Открытие явления сверхпроводимости произошло на заре физики низких температур.
В 1908 году в Лейдене (Голландия) Каммерлинг-Оннесу удалось впервые получить некоторое количество жидкого гелия, бесцветной жидкости последнего, не сжиженного до тех пор газа. Тем самым перед исследователем открылась новая область температур, лежащая в непосредственной близости от абсолютного нуля.
Одной из проблем, которой занимался Каммерлинг-Оннес, было исследование сопротивления металлов. В то время этот вопрос был совершенно неясен, так как на основании имевшихся данных можно было предположить любой характер его изменения вблизи 0° К. Первые опыты, проведенные с платиной и золотом, как будто показали, что в области гелиевых температур ничего особенного не происходит. Сопротивление от 4,2 до 2° К вообще не менялось с температурой. Эта не меняющаяся с температурой часть сопротивления, так называемое остаточное сопротивление, зависела от загрязнений образца. Чем больше в образце было примесей, тем больше становилось и его сопротивление. Казалось, что интересные результаты если и можно было получить, то только исследуя металл предельной чистоты. В то время лучше всего умели, очищать ртуть. И вот началось исследование этого металла.
Первый же опыт привел к неожиданным результатам. При охлаждении образца ниже 4,2° К его сопротивление внезапно исчезло. Однако исчезновение сопротивления наблюдалось у всех, даже загрязненных примесями образцов. Стало ясно, что это было совершенно новое состояние металла, которое Каммерлннг-Оннес назвал сверхпроводящим.
Сверхпроводимость — свойство не одной ртути. Вслед за ртутью это явление было обнаружено у свинца, олова, таллия и ряда других металлов.
В настоящее время известны 24 чистых металла, способных переходить в это состояние. При этом у двух — висмута и бериллия — сверхпроводимость наблюдается лишь в кристаллической модификации, неустойчивой при комнатной температуре. У остальных металлов (их около 50) сверхпроводимость до сих пор не обнаружена. Помимо чистых металлов, сверхпроводимость наблюдается у многих сплавов и химических соединений. При этом у химических соединений чаете ни одна т компонентов не является сверхпроводящей, например CuS, CoSi2.
Каждый из сверхпроводников переходит в сверхпроводящее состояние при своей строго определенной, так называемой критической, температуре. Это не очень высокие температуры, порядка нескольких градусов Кельвина. Максимально высокая температура в настоящее время обнаружена у сплавов V3Si, NbSn3, но и она составляет всего лишь 17—18° К.
Явление полного исчезновения сопротивления кажется настолько удивительным и противоречащим всем известным представлениям, что еще долгое время после этого открытия делались попытки обнаружить хотя бы следы сопротивления у сверхпроводников. Для этого были использованы всевозможные методы, наиболее точный из которых так называемый метод сверхпроводящего кольца. Идея этого метода такова. Если изменить магнитный поток, пронизывающий металлическое кольцо, то по законам электромагнитной индукции в нем возбудится ток. В обычных металлах из-за наличия сопротивления этот наведенный ток со временем быстро затухает. Например, в колечке диаметром около 1 см из тонкой медной проволоки, охлажденном до гелиевых температур, ток уменьшается в десятки раз за какие-то доли секунды. Когда же подобный опыт был проведен с колечком из сверхпроводника, то исследователи не смогли заметить какого-нибудь уменьшения величины тока, хотя некоторые наблюдения продолжались днями. Пока образец оставался охлажденным до температуры ниже критической, ток в кольце не затухал. Исследователям не удавалось заметить следов сопротивления. Ток тек по сверхпроводнику без выделения тепла.
