Суперпроводност

Суперпроводљивост (суперпроводност) је скуп физичких својстава уочених код суперпроводника: материјала где електрични отпор нестаје, а магнетно поље бива истиснуто из материјала. За разлику од обичног металног проводника, чији се отпор постепено смањује како се његова температура снижава, чак и близу апсолутне нуле, суперпроводник има карактеристичну критичну температуру испод које отпор нагло пада на нулу.^[1][2] Електрична струја кроз петљу од суперпроводне жице може трајати неограничено без извора напајања.^[3][4][5][6]

Високотемпературни суперпроводник лебди изнад магнета. Постојана електрична струја тече по површини суперпроводника, делујући тако да истискује магнетно поље магнета (Мајснеров ефекат). Ова струја ефективно формира електромагнет који одбија магнет.

Феномен суперпроводљивости открио је 1911. године холандски физичар Хејке Камерлинг Онес. Као и феромагнетизам и атомске спектралне линије, суперпроводљивост је феномен који се може објаснити једино квантном механиком. Карактерише га Мајснеров ефекат, потпуно поништавање магнетног поља у унутрашњости суперпроводника током његовог преласка у суперпроводно стање. Појава Мајснеровог ефекта указује на то да се суперпроводљивост не може разумети једноставно као идеализација савршене проводљивости у класичној физици.

Године 1986. откривено је да неки купратно-перовскитски керамички материјали имају критичну температуру изнад 35 K (−238 °C).^[7] Убрзо је откривено (од стране Чинг-Ву Чуа) да замена лантана итријумом, тј. прављење YBCO-а, подиже критичну температуру на 92 K (−181 °C), што је било важно јер се течни азот тада могао користити као расхладно средство. Тако висока температура прелаза теоретски је немогућа за конвенционални суперпроводник, због чега су ови материјали названи високотемпературни суперпроводници. Јефтино доступно расхладно средство течни азот кључа на 77 K (−196 °C), те постојање суперпроводљивости на вишим температурама од ове омогућава многе експерименте и примене које су мање практичне на нижим температурама.

Историја

Главни чланак: Историја суперпроводљивости

Временска линија суперпроводних материјала. Боје представљају различите класе материјала:

•   BCS (тамнозелени круг)
•   На бази тешких фермиона (светлозелена звезда)
•   Купрат (плави дијамант)
•   На бази бакминстерфулерена (љубичасти обрнути троугао)
•   Угљенични-алотроп (црвени троугао)
•   На бази гвожђа-пниктогена (наранџасти квадрат)
•   Стронцијум рутенат (сиви петоугао)
•   На бази никла (ружичаста шестокрака звезда)

Хејке Камерлинг Онес (десно), проналазач суперпроводљивости. Паул Еренфест, Хендрик Лоренц, Нилс Бор стоје са његове леве стране.

Суперпроводљивост је открио 8. априла 1911. године Хејке Камерлинг Онес, који је проучавао отпор чврсте живе на криогеним температурама користећи недавно произведени течни хелијум као расхладно средство.^[8] На температури од 4,2 K, приметио је да је отпор нагло нестао.^[9] У истом експерименту, такође је приметио суперфлуидни прелаз хелијума на 2,2 K, не препознајући његов значај. Тачан датум и околности открића реконструисани су тек век касније, када је пронађена Онесова бележница.^[10] У наредним деценијама, суперпроводљивост је примећена и у неколико других материјала. Године 1913. откривено је да олово постаје суперпроводно на 7 K, а 1941. да ниобијум нитрид постаје суперпроводан на 16 K.

Велики напори су уложени у откривање како и зашто суперпроводљивост функционише; важан корак догодио се 1933. године, када су Мајснер и Оксенфелд открили да суперпроводници истискују примењена магнетна поља, феномен који је постао познат као Мајснеров ефекат.^[11] Године 1935, Фриц Лондон и Хајнц Лондон показали су да је Мајснеров ефекат последица минимизације електромагнетне слободне енергије коју носи суперпроводна струја.^[12]

