксперименты указывают на то, что переход является второго порядка, то есть скрытой теплоты нет. Однако в присутствии внешнего магнитного поля возникает скрытая теплота, поскольку сверхпроводящая фаза имеет более низкую энтропию ниже критической температуры, чем нормальная фаза. Экспериментально было продемонстрировано, что, как следствие, при увеличении магнитного поля выше критического значения, возникающий фазовый переход приводит к снижению температуры сверхпроводящего материала. Расчёты, проведённые в 1970-х годах, показали, что переход может быть слабо первого порядка из-за влияния дальнодействующих флуктуаций в электромагнитном поле. В 1980-х годах теоретически, с использованием теории поля беспорядка, в которой вихревые линии сверхпроводника играют ключевую роль, было показано, что переход является второго порядка в режиме типа II и первого порядка (т.е. с выделением скрытой теплоты) в режиме типа I, и что эти две области разделены трикритической точкой. Эти результаты были подтверждены компьютерными симуляциями методом Монте-Карло.

In superconducting materials, the characteristics of superconductivity appear when the temperature T is lowered below a critical temperature Tc. The value of this critical temperature varies from material to material. Conventional superconductors usually have critical temperatures ranging from around 20 K to less than 1 K. Solid mercury, for example, has a critical temperature of 4.2 K. As of 2015, the highest critical temperature found for a conventional superconductor is 203 K for H2S, although high pressures of approximately 90 gigapascals were required. Cuprate superconductors can have much higher critical temperatures: YBa2Cu3O7, one of the first cuprate superconductors to be discovered, has a critical temperature above 90 K, and mercury based cuprates have been found with critical temperatures in excess of 130 K. The basic physical mechanism responsible for the high critical temperature is not yet clear. However, it is clear that a two electron pairing is involved, although the nature of the pairing ( wave vs. wave) remains controversial. Similarly, at a fixed temperature below the critical temperature, superconducting materials cease to superconduct when an external magnetic field is applied which is greater than the critical magnetic field. This is because the Gibbs free energy of the superconducting phase increases quadratically with the magnetic field while the free energy of the normal phase is roughly independent of the magnetic field. If the material superconducts in the absence of a field, then the superconducting phase free energy is lower than that of the normal phase and so for some finite value of the magnetic field (proportional to the square root of the difference of the free energies at zero magnetic field) the two free energies will be equal and a phase transition to the normal phase will occur. More generally, a higher temperature and a stronger magnetic field lead to a smaller fraction of electrons that are superconducting and consequently to a longer London penetration depth of external magnetic fields and currents. The penetration depth becomes infinite at the phase transition. The onset of superconductivity is accompanied by abrupt changes in various physical properties, which is the hallmark of a phase transition. For example, the electronic heat capacity is proportional to the temperature in the normal (non superconducting) regime. At the superconducting transition, it suffers a discontinuous jump and thereafter ceases to be linear. At low temperatures, it varies instead as e−α/T for some constant, α. This exponential behavior is one of the pieces of evidence for the existence of the energy gap. The order of the superconducting phase transition was long a matter of debate. Experiments indicate that the transition is second order, meaning there is no latent heat. However, in the presence of an external magnetic field there is latent heat, because the superconducting phase has a lower entropy below the critical temperature than the normal phase. It has been experimentally demonstrated that, as a consequence, when the magnetic field is increased beyond the critical field, the resulting phase transition leads to a decrease in the temperature of the superconducting material. Calculations in the 1970s suggested that it may actually be weakly first order due to the effect of long range fluctuations in the electromagnetic field. In the 1980s it was shown theoretically with the help of a disorder field theory, in which the vortex lines of the superconductor play a major role, that the transition is of second order within the type II regime and of first order (i. e., latent heat) within the type I regime, and that the two regions are separated by a tricritical point. The results were strongly supported by Monte Carlo computer simulations.

Лондонский момент

И наоборот, вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно сонаправленное с осью вращения. Этот эффект, известный как лондоновский момент, был успешно применен в эксперименте Gravity Probe B. В ходе этого эксперимента измерялись магнитные поля четырех сверхпроводящих гироскопов для определения их осей вращения. Это было крайне важно для эксперимента, поскольку является одним из немногих способов точного определения оси вращения идеально гладкой сферы.