Отсутствие сопротивления току открывало, как казалось на первый взгляд, заманчивые перспективы применения сверхпроводников. Например, кабель из сверхпроводника, казалось бы, можно использовать для передачи сколь угодно большого по величине тока без потери мощности; свернув из такого кабеля катушку, можно было надеяться получать колоссальные магнитные поля. Однако работы, предпринятые в этом направлении, показали беспочвенность подобных проектов. Оказалось, что сопротивление сверхпроводника равно нулю лишь пока ток, текущий по образцу, не слишком велик или пока магнитное поле, в котором находится образец, меньше некоторой критической величины. Начиная о этой величины тока или магнитного поля, в образце появляется сопротивление, сверхпроводимость исчезает. Исчезновение сверхпроводимости происходит в магнитных полях» обычно меньше тысячи эрстед. Если же сверхпроводник находится в поле, меньшем критического, то поле не проникает в толщу металла, магнитные силовые линии, как бы обтекают образец.
Все эти свойства были установлены уже на первом этапе исследования сверхпроводимости. Однако они не привели тогда к появлению теории, способной объяснить это явление, Рождение теории произошло спустя много лет, когда экспериментальное исследование сверхпроводимости было в основном завершено. Так, было обнаружено, что в сверхпроводнике лишь часть электронов движется по металлу без сопротивления. Количество этих электронов — «сверхпроводящих электронов» изменяется с температурой. Если вблизи абсолютного нуля это практически все электроны, то по мере приближения к критической температуре их становится все меньше и меньше. Остальные электроны — «нормальные электроны» испытывают сопротивление при движении в металле; движение их по решетке сопровождается выделением тепла. Наличие «нормальных электронов», конечно, не проявляется во время измерения сопротивления образцов при помощи постоянного тока.
В ходе этих измерений действие на них электрического поля полностью экранируется электронами, движущимися без сопротивления. Однако их присутствие проявляется, если проводить измерения при помощи тока столь высокой частоты, что движение электронов будет определяться не только их столкновениями с искажениями решетки, но и их инерцией. В этом случае вместо скачкообразного исчезновения сопротивления при критической температуре наблюдается его постепенное уменьшение по мере понижения температуры. Уменьшение тем более плавное, чем выше частота, на которой проводится измерение сопротивления.
Между явлениями сверхпроводимости электронов и сверхтекучести гелия можно подметить много общего. Как сверхтекучий гелий течет без трения, так и сверхпроводящие электроны движутся через решетку без сопротивления, не обмениваясь с нею энергией. Как появляющиеся в гелии квазичастицы не обладают сверхтекучестью, так и нормальные электроны не обладают сверхпроводимостью. Все это позволяет говорить о сверхпроводимости как о сверхтекучести электронной жидкости, не забывая, конечно, при этом, что эта жидкость «налита» в кристаллической решетке. Естественно ожидать, что и энергетический спектр квазичастиц в сверхпроводнике и в сверхтекучем гелии примерно одинаков. В сверхпроводнике с квазичастицами отождествляются нормальные электроны. Это, однако, не укладывалось в привычные представления. Дело в том, что по характеру появления возбуждений коллектив электронов в металле должен был бы скорее быть сходным с жидкостью из легкого изотопа гелия He3, не обладающего сверхтекучестью, чем с сверхтекучей жидкостью из тяжелого изотопа гелия He4. Для объяснения сверхпроводимости необходимо было предположить наличие какого-то кардинального изменения всех свойств коллектива электронов.
Что это за изменения, почему они имеют место лишь у некоторых металлов — сверхпроводников, какие взаимодействия вызывают эти изменения, — вот основные вопросы, волновавшие исследователей. Уж очень казалось удивительным, что, кроме явлений, непосредственно связанных с наличием «сверхпроводящих электронов», с металлом не происходит решительно никаких изменений. Картина дифракции рентгеновых лучей имела один и тот же вид как выше, так и ниже критической температуры, что указывало на неизменность кристаллической решетки при переходе. Не изменились при переходе поглощение медленных и быстрых электронов, рассеяние нейтронов, фотоэлектрические свойства.