Лондонове конститутивне једначине

Теоретски модел који је први пут осмишљен за суперпроводљивост био је потпуно класичан: сажет је у Лондоновим конститутивним једначинама. Предложила су га браћа Фриц и Хајнц Лондон 1935. године, убрзо након открића да се магнетна поља истискују из суперпроводника. Велики успех једначина ове теорије је њихова способност да објасне Мајснеров ефекат,^[11] где материјал експоненцијално истискује сва унутрашња магнетна поља док прелази суперпроводни праг. Коришћењем Лондонове једначине, може се добити зависност магнетног поља унутар суперпроводника од удаљености од површине.^[13]

Две конститутивне једначине за суперпроводник по Лондону су:

$${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {j} }{\partial t}}={\frac {ne^{2}}{m}}\mathbf {E} ,\qquad \mathbf {\nabla } \times \mathbf {j} =-{\frac {ne^{2}}{m}}\mathbf {B} .}$$

Прва једначина следи из Другог Њутновог закона за суперпроводне електроне.

Конвенционалне теорије (1950-их)

Током 1950-их, теоријски физичари кондензоване материје дошли су до разумевања „конвенционалне“ суперпроводљивости, кроз пар изузетних и важних теорија: феноменолошке Гинзбург-Ландауове теорије (1950) и микроскопске БКШ теорије (1957).^[14][15]

Године 1950. феноменолошку Гинзбург-Ландауову теорију суперпроводљивости осмислили су Ландау и Гинзбург.^[16] Ова теорија, која је комбиновала Ландауову теорију фазних прелаза другог реда са Шредингеровом таласном једначином, имала је велики успех у објашњавању макроскопских својстава суперпроводника. Конкретно, Алексеј Абрикосов је показао да Гинзбург-Ландауова теорија предвиђа поделу суперпроводника у две категорије које се данас називају Тип I и Тип II. Абрикосов и Гинзбург су добили Нобелову награду 2003. године за свој рад (Ландау је добио Нобелову награду 1962. за други рад и преминуо 1968). Четвородимензионално проширење Гинзбург-Ландауове теорије, Колман-Вајнбергов модел, важан је у квантној теорији поља и космологији.

Такође 1950. године, Максвел и Рејнолдс и др. открили су да критична температура суперпроводника зависи од изотопске масе саставног елемента.^[17][18] Ово важно откриће указало је на интеракцију електрон–фонон као микроскопски механизам одговоран за суперпроводљивост.

Комплетну микроскопску теорију суперпроводљивости коначно су предложили 1957. године Џон Бардин, Лион Купер и Џон Роберт Шрифер.^[15] Ова БКШ теорија објаснила је суперпроводну струју као суперфлуид Куперових парова, парова електрона који интерагују путем размене фонона. За овај рад, аутори су добили Нобелову награду 1972. године.

БКШ теорија је постављена на чвршће темеље 1958. године, када је Николај Богољубов показао да се БКШ таласна функција, која је првобитно изведена из варијационог аргумента, може добити коришћењем канонске трансформације електронског хамилтонијана.^[19] Године 1959. Лев Горков је показао да се БКШ теорија своди на Гинзбург-Ландауову теорију близу критичне температуре.^[20][21]

Генерализације БКШ теорије за конвенционалне суперпроводнике чине основу за разумевање феномена суперфлуидности, јер спадају у класу универзалности ламбда прелаз. У којој мери се такве генерализације могу применити на неконвенционалне суперпроводнике још увек је контроверзно.

Ниобијум

Прва практична примена суперпроводљивости развијена је 1954. године проналаском криотона од стране Дадлија Алена Бака.^[22] Два суперпроводника са веома различитим вредностима критичног магнетног поља комбинују се да би се произвео брз, једноставан прекидач за рачунарске елементе.

Убрзо након открића суперпроводљивости 1911. године, Камерлинг Онес је покушао да направи електромагнет са суперпроводним намотајима, али је открио да релативно ниска магнетна поља уништавају суперпроводљивост у материјалима које је истраживао. Много касније, 1955. године, Г. Б. Интема^[23] успео је да конструише мали електромагнет са гвозденим језгром од 0,7 тесла са суперпроводним намотајима од ниобијумске жице. Затим, 1961. године, Ј. Е. Кунцлер, Е. Билер, Ф. С. Л. Хсу и Ј. Х. Верник^[24] дошли су до запањујућег открића да је на 4,2 келвина ниобијум-калај, једињење које се састоји од три дела ниобијума и једног дела калаја, способно да подржи густину струје већу од 100.000 ампера по квадратном центиметру у магнетном пољу од 8,8 тесла. Легура је била крта и тешка за производњу, али се ниобијум-калај показао корисним за генерисање магнетних поља до 20 тесла.