История

Сверхпроводность была открыта 8 апреля 1911 года Хайке Камерлинг Оннесом, который изучал сопротивление твердой ртути при криогенных температурах, используя недавно полученный жидкий гелий в качестве хладагента. При температуре 4,2 К он заметил резкое исчезновение сопротивления. В том же эксперименте он также наблюдал сверхтекучий переход гелия при 2,2 К, не осознавая его значения. Точная дата и обстоятельства открытия были восстановлены лишь спустя столетие, когда была найдена записная книжка Оннеса. В последующие десятилетия сверхпроводность наблюдалась в нескольких других материалах. В 1913 году было обнаружено, что свинец становится сверхпроводящим при 7 К, а в 1941 году нитрид ниобия – при 16 К.

Значительные усилия были направлены на выяснение принципов работы и причин возникновения сверхпроводности; важный шаг был сделан в 1933 году, когда Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники вытесняют приложенные магнитные поля, явление, получившее название эффекта Мейснера. В 1935 году Фриц и Хайнц Лондон показали, что эффект Мейснера является следствием минимизации электромагнитной свободной энергии, переносимой сверхпроводящим током.

Обычные теории (1950-е годы)

В 1950-х годах физики конденсированного состояния пришли к пониманию "обычной" сверхпроводимости благодаря двум замечательным и важным теориям: феноменологической теории Гинзбурга-Ландау (1950) и микроскопической теории БКШ (1957). В 1950 году Ландау и Гинзбург разработали феноменологическую теорию сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау. Эта теория, объединившая теорию фазовых переходов второго рода Ландау с волновым уравнением, подобным уравнению Шрёдингера, добилась значительного успеха в объяснении макроскопических свойств сверхпроводников. В частности, Абрикосов показал, что теория Гинзбурга-Ландау предсказывает разделение сверхпроводников на две категории, известные сегодня как Тип I и Тип II. Абрикосов и Гинзбург были удостоены Нобелевской премии 2003 года за эту работу (Ландау получил Нобелевскую премию 1962 года за другие исследования и умер в 1968 году). Четырёхмерное расширение теории Гинзбурга-Ландау, модель Коулмана-Вайнберга, имеет важное значение в квантовой теории поля и космологии. Также в 1950 году Максвелл и Рейнольдс с соавторами обнаружили, что критическая температура сверхпроводника зависит от изотопной массы составляющего элемента. Это важное открытие указало на электрон-фононное взаимодействие как на микроскопический механизм, ответственный за сверхпроводимость. Полная микроскопическая теория сверхпроводимости была окончательно предложена в 1957 году Бардином, Купером и Шриффером. В 1959 году Лев Горьков показал, что теория БКШ переходит в теорию Гинзбурга-Ландау вблизи критической температуры. Обобщения теории БКШ для обычных сверхпроводников лежат в основе понимания явления сверхтекучести, поскольку они относятся к классу универсальности лямбда-перехода. Степень применимости этих обобщений к нетрадиционным сверхпроводникам до сих пор остаётся предметом дискуссий.

