Открытие сверхпроводимости и сверхтекучести. Куперовские пары

Поразительный эффект резкого спадания сопротивления ртути до нуля при температуре, близкой к абсолютному нулю, был открыт голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (1853–1926) в 1911 году. Он первым в истории достиг перехода гелия в жидкое состояние, который происходит при атмосферном давлении при температуре . В своей криогенной лаборатории он занимался изучением зависимости электрического сопротивления металлов от температуры: согласно классическим представлениям, оно должно было плавно падать вместе с понижением температуры, но при очень низких температурах возрастать из-за «вмораживания» электронов в кристаллическую решетку. Действительно, в классике средняя кинетическая энергия свободных электронов должна быть пропорциональна температуре и поэтому становиться равной нулю при нуле кельвин. Однако при сверхнизких температурах этого не наблюдалось — наоборот, налицо был фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

По современным представлениям, сформулированным в теории Бардина–Купера–Шриффера (БКШ) в 1956 году, сверхпроводимость — это макроскопический квантово-статистический эффект, возникающий из-за образования так называемых куперовских пар. Куперовские пары — это связанные состояния двух электронов, которые возникают в результате специфического взаимодействия электронов и колебательных возбуждений кристаллической решетки — фононов. Существенной особенностью куперовских пар является их нулевой суммарный спин (спины двух электронов компенсируются), поэтому на них не распространяется принцип запрета Паули. В результате куперовские пары могут накапливаться в низшем энергетическом состоянии, соответствующем нулевому импульсу, образуя так называемый бозе-эйнштейновский конденсат. Частицы конденсата не могут обмениваться энергией с остальными электронами и с ионами кристаллической решетки, поскольку это запрещают законы сохранения энергии и импульса. В итоге мы получаем жидкость, состоящую из куперовских пар и способную перемещаться сквозь кристаллическую решетку без потерь энергии.

Сверхтекучесть была открыта в 1938 году Петром Леонидовичем Капицей (1894–1984) в жидком гелии-3 при температурах ниже . Ядра гелия-3, в отличие от гелия-4, обладают спином ; таким же спином обладает и атом изотопа . Из-за своего полуцелого спина, как показал Лев Ландау в своей теории сверхтекучести (1941), атомы гелия-3 способны образовывать куперовские пары подобно электронам в сверхпроводнике. Эти пары образуют конденсат, что приводит к отсутствию в сверхтекучем гелии вязкого трения. Более того, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронной жидкости: течение последней сквозь кристаллическую решетку не подвержено потерям на трение, которые воспринимаются как джоулево тепло. А отсутствие выделения джоулева тепла в неподвижном проводнике с током говорит о его нулевом сопротивлении.

Первооткрыватели сверхпроводимости и сверхтекучести, а также авторы теорий этих явлений были удостоены в общей сложности четырех Нобелевских премий по физике: Камерлинг-Оннес — в 1913 году, Капица — в 1978 году, Бардин, Купер и Шриффер — в 1972 году, а Ландау — в 1962-м.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>