Године 1962, Т. Г. Берлинкурт и Р. Р. Хаке^[25][26] открили су да су дуктилније легуре ниобијума и титанијума погодне за примене до 10 тесла. Комерцијална производња ниобијум-титанијумске супермагнетне жице одмах је започела у Вестингхаус Електрик Корпорацији и у Вах Чанг Корпорацији. Иако ниобијум-титанијум има мање импресивна суперпроводна својства од ниобијум-калаја, постао је најшире коришћени „радни коњ“ међу супермагнетним материјалима, у великој мери због своје веома високе дуктилности и лакоће израде. Међутим, и ниобијум-калај и ниобијум-титанијум нашли су широку примену у медицинским уређајима за магнетну резонанцу, магнетима за савијање и фокусирање у огромним високоенергетским акцелераторима честица и другим апликацијама. Конектус, европски конзорцијум за суперпроводљивост, проценио је да је 2014. године глобална економска активност за коју је суперпроводљивост била неопходна износила око пет милијарди евра, при чему су МРИ системи чинили око 80% тог укупног износа.

Џозефсонов ефекат

Године 1962, Џозефсон је дао важно теоријско предвиђање да суперструја може тећи између два дела суперпроводника раздвојена танким слојем изолатора.^[27] Овај феномен, данас назван Џозефсонов ефекат, користе суперпроводни уређаји као што су SQUID-ови. Користи се у најтачнијим доступним мерењима кванта магнетног флукса Φ₀ = h/(2e), где је h Планкова константа. У комбинацији са квантним Холовим отпором, ово води до прецизног мерења Планкове константе. Џозефсон је добио Нобелову награду за овај рад 1973. године.^[28]

Године 2008. предложено је да би исти механизам који производи суперпроводљивост могао произвести стање суперизолатора у неким материјалима, са готово бесконачним електричним отпором.^[29] Први развој и проучавање суперпроводног Бозе-Ајнштајновог кондензата (БЕК) 2020. године сугерисало је „глатки прелаз између“ БЕК и Бардин-Купер-Шриферових режима.^[30][31]

2Д материјали

Више врста суперпроводљивости је пријављено у уређајима направљеним од једнослојних материјала. Неки од ових материјала могу се пребацивати између проводног, изолационог и других понашања.^[32] Увртање материјала даје им моаре образац који укључује поплочане хексагоналне ћелије које се понашају као атоми и угошћују електроне. У овом окружењу, електрони се крећу довољно споро да њихове колективне интеракције усмеравају њихово понашање. Када свака ћелија има један електрон, електрони заузимају антиферомагнетни распоред; сваки електрон може имати преферирану локацију и магнетну оријентацију. Њихова интринзична магнетна поља теже да се смењују између усмерења нагоре и надоле. Додавање електрона омогућава суперпроводљивост изазивањем формирања Куперових парова. Фу и Шраде су тврдили да је интеракција електрон-електрон омогућавала и антиферомагнетна и суперпроводна стања.^[33]

Први успех са 2Д материјалима укључивао је уврнути двослојни графенски лист (2018, Тц ~1,7 К, угао од 1,1°). Касније је показано да уврнути трослојни графенски уређај постаје суперпроводан (2021, Тц ~2,8 К). Затим је пријављено да неуврнути трослојни графенски уређај постаје суперпроводан (2022, Тц 1–2 К). Касније је показано да је овај последњи подесив, лако репродукујући понашање пронађено у милионима других конфигурација. Директно посматрање шта се дешава када се електрони додају материјалу или се благо ослаби његово електрично поље омогућава брзо тестирање невиђеног броја рецепата да би се видело који воде до суперпроводљивости.^[32]

У четворослојном и петослојном ромбоедарском графену, недавно је примећен облик суперпроводљивости са спонтано нарушеном симетријом временске реверзије, познат као „хирална суперпроводљивост“.^[34] Код ових система нису примећени ефекти суперрешетке, и они се могу пребацивати између два могућа магнетна стања без напуштања суперпроводне фазе.^[35] Ово је у оштром контрасту са другим запажањима суперпроводљивости и магнетних поља.