Дальнейшая история

Первое практическое применение сверхпроводности было разработано в 1954 году с изобретением Дадли Алленом Баком криотрона. Два сверхпроводника с сильно различающимися значениями критического магнитного поля объединяются для создания быстрого и простого переключателя для компьютерных элементов. Вскоре после открытия сверхпроводности в 1911 году Камерлинг-Оннес попытался создать электромагнит со сверхпроводящими обмотками, но обнаружил, что относительно слабые магнитные поля разрушают сверхпроводность в исследуемых им материалах. Гораздо позже, в 1955 году, Г. Б. Йнтема успешно построил небольшой электромагнит с железным сердечником мощностью 0,7 Тесла, используя сверхпроводящую проволоку из ниобия. Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, Ф. С. Л. Хсу и Дж. Х. Верник сделали поразительное открытие: при 4,2 Кельвина ниобий-олово, соединение, состоящее из трех частей ниобия и одной части олова, оказалось способным выдерживать плотность тока более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитном поле 8,8 Тесла. Несмотря на хрупкость и сложность в обработке, ниобий-олово с тех пор оказалось чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 20 Тесла. В 1962 году Т. Г. Берлинкорт и Р. Р. Хэйк обнаружили, что более пластичные сплавы ниобия и титана подходят для применений до 10 Тесла. Вскоре после этого началось коммерческое производство сверхпроводящей проволоки из ниобия-титана на предприятиях Westinghouse Electric Corporation и Wah Chang Corporation. Хотя ниобий-титан обладает менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, он, тем не менее, стал наиболее широко используемым "рабочим материалом" для супермагнитов, во многом благодаря своей высокой пластичности и простоте обработки. Однако ниобий-олово и ниобий-титан широко используются в медицинских томографах МРТ, магнитах для отклонения и фокусировки пучков в огромных ускорителях частиц высокой энергии, а также во множестве других приложений. Европейский консорциум по сверхпроводности Conectus оценил, что в 2014 году глобальная экономическая деятельность, для которой сверхпроводность была незаменима, составила около пяти миллиардов евро, при этом на системы МРТ приходилось около 80% этой суммы. В 1962 году Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание о том, что сверхток может протекать между двумя кусками сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь известное как эффект Джозефсона, используется в сверхпроводящих устройствах, таких как СКВИДы. Оно применяется в наиболее точных измерениях магнитного потока кванта Φ₀ = h/(2e), где h – постоянная Планка. В сочетании с квантовым сопротивлением Холла это позволяет точно измерить постоянную Планка. За эту работу Джозефсон был удостоен Нобелевской премии в 1973 году. В 2008 году было предложено, что тот же механизм, который обуславливает сверхпроводность, может приводить к состоянию сверхизолятора в некоторых материалах, обладающих почти бесконечным электрическим сопротивлением. Первая разработка и исследование сверхпроводящего конденсата Бозе-Эйнштейна (BEC) в 2020 году позволяют предположить, что существует "плавный переход" между режимами BEC и Бардина-Купера-Шриффера.

The first practical application of superconductivity was developed in 1954 with Dudley Allen Buck's invention of the cryotron. Two superconductors with greatly different values of the critical magnetic field are combined to produce a fast, simple switch for computer elements. Soon after discovering superconductivity in 1911, Kamerlingh Onnes attempted to make an electromagnet with superconducting windings but found that relatively low magnetic fields destroyed superconductivity in the materials he investigated. Much later, in 1955, G. B. Yntema succeeded in constructing a small 0.7 tesla iron core electromagnet with superconducting niobium wire windings. Then, in 1961, J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu, and J. H. Wernick made the startling discovery that, at 4.2 kelvin, niobium–tin, a compound consisting of three parts niobium and one part tin, was capable of supporting a current density of more than 100,000 amperes per square centimeter in a magnetic field of 8.8 tesla. Despite being brittle and difficult to fabricate, niobium–tin has since proved extremely useful in supermagnets generating magnetic fields as high as 20 tesla. In 1962, T. G. Berlincourt and R. R. Hake discovered that more ductile alloys of niobium and titanium are suitable for applications up to 10 tesla. Promptly thereafter, commercial production of niobium–titanium supermagnet wire commenced at Westinghouse Electric Corporation and at Wah Chang Corporation. Although niobium–titanium boasts less impressive superconducting properties than those of niobium–tin, niobium–titanium has, nevertheless, become the most widely used "workhorse" supermagnet material, in large measure a consequence of its very high ductility and ease of fabrication. However, both niobium–tin and niobium–titanium find wide application in MRI medical imagers, bending and focusing magnets for enormous high energy particle accelerators, and a host of other applications. Conectus, a European superconductivity consortium, estimated that in 2014, global economic activity for which superconductivity was indispensable amounted to about five billion euros, with MRI systems accounting for about 80% of that total. In 1962, Josephson made the important theoretical prediction that a supercurrent can flow between two pieces of superconductor separated by a thin layer of insulator. This phenomenon, now called the Josephson effect, is exploited by superconducting devices such as SQUIDs. It is used in the most accurate available measurements of the magnetic flux quantum Φ0 = h/(2e), where h is the Planck constant. Coupled with the quantum Hall resistivity, this leads to a precise measurement of the Planck constant. Josephson was awarded the Nobel Prize for this work in 1973. In 2008, it was proposed that the same mechanism that produces superconductivity could produce a superinsulator state in some materials, with almost infinite electrical resistance. The first development and study of superconducting Bose–Einstein condensate (BEC) in 2020 suggests that there is a "smooth transition between" BEC and Bardeen Cooper Shrieffer regimes.

