На уровне квантов: кто смог объяснить механизм возникновения сверхпроводимости

Долгое время ученые не могли понять и описать механизм возникновения сверхпроводимости. Только в начале 1950-х годов советские физики Виталий Гинзбург и Лев Ландау сделали самый первый шаг, описав формулами взаимосвязь между явлением и сопряженными с ним эффектами.

В 1957 году американцы Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер разработали теорию, которую сегодня принято обозначать аббревиатурой БКШ (по первым буквам фамилий авторов) — через 15 лет они получили за нее Нобелевскую премию.

Они предположили, что за сверхпроводимость отвечает так называемая куперовская пара — два электрона, находящиеся в связанном состоянии на уровне действия квантовой механики; своего рода электронная молекула.

«Гроб Магомета»: как предание помогло ученым в демонстрации сверхпроводимости

Электроны сами по себе не могут образовать связанное состояние — этому препятствует сила отталкивания одноименных зарядов. Нужен посредник, чтобы отталкивание сменилось притяжением.

Примером посредника может служить ядро гелия, которое удерживает два электрона на близком расстоянии друг от друга, потому что их притяжение к положительно заряженному ядру оказывается больше, чем отталкивание друг от друга.

Посредник, объединяющий два электрона в куперовскую пару, — это фонон (квант энергии тепловых колебаний атомов в твердом теле). Допустим, два электрона сближаются, двигаясь сквозь атомную решетку вещества.

Один из них испускает фонон и начинает двигаться в другом направлении; второй поглощает фонон и изменяет свой импульс на ту же величину, направленную в противоположную сторону, так что оба электрона теперь разлетаются. Пара остается невредимой, однако связанной через фонон.

В сверхпроводнике все свободные электроны «спариваются» подобным образом после достижения критической температуры. В конечном итоге проводник обретает принципиально новые свойства.

Проводя грубую аналогию, можно сказать, что если электроны в металле похожи на молекулы газа, которые перемещаются хаотически и независимо, то в сверхпроводнике они похожи на молекулы внутри кристалла — настолько сильно взаимосвязаны друг с другом, что могут двигаться только как единое целое.

Теперь легко понять, почему электроток в сверхпроводнике течет, не испытывая сопротивления. При нормальных условиях оно возникает как результат рассеяния свободных электронов, но при достижении критической температуры исчезает, ведь ток начинают переносить куперовские пары, которые перемещаются согласованно и с одинаковой скоростью.

Антон Первушин