Ови уређаји имају примену у квантном рачунарству.

2Д материјали осим графена такође су начињени суперпроводним. Дихaлкогенидни (ТМД) листови прелазних метала уврнути за 5 степени повремено су постизали суперпроводљивост стварањем Џозефсоновог споја. Уређај је користио танке слојеве паладијума за повезивање са странама слоја волфрам телурида окруженог и заштићеног бор нитридом.^[36] Друга група је демонстрирала суперпроводљивост у молибден телуриду (МоТе₂) у 2Д ван дер Валсовим материјалима користећи фероелектричне доменске зидове. Имплицирано је да је Тц виши од типичних ТМД-ова (~5–10 К).^[37]

Група са Корнела додала је угао од 3,5 степени изолатору што је омогућило електронима да успоре и снажно интерагују, остављајући један електрон по ћелији, показујући суперпроводљивост. Постојеће теорије не објашњавају ово понашање.

Фу и сарадници предложили су да се електрони распоређују тако да формирају понављајући кристал који омогућава електронској решетки да плута независно од позадинских атомских језгара и да се електронска решетка опусти. Њени таласи упарују електроне на начин на који то чине фонони, иако ово није потврђено.

Класификација

Главни чланак: Класификација суперпроводника

Суперпроводници се класификују према многим критеријумима. Најчешћи су:

Одговор на магнетно поље

Суперпроводник може бити Тип I, што значи да има једно критично поље, изнад којег се суперпроводљивост губи и испод којег се магнетно поље потпуно истискује из суперпроводника; или Тип II, што значи да има два критична поља, између којих дозвољава делимичну пенетрацију магнетног поља кроз изоловане тачке^[38] назване вортекси.^[39] Штавише, у вишекомпонентним суперпроводницима могуће је комбиновати ова два понашања. У том случају суперпроводник је Типа-1.5.^[40]

Теорија рада

Суперпроводник је конвенционалан ако га покреће интеракција електрон–фонон и објашњава се БКШ теоријом или њеним проширењем, Елијашберговом теоријом. У супротном, он је неконвенционалан.^[41][42] Алтернативно, суперпроводник се назива неконвенционалним ако се параметар реда суперпроводљивости трансформише према нетривијалној неразложивој репрезентацији тачковне групе или просторне групе система.^[43]

Критична температура

Суперпроводник се генерално сматра високотемпературним ако достигне суперпроводно стање изнад температуре од 30 K (−243,15 °C);^[44] као у иницијалном открићу Георга Беднорца и К. Алекса Милера.^[7] Такође се може односити на материјале који прелазе у суперпроводно стање када се хладе течним азотом – то јест, на T_c > 77 K, иако се ово генерално користи само да би се нагласило да је хлађење течним азотом довољно. Нискотемпературни суперпроводници се односе на материјале са критичном температуром испод 30 K и хладе се углавном течним хелијумом (T_c > 4,2 K). Један изузетак од овог правила је група пниктида гвожђа, који показују понашање и својства типична за високотемпературне суперпроводнике, иако неки из ове групе имају критичне температуре испод 30 K.

Материјал

Горе: Периодни систем суперпроводних елементарних чврстих тела и њихова експериментална критична температура (T)
Доле: Периодни систем суперпроводних бинарних хидрида (0–300 GPa). Теоријска предвиђања означена плавом бојом, а експериментални резултати црвеном^[45]

Класе суперпроводних материјала укључују хемијске елементе (нпр. жива или олово), легуре (као што су ниобијум-титанијум, германијум-ниобијум и ниобијум нитрид), керамику (YBCO и магнезијум диборид), суперпроводне пниктиде (попут LaOFeAs допираног флуором), једнослојне материјале као што су графен и дихалкогениди прелазних метала,^[46] или органске суперпроводнике (фулерене и угљеничне наноцеви; мада би ови примери можда требало да буду укључени међу хемијске елементе, пошто су састављени искључиво од угљеника).^[47][48]

Елементарна својства

Неколико физичких својстава суперпроводника варира од материјала до материјала, као што су критична температура, вредност суперпроводног процепа, критично магнетно поље и критична густина струје при којој се суперпроводљивост уништава. С друге стране, постоји класа својстава која су независна од основног материјала. Мајснеров ефекат, квантизација магнетног флукса или перманентне струје, тј. стање нултог отпора, најважнији су примери. Постојање ових „универзалних“ својстава укорењено је у природи нарушене симетрије суперпроводника и појави поретка дугог досега ван дијагонале. Суперпроводљивост је термодинамичка фаза и стога поседује одређена карактеристична својства која су у великој мери независна од микроскопских детаља. Поредак дугог досега ван дијагонале уско је повезан са формирањем Куперових парова.