Высокотемпературная сверхпроводность

До 1986 года физики считали, что теория БКШ запрещает сверхпроводимость при температурах выше примерно 30 К. В том же году Беднорц и Мюллер обнаружили сверхпроводимость в оксиде бария лантана и меди (LBCO) – купратном перовскитном материале на основе лантана, имеющем температуру перехода 35 К (Нобелевская премия по физике, 1987). Жидкий азот можно производить относительно дёшево, даже непосредственно на месте. Более высокие температуры также помогают избежать некоторых проблем, возникающих при температурах жидкого гелия, таких как образование пробок замороженного воздуха, которые могут блокировать криогенные линии и вызывать непредвиденное и потенциально опасное повышение давления. С тех пор было обнаружено множество других купратных сверхпроводников, и теория сверхпроводности в этих материалах остаётся одной из главных нерешённых задач теоретической физики конденсированного состояния. В настоящее время существует две основные гипотезы: теория резонансных валентных связей и флуктуации спина, которая пользуется наибольшей поддержкой в научном сообществе. Вторая гипотеза предполагает, что электронное спаривание в высокотемпературных сверхпроводниках опосредовано спиновыми волнами короткого радиуса действия, известными как парамагноны. В 2008 году Губсер, Хартнолл, Херцог и Хоровиц предложили голографическую сверхпроводимость, использующую голографическую двойственность или теорию соответствия AdS/CFT, как возможное объяснение высокотемпературной сверхпроводимости в некоторых материалах. Примерно с 1993 года самым высокотемпературным сверхпроводником был керамический материал, состоящий из ртути, бария, кальция, меди и кислорода (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) с Tc = 133–138 К. В феврале 2008 года было открыто семейство высокотемпературных сверхпроводников на основе железа. Хидео Хосоно из Токийского технологического института и его коллеги обнаружили оксифтор-железо-арсенид лантана (LaO1−xFxFeAs) – оксипниктид, проявляющий сверхпроводимость ниже 26 К. Замена лантана в LaO1−xFxFeAs на самарий приводит к сверхпроводникам, работающим при 55 К. В 2014 и 2015 годах сероводород (H2S) при чрезвычайно высоких давлениях (около 150 гигапаскалей) был сначала предсказан, а затем экспериментально подтверждён как высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода 80 К. Кроме того, в 2019 году было установлено, что гидрид лантана (LaH10) становится сверхпроводником при 250 К под давлением 170 гигапаскалей. Эффект сверхпроводимости возник в результате закручивания электронов в вихрь между слоями графена, называемый "скирмионами". Эти образования ведут себя как единая частица и могут образовывать пары, преодолевая слои графена, что создаёт базовые условия, необходимые для сверхпроводимости. В 2020 году в журнале Nature была опубликована статья, описывающая сверхпроводник комнатной температуры (критическая температура 288 К), изготовленный из водорода, углерода и серы под давлением около 270 гигапаскалей. Однако в 2022 году статья была отозвана редакцией, поскольку была поставлена под сомнение корректность процедур вычитания фонового сигнала. Все девять авторов утверждают, что исходные данные убедительно подтверждают основные выводы статьи. 31 декабря 2023 года в журнале "Advanced Quantum Technologies" была опубликована статья "Глобальная сверхпроводимость при комнатной температуре в графите", в которой заявляется об обнаружении сверхпроводимости при комнатной температуре и атмосферном давлении в высокоориентированном пиролитическом графите с плотными массивами почти параллельных линейных дефектов.

Until 1986, physicists had believed that BCS theory forbade superconductivity at temperatures above about 30 K. In that year, Bednorz and Müller discovered superconductivity in lanthanum barium copper oxide (LBCO), a lanthanum based cuprate perovskite material, which had a transition temperature of 35 K (Nobel Prize in Physics, 1987). Liquid nitrogen can be produced relatively cheaply, even on site. The higher temperatures additionally help to avoid some of the problems that arise at liquid helium temperatures, such as the formation of plugs of frozen air that can block cryogenic lines and cause unanticipated and potentially hazardous pressure buildup. Many other cuprate superconductors have since been discovered, and the theory of superconductivity in these materials is one of the major outstanding challenges of theoretical condensed matter physics. There are currently two main hypotheses – the resonating valence bond theory, and spin fluctuation which has the most support in the research community. The second hypothesis proposed that electron pairing in high temperature superconductors is mediated by short range spin waves known as paramagnons. In 2008, holographic superconductivity, which uses holographic duality or AdS/CFT correspondence theory, was proposed by Gubser, Hartnoll, Herzog, and Horowitz, as a possible explanation of high temperature superconductivity in certain materials. From about 1993, the highest temperature superconductor known was a ceramic material consisting of mercury, barium, calcium, copper and oxygen (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) with Tc = 133–138 K.

