Сверхпроводимость: когда ток течёт без сопротивления

Сверхпроводимость — состояние, в котором электрическое сопротивление падает до нуля. Открыл её Хейке Камерлинг-Оннес в 1911 на ртути, охлаждённой до 4,2 К. За 110 лет наука прошла огромный путь, но главные тайны до сих пор не разгаданы.

Критическая температура

Материал становится сверхпроводником ниже своей критической температуры T_c. Для обычных сверхпроводников — ниже 30 К.

Теория БКШ (1957)

Бардин, Купер, Шриффер объяснили: при низких температурах электроны образуют "куперовские пары". Электрон искажает решётку, притягивая другой. Пары движутся когерентно, без рассеяния. За это — Нобелевская премия 1972.

Эффект Мейснера

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле. Магнит может левитировать над сверхпроводником. Эффектный физический эксперимент, лёгкий в воспроизведении.

Высокотемпературная

1986: Беднорц и Мюллер открывают керамический сверхпроводник YBCO с T_c = 93 К — выше температуры жидкого азота. Нобелевская 1987. Механизм БКШ тут не работает — до сих пор нет общепринятой теории.

Комнатная температура

• 2015: H₂S под высоким давлением, T_c = 203 К
• 2020: углеродистый гидрид серы, T_c = 287 К при огромном давлении. Работа Диаса, позже отозвана из-за подозрений в подделке данных
• 2023: LK-99, корейское открытие, широкий резонанс, не воспроизвелось

Комнатная сверхпроводимость при нормальном давлении — грааль физики материалов.

Применения

• МРТ: сверхпроводящие магниты. Медицина не существовала бы в нынешнем виде
• Ускорители частиц: LHC — 9600 сверхпроводящих магнитов
• Токамаки: магнитное удержание плазмы для термояда
• Маглев-поезда: Япония, Китай, поезда на магнитной подушке
• SQUID: измерение слабейших магнитных полей, до 10⁻¹⁵ Тл
• Квантовые компьютеры: кубиты на основе сверхпроводящих контуров

Ограничения

• Нужны криогенные системы — дорого, сложно
• Высокое магнитное поле разрушает сверхпроводимость
• Керамика хрупка, механически сложна в применении

Почему важно

Если будет комнатная сверхпроводимость при нормальных условиях: беспотерьная передача электроэнергии, дешёвый термояд, миниатюрный MRI, революция в электронике. Это одна из самых желанных технологий XXI века.