Нулти електрични DC отпор

Електрични каблови за акцелераторе у ЦЕРН-у. И масивни и танки каблови предвиђени су за 12.500 A. Горе: обични каблови за LEP; доле: каблови на бази суперпроводника за LHC

Попречни пресек преформираног суперпроводног кабла са напуштеног Тексаског суперпроводног супер сударача (SSC)

Најједноставнији метод за мерење електричног отпора узорка неког материјала јесте да се он постави у електрично коло у серији са извором струје I и измери резултујући напон V на узорку. Отпор узорка дат је Омовим законом као R = V / I. Ако је напон нула, то значи да је отпор нула.

Суперпроводници су такође у стању да одржавају струју без икаквог примењеног напона, својство које се користи у суперпроводним електромагнетима као што су они који се налазе у МРИ машинама. Експерименти су показали да струје у суперпроводним калемовима могу трајати годинама без икакве мерљиве деградације. Експериментални докази указују на животни век од најмање 100.000 година. Теоријске процене за животни век перзистентне струје могу премашити процењени животни век универзума, у зависности од геометрије жице и температуре.^[5] У пракси, струје убризгане у суперпроводне калемове опстале су 28 година, 7 месеци и 27 дана у суперпроводном гравиметру у Белгији, од 4. августа 1995. до 31. марта 2024.^[49][50] У таквим инструментима, мерење се заснива на праћењу левитације суперпроводне ниобијумске сфере масе четири грама.

У нормалном проводнику, електрична струја се може замислити као флуид електрона који се крећу кроз тешку јонску решетку. Електрони се непрестано сударају са јонима у решетки, и при сваком судару део енергије коју носи струја апсорбује решетка и претвара у топлоту, што је у суштини вибрациона кинетичка енергија јона решетке. Као резултат, енергија коју носи струја се непрестано расипа. Ово је феномен електричног отпора и Џуловог загревања.

Ситуација је другачија у суперпроводнику. У конвенционалном суперпроводнику, електронски флуид се не може рашчланити на појединачне електроне. Уместо тога, састоји се од везаних парова електрона познатих као Куперови парови. Ово упаривање је узроковано привлачном силом између електрона услед размене фонона. Ово упаривање је веома слабо, и мале топлотне вибрације могу прекинути везу. Због квантне механике, енергетски спектар овог флуида Куперових парова поседује енергетски процеп, што значи да постоји минимална количина енергије ΔE која се мора довести да би се флуид побудио. Стога, ако је ΔE веће од термалне енергије решетке, дате са kT, где је k Болцманова константа а T температура, флуид неће бити расејан од стране решетке.^[51] Флуид Куперових парова је стога суперфлуид, што значи да може тећи без дисипације енергије.

У класи суперпроводника познатој као суперпроводници типа II, укључујући све познате високотемпературне суперпроводнике, изузетно ниска, али не-нулти отпорност појављује се на температурама не превише испод номиналне суперпроводне транзиције када се примени електрична струја у комбинацији са јаким магнетним пољем, које може бити узроковано електричном струјом. Ово је последица кретања магнетних вортекса у електронском суперфлуиду, што расипа део енергије коју носи струја. Ако је струја довољно мала, вортекси су стационарни, и отпорност нестаје. Отпор услед овог ефекта је минијатуран у поређењу са отпором несуперпроводних материјала, али се мора узети у обзир у осетљивим експериментима. Међутим, како се температура смањује довољно испод номиналне суперпроводне транзиције, ови вортекси се могу замрзнути у неуређену, али стационарну фазу познату као „вортекс стакло“. Испод ове температуре прелаза у вортекс стакло, отпор материјала постаје заиста нула.