In February 2008, an iron based family of high temperature superconductors was discovered. Hideo Hosono, of the Tokyo Institute of Technology, and colleagues found lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO1−xFxFeAs), an oxypnictide that superconducts below 26 K. Replacing the lanthanum in LaO1−xFxFeAs with samarium leads to superconductors that work at 55 K.

In 2014 and 2015, hydrogen sulfide (H2S) at extremely high pressures (around 150 gigapascals) was first predicted and then confirmed to be a high temperature superconductor with a transition temperature of 80 K. Additionally, in 2019 it was discovered that lanthanum hydride (LaH10) becomes a superconductor at 250 K under a pressure of 170 gigapascals. The superconductivity effect came about as a result of electrons twisted into a vortex between the graphene layers, called "skyrmions". These act as a single particle and can pair up across the graphene's layers, leading to the basic conditions required for superconductivity. In 2020, a room temperature superconductor (critical temperature 288 K) made from hydrogen, carbon and sulfur under pressures of around 270 gigapascals was described in a paper in Nature. However, in 2022 the article was retracted by the editors because the validity of background subtraction procedures had been called into question. All nine authors maintain that the raw data strongly support the main claims of the paper. On 31 December 2023 "Global Room Temperature Superconductivity in Graphite" was published in the journal "Advanced Quantum Technologies" claiming to demonstrate superconductivity at room temperature and ambient pressure in Highly oriented pyrolytic graphite with dense arrays of nearly parallel line defects.

Приложения

Сверхпроводники являются перспективными материалами для создания фундаментальных элементов электронных, спинтронных и квантовых технологий. Одним из таких примеров является сверхпроводящий диод, в котором сверхток протекает только в одном направлении, что открывает возможности для бездиссипативных сверхпроводящих и гибридных сверхпроводяще-полупроводниковых технологий. Сверхпроводящие магниты – одни из самых мощных электромагнитов, известных на сегодняшний день. Они используются в аппаратах МРТ/ЯМР, масс-спектрометрах, магнитах для управления пучком в ускорителях частиц и магнитах для удержания плазмы в некоторых токамаках. Они также могут применяться для магнитной сепарации, когда слабомагнитные частицы извлекаются из фона менее или немагнитных частиц, например, в пигментной промышленности. Их также используют в крупных ветровых турбинах для преодоления ограничений, связанных с высокими электрическими токами; в Дании успешно испытан промышленный ветрогенератор мощностью 3,6 МВт на основе сверхпроводников. В 1950-х и 1960-х годах сверхпроводники применялись для создания экспериментальных цифровых компьютеров с использованием криотронных переключателей. В последнее время сверхпроводники используются для изготовления цифровых схем на основе технологии быстрого одиночного квантового потока, а также радиочастотных и микроволновых фильтров для базовых станций сотовой связи. Сверхпроводники применяются для создания джозефсоновских переходов, являющихся строительными блоками СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств) – самых чувствительных магнитометров, известных на данный момент. СКВИДы используются в сканирующих СКВИД-микроскопах и магнитоэнцефалографии. Последовательности джозефсоновских устройств используются для реализации эталона вольта СИ. Сверхпроводящие фотонные детекторы могут быть реализованы в различных конструкциях. В зависимости от режима работы, джозефсоновский переход «сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник» может использоваться как фотодетектор или как смеситель. Значительное изменение сопротивления при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние используется для создания термометров в криогенных микрокалориметрах для регистрации фотонов. Тот же эффект применяется в сверхчувствительных болометрах, изготовленных из сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы одиночных фотонов обеспечивают высокую скорость и низкий уровень шума, и широко используются в передовых приложениях для подсчета фотонов. Появляются и другие перспективные рынки, где относительная эффективность, размер и вес устройств на основе высокотемпературной сверхпроводности перевешивают дополнительные затраты. Например, в ветровых турбинах меньший вес и объем сверхпроводящих генераторов могут привести к экономии на строительстве и стоимости башни, компенсируя более высокую стоимость генератора и снижая общую приведенную стоимость электроэнергии (LCOE). К перспективным будущим применениям относятся интеллектуальные сети нового поколения, передача электроэнергии, трансформаторы, устройства накопления энергии, компактные установки для термоядерного синтеза, электродвигатели (например, для движения транспортных средств, таких как вактрены или поезда на магнитной подушке), устройства магнитной левитации, ограничители тока короткого замыкания, улучшение спинтронных устройств с использованием сверхпроводящих материалов и сверхпроводящее магнитное охлаждение. Однако сверхпроводнимость чувствительна к перемещающимся магнитным полям, поэтому разработка устройств, использующих переменный ток (например, трансформаторов), будет сложнее, чем устройств, работающих на постоянном токе. По сравнению с традиционными линиями электропередачи, сверхпроводящие линии передачи более эффективны и требуют значительно меньше места, что не только улучшит экологические показатели, но и может повысить общественное признание расширения электросети. Еще одним привлекательным промышленным аспектом является возможность передачи большой мощности при более низких напряжениях. Улучшение эффективности систем охлаждения и использование недорогих хладагентов, таких как жидкий азот, также значительно снизили затраты на охлаждение, необходимые для сверхпроводности.