При опытах пытались приготовить из сверхпроводника столь тонкую пленку, чтобы она, сохраняя еще металлический характер проводимости, потеряла бы способность переходить в сверхпроводящее состояние. Но оказалось, что такая пленка, даже если она состоит всего лишь из 3—4 атомных слоев, переходит в сверхпроводящее состояние. Правда, было замечено, что критическая температура и критическое магнитное поле несколько изменяется при сильном сдавливании сверхпроводников. Но все эти опыты не давали ответа на основной вопрос: достаточно ли для объяснения сверхпроводимости рассматривать взаимодействие электронов друг с другом или в этом явлении существенно взаимодействие электронов с решеткой. В каких же опытах следовало искать ответа на этот вопрос?
Изменение кристаллической модификации — это слишком уж сильное изменение свойств решетки. Можно было еще попытаться сопоставить свойства сверхпроводников, в которых атомы решетки отличаются друг от друга своим весом. Такие измерения были проведены и показали, что критические температуры этих образцов различны. Более того, было обнаружено, что у всех исследованных металлов связь между критической температурой и изотопическим весом образца одинакова. Открытие этого эффекта уже определенно показывало, что решить проблему сверхпроводимости можно только с учетом взаимодействия электронов с решеткой.
Хотя влияние изотопического состава на критическую температуру было обнаружено еще в 1950 году, достаточно законченная теория явления появилась лишь спустя 7 лет. Трудность проблемы заключалась прежде всего в том, что необходимо было объяснить изменение энергии электронных состояний на величину порядка нескольких градусов, тогда как сама эта энергия у электронов соответствует тысячам градусов. Кроме того, требовалось понять, каким образом у частиц, которыми являются электроны, может появиться спектр возбуждений, сходный со спектром He4. Ведь только при этом типе спектра жидкость может обладать сверхтекучестью или сверхпроводимостью.
Теоретическое решение проблемы сверхпроводимости было найдено советским ученым Н. Н. Боголюбовым с сотрудниками и американскими физиками Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Р. Шриффером. В основу теории были положены идеи о необходимости учета взаимодействия электронов, возникающего через колебания решетки. Это взаимодействие типично квантового характера и не имеет какого-нибудь аналога в классической физике. В результате этого на электроны металла, помимо кулоновских сил отталкивания, действуют также силы притяжения.
Если силы притяжения преобладают, то электроны, лежащие вблизи граничной энергии, образуют связанные пары. Конечно, этот эффект неразделим со всем «коллективом» электронов и двум отдельно взятым электронам несвойственен, так же как квазичастицы неотделимы от среды, в которой они возникают. Тем самым в этом случае мы имеем дело как бы с совокупностью электронных пар — «коллективом» таких же «частиц», как He4. Такой коллектив, как уже отмечалось, может обладать свойством сверхтекучести или сверхпроводимости. Тем самым, согласно этим представлениям, сверхпроводимость имеет место у металлов, у которых притяжение преобладает над эффектом кулоновского отталкивания. Энергия притяжения между электронами не велика — много меньше энергии, соответствующей наибольшему кванту колебаний кристаллической решетки. С этим связана столь низкая критическая температура сверхпроводников.
Таким образом оказалось, что коллектив из одних и тех же частиц — электронов, в зависимости от величины сил взаимодействия может обладать как свойствами жидкости сверхтекучего He4, так и несверхтекучей жидкости из легкого изотопа — гелия He3.
После решения основной проблемы о причинах появления сверхпроводимости не представляло особых затруднений и рассмотрение их различных свойств. По теоретической модели были рассчитаны тепловые, высокочастотные, магнитные и другие свойства сверхпроводников. Результаты этого расчета оказывались всегда в удовлетворительном качественном согласии с данными экспериментальных исследований. Полного количественного соответствия здесь было трудно ожидать, так как в теории рассматривалась модель некоторого идеального сверхпроводника, от которой реальные металлы существенно отличаются.
Сверхпроводимость электронов является наглядным примером, как иногда наличие слабых взаимодействий приводит к коренному изменению всех свойств «коллектива» частиц. Важность решения этой проблемы, конечно, не ограничивается объяснением явления сверхпроводимости. Так, высказываются соображения, что структура ядерной материи в какой-то степени подобна электронной структуре сверхпроводящего металла. И возможно, что решение проблемы сверхпроводимости приведет к разрешению проблем строения атомного ядра.