Фазни прелаз

Понашање топлотног капацитета (c_v, плаво) и отпорности (ρ, зелено) на суперпроводном фазном прелазу

У суперпроводним материјалима, карактеристике суперпроводљивости појављују се када се температура T снизи испод критичне температуре T_c. Вредност ове критичне температуре варира од материјала до материјала. Конвенционални суперпроводници обично имају критичне температуре у распону од око 20 K до мање од 1 K. Чврста жива, на пример, има критичну температуру од 4,2 K. Од 2015. године, највиша критична температура пронађена за конвенционални суперпроводник је 203 K за H₂S, иако су били потребни високи притисци од приближно 90 гигапаскала.^[52] Купратни суперпроводници могу имати много више критичне температуре: YBa₂Cu₃O₇, један од првих откривених купратних суперпроводника, има критичну температуру изнад 90 K, а купрати на бази живе пронађени су са критичним температурама преко 130 K. Основни физички механизам одговоран за високу критичну температуру још увек није јасан. Међутим, јасно је да је укључено упаривање два електрона, иако природа упаривања (${\displaystyle s}$ талас наспрам ${\displaystyle d}$ таласа) остаје контроверзна.^[53]

Слично томе, на фиксној температури испод критичне температуре, суперпроводни материјали престају да буду суперпроводни када се примени спољашње магнетно поље које је веће од критичног магнетног поља. То је зато што се Гибсова слободна енергија суперпроводне фазе повећава квадратно са магнетним пољем, док је слободна енергија нормалне фазе грубо независна од магнетног поља. Ако материјал суперпроводи у одсуству поља, онда је слободна енергија суперпроводне фазе нижа од енергије нормалне фазе, па ће за неку коначну вредност магнетног поља (пропорционалну квадратном корену разлике слободних енергија на нултом магнетном пољу) две слободне енергије бити једнаке и доћи ће до фазног прелаза у нормалну фазу. Уопштеније, виша температура и јаче магнетно поље воде до мањег удела електрона који су суперпроводни и последично до дуже Лондонове дубине продирања спољашњих магнетних поља и струја. Дубина продирања постаје бесконачна на фазном прелазу.

Почетак суперпроводљивости праћен је наглим променама у различитим физичким својствима, што је обележје фазног прелаза. На пример, електронски топлотни капацитет је пропорционалан температури у нормалном (несуперпроводном) режиму. На суперпроводном прелазу, он доживљава дисконтинуирани скок и након тога престаје да буде линеаран. На ниским температурама, он варира као e^−α/T за неку константу, α. Ово експоненцијално понашање је један од доказа постојања енергетског процепа.

Ред суперпроводног фазног прелаза дуго је био предмет расправе. Експерименти показују да је прелаз другог реда, што значи да нема латентне топлоте. Међутим, у присуству спољашњег магнетног поља постоји латентна топлота, јер суперпроводна фаза има нижу ентропију испод критичне температуре него нормална фаза. Експериментално је демонстрирано^[54] да, као последица тога, када се магнетно поље повећа изнад критичног поља, резултујући фазни прелаз доводи до смањења температуре суперпроводног материјала.

Прорачуни из 1970-их сугерисали су да би прелаз заправо могао бити слабо првог реда због ефекта дугодометних флуктуација у електромагнетном пољу. Осамдесетих година прошлог века теоретски је показано уз помоћ теорије поља поремећаја, у којој вортекс линије суперпроводника играју главну улогу, да је прелаз другог реда унутар режима типа II и првог реда (тј. латентна топлота) унутар режима типа I, и да су две области раздвојене трикритичном тачком.^[55] Резултати су снажно подржани Монте Карло компјутерским симулацијама.^[56]

Мајснеров ефекат

Главни чланак: Мајснеров ефекат

Мајснеров ефекат у високотемпературном суперпроводнику (црна таблета) са NdFeB магнетом (метални)

Када се суперпроводник стави у слабо спољашње магнетно поље H и охлади испод температуре прелаза, магнетно поље се истискује. Мајснеров ефекат не узрокује потпуно истискивање поља, већ поље продире у суперпроводник, али само на веома малу удаљеност, коју карактерише параметар λ, назван Лондонова дубина продирања, експоненцијално опадајући до нуле унутар масе материјала. Мајснеров ефекат је дефинишућа карактеристика суперпроводљивости. За већину суперпроводника, Лондонова дубина продирања је реда величине 100 nm.