Superconductors are promising candidate materials for devising fundamental circuit elements of electronic, spintronic, and quantum technologies. One such example is a superconducting diode, in which supercurrent flows along one direction only, that promise dissipationless superconducting and semiconducting superconducting hybrid technologies. Superconducting magnets are some of the most powerful electromagnets known. They are used in MRI/NMR machines, mass spectrometers, the beam steering magnets used in particle accelerators and plasma confining magnets in some tokamaks. They can also be used for magnetic separation, where weakly magnetic particles are extracted from a background of less or non magnetic particles, as in the pigment industries. They can also be used in large wind turbines to overcome the restrictions imposed by high electrical currents, with an industrial grade 3.6 megawatt superconducting windmill generator having been tested successfully in Denmark. In the 1950s and 1960s, superconductors were used to build experimental digital computers using cryotron switches. More recently, superconductors have been used to make digital circuits based on rapid single flux quantum technology and RF and microwave filters for mobile phone base stations. Superconductors are used to build Josephson junctions which are the building blocks of SQUIDs (superconducting quantum interference devices), the most sensitive magnetometers known. SQUIDs are used in scanning SQUID microscopes and magnetoencephalography. Series of Josephson devices are used to realize the SI volt. Superconducting photon detectors can be realised in a variety of device configurations. Depending on the particular mode of operation, a superconductor–insulator–superconductor Josephson junction can be used as a photon detector or as a mixer. The large resistance change at the transition from the normal to the superconducting state is used to build thermometers in cryogenic micro calorimeter photon detectors. The same effect is used in ultrasensitive bolometers made from superconducting materials. Superconducting nanowire single photon detectors offer high speed, low noise single photon detection and have been employed widely in advanced photon counting applications. Other early markets are arising where the relative efficiency, size and weight advantages of devices based on high temperature superconductivity outweigh the additional costs involved. For example, in wind turbines the lower weight and volume of superconducting generators could lead to savings in construction and tower costs, offsetting the higher costs for the generator and lowering the total levelized cost of electricity (LCOE). Promising future applications include high performance smart grid, electric power transmission, transformers, power storage devices, compact fusion power devices, electric motors (e. g. for vehicle propulsion, as in vactrains or maglev trains), magnetic levitation devices, fault current limiters, enhancing spintronic devices with superconducting materials, and superconducting magnetic refrigeration. However, superconductivity is sensitive to moving magnetic fields, so applications that use alternating current (e. g. transformers) will be more difficult to develop than those that rely upon direct current. Compared to traditional power lines, superconducting transmission lines are more efficient and require only a fraction of the space, which would not only lead to a better environmental performance but could also improve public acceptance for expansion of the electric grid. Another attractive industrial aspect is the ability for high power transmission at lower voltages. Advancements in the efficiency of cooling systems and use of cheap coolants such as liquid nitrogen have also significantly decreased cooling costs needed for superconductivity.