Мајснеров ефекат се понекад меша са врстом дијамагнетизма који би се очекивао у савршеном електричном проводнику: према Ленцовом закону, када се променљиво магнетно поље примени на проводник, оно ће индуковати електричну струју у проводнику која ствара супротно магнетно поље. У савршеном проводнику може се индуковати произвољно велика струја, а резултујуће магнетно поље тачно поништава примењено поље.

Мајснеров ефекат се разликује од овога – то је спонтано истискивање које се дешава током преласка у суперпроводно стање. Претпоставимо да имамо материјал у свом нормалном стању, који садржи константно унутрашње магнетно поље. Када се материјал охлади испод критичне температуре, приметили бисмо нагло истискивање унутрашњег магнетног поља, што не бисмо очекивали на основу Ленцовог закона.

Мајснеров ефекат су феноменолошки објаснила браћа Фриц и Хајнц Лондон, који су показали да је електромагнетна слободна енергија у суперпроводнику минимизована под условом да је $${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,,}$$ где је H магнетно поље, а λ Лондонова дубина продирања.

Ова једначина, позната као Лондонова једначина, предвиђа да магнетно поље у суперпроводнику експоненцијално опада од било које вредности коју има на површини.

За суперпроводник са мало или без магнетног поља у себи каже се да је у Мајснеровом стању. Мајснерово стање се руши када је примењено магнетно поље превелико. Суперпроводници се могу поделити у две класе према томе како долази до овог рушења. Код суперпроводника типа I, суперпроводљивост се нагло уништава када јачина примењеног поља порасте изнад критичне вредности H_c. У зависности од геометрије узорка, може се добити међустање^[57] које се састоји од барокног узорка^[58] региона нормалног материјала који носе магнетно поље помешаних са регионима суперпроводног материјала који не садрже поље. Код суперпроводника типа II, повећање примењеног поља изнад критичне вредности H_c1 доводи до мешовитог стања (познатог и као вортекс стање) у којем све већа количина магнетног флукса продире у материјал, али и даље нема отпора протоку електричне струје све док струја није превелика. На другој критичној јачини поља H_c2, суперпроводљивост се уништава. Мешовито стање је заправо узроковано вортексима у електронском суперфлуиду, понекад названим флуксони јер је флукс који носе ови вортекси квантизован. Већина чистих елементарних суперпроводника, осим ниобијума и угљеничних наноцеви, су типа I, док су скоро сви нечисти и једињени суперпроводници типа II.

Лондонов момент

Главни чланак: Лондонов момент

Супротно томе, ротирајући суперпроводник генерише магнетно поље, прецизно поравнато са осом ротације. Ефекат, Лондонов момент, добро је искоришћен у Gravity Probe B. Овај експеримент је мерио магнетна поља четири суперпроводна жироскопа да би се одредиле њихове осе ротације. Ово је било кључно за експеримент јер је то један од ретких начина да се тачно одреди оса ротације иначе безобличне сфере.

Примене

Главни чланак: Технолошке примене суперпроводљивости

Видео снимак суперпроводне левитације YBCO

Суперпроводници су обећавајући материјали кандидати за осмишљавање основних елемената кола у електронским, спинтронским и квантним технологијама. Један такав пример је суперпроводна диода,^[59] у којој суперструја тече само у једном смеру, што обећава суперпроводне и полупроводничко-суперпроводне хибридне технологије без дисипације. Суперпроводни магнети су неки од најмоћнијих познатих електромагнета. Користе се у МРИ/НМР машинама, масеним спектрометрима, магнетима за усмеравање снопа који се користе у акцелераторима честица и магнетима за задржавање плазме у неким токамацима. Такође се могу користити за магнетну сепарацију, где се слабо магнетне честице издвајају из позадине мање или немагнетних честица, као у индустрији пигмената. Такође се могу користити у великим ветротурбинама да би се превазишла ограничења наметнута високим електричним струјама, при чему је индустријски суперпроводни генератор за ветрењачу снаге 3,6 мегавата успешно тестиран у Данској.^[60]

Током 1950-их и 1960-их, суперпроводници су коришћени за изградњу експерименталних дигиталних рачунара помоћу криотонских прекидача.^[61] У новије време, суперпроводници се користе за израду дигиталних кола заснованих на технологији брзог једнофлуксног кванта и РФ и микроталасних филтера за базне станице мобилне телефоније.

Суперпроводници се користе за изградњу Џозефсонових спојева који су основни градивни блокови SQUID-ова (суперпроводних квантних интерференционих уређаја), најсензитивнијих познатих магнетометара. SQUID-ови се користе у скенирајућим SQUID микроскопима и магнетоенцефалографији. Серије Џозефсонових уређаја користе се за реализацију СИ волта. Суперпроводни фотонски детектори^[62] могу се реализовати у различитим конфигурацијама уређаја. У зависности од конкретног начина рада, суперпроводник-изолатор-суперпроводник Џозефсонов спој може се користити као детектор фотона или као миксер. Велика промена отпора при преласку из нормалног у суперпроводно стање користи се за израду термометара у криогеним микро-калориметарским фотонским детекторима. Исти ефекат се користи у ултраосетљивим болометрима направљеним од суперпроводних материјала. Суперпроводни наножични једнофотонски детектори нуде брзу детекцију појединачних фотона са ниским шумом и широко су примењени у напредним апликацијама за бројање фотона.^[63]

Друга рана тржишта се појављују где релативна ефикасност, предности у величини и тежини уређаја заснованих на високотемпературној суперпроводљивости надмашују додатне трошкове. На пример, у ветротурбинама мања тежина и запремина суперпроводних генератора могли би довести до уштеда у трошковима изградње и торња, компензујући веће трошкове за генератор и смањујући укупни нивелисани трошак електричне енергије (LCOE).^[64]

Обећавајуће будуће примене укључују високо-перформантну паметну мрежу, пренос електричне енергије, трансформаторе, уређаје за складиштење енергије, компактне уређаје за фузиону енергију, електромоторе (нпр. за погон возила, као у вактрејновима или маглев возовима), уређаје за магнетну левитацију, ограничаваче струје квара, побољшање спинтронских уређаја са суперпроводним материјалима,^[65] и суперпроводно магнетно хлађење. Међутим, суперпроводљивост је осетљива на покретна магнетна поља, па ће апликације које користе наизменичну струју (нпр. трансформатори) бити теже развити од оних које се ослањају на једносмерну струју. У поређењу са традиционалним далеководима, суперпроводни далеководи су ефикаснији и захтевају само делић простора, што би не само довело до бољих еколошких перформанси већ би могло и побољшати прихватање јавности за проширење електричне мреже.^[66] Још један атрактиван индустријски аспект је могућност преноса велике снаге на нижим напонима.^[67] Напредак у ефикасности система за хлађење и употреба јефтиних расхладних средстава попут течног азота такође су значајно смањили трошкове хлађења потребне за суперпроводљивост.

Нобелове награде

До 2022. године, додељено је пет Нобелових награда за физику за теме везане за суперпроводљивост:

• Хејке Камерлинг Онес (1913), „за његова истраживања својстава материје на ниским температурама која су довела, између осталог, до производње течног хелијума“.
• Џон Бардин, Лион Купер и Џон Роберт Шрифер (1972), „за њихову заједнички развијену теорију суперпроводљивости, обично названу БКШ-теорија“.
• Лео Есаки, Ивар Јевер и Брајан Дејвид Џозефсон (1973), „за њихова експериментална открића у вези са феноменима тунеловања у полупроводницима и суперпроводницима, респективно“ и „за његова теоријска предвиђања својстава суперструје кроз тунелску баријеру, посебно оних феномена који су опште познати као Џозефсонови ефекти“.
• Георг Беднорц и К. Алекс Милер (1987), „за њихов важан пробој у открићу суперпроводљивости у керамичким материјалима“.
• Алексеј Абрикосов, Виталиј Гинзбург и Ентони Џ. Легет (2003), „за пионирске доприносе теорији суперпроводника и суперфлуида“.^[68]

Види још

• Криомагнетика водоника
• MXenes
• Потенцијалне примене графена
• Суперпроводни магнетни акумулатор енергије