При уменьшении внешнего поля вихри расходятся и в поле Вкр1, исчезают из сверхпроводника совсем. Фактически иоле Вкр1 — это то поле, при котором один вихрь еше может существовать в сверхпроводнике. Область между полями Вкр1 и Вкр2 называется смешанным состоянием. В этом состоянии сверхпроводник пронизан вихревыми нитями — миниатюрными соленоидами, расположенными в правильном порядке. В поперечном срезе они образуют треугольную решетку. Каждый вихрь имеет сердцевину, размер которой равен размеру куперовской пары; эту сердцевину можно считать областью нормального металла.
Очень существенным оказывается то обстоятельство, что, увеличивая концентрацию дефектов, можно увеличивать критическое поле Вкр2, вплоть до которого по образцу может течь свехпроводящий ток. Это дает возможность применять сверхпроводники второго рода для создания сверхпроводящих магнитов. Действительно, в сверхпроводящем кольце ток может циркулировать вечно. Можно сделать соленоид и замкнуть его на-коротко. Это и будет сверхпроводящий постоянный магнит. Отличие от обычного электромагнита заключает ся в том, что в обычном магните энергия тока в конечном итоге тратится на разогрев обмотки. Из-за этого приходится делать громоздкую и дорогостоящую систему охлаждения. Именно это обстоятельство ограничивает возможности электромагнитов полями до 5 — 6 Тл. А с помощью сверхпроводящих магнитов уже сегодня можно получать поля до 10 — 12Тл и даже до 23 Тл. В настоящее время сверхпроводящие магниты используются в генераторах, для создания магнитной подушки в поезде-экспрессе, в ускорителях элементарных частиц в токамаках — приборах термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических генераторах. Кроме того, сверхпроводящая катушка с током может служить накопителем энергии.
Однако надо иметь в виду, что это дело не такое простое. Чем выше верхнее критическое поле Вкр2, тем ниже нижнее — Вкр1. Значит, в проволоке сверхпроводящего соленоида с током наверняка имеются вихри. Под действием силы Лоренца вихри могут прийти в движение, а это немедленно приведет к диссипации энергии, т. е. к появлению сопротивления. Выход из этого положения — как-то закрепить, пришпилить вихревую решетку, чтобы она не двигалась. Это называется "пиннингом" (от английского pin — булавка). В этом случае сверхпроводящий ток легко огибает нормальные сердцевины вихрей. Я не буду останавливаться на этом очень интересном вопросе и перейду теперь к рассказу о "слабой" сверхпроводимости.
Из квантовой механики известен так называемый туннельный эффект — возможность частицам проникать через потенциальный барьер, даже если высота этого барьера выше энергии частиц. Конечно, реально ширина барьера должна быть очень малой. Туннельный эффект был использован И. Гиэвером в 1960 году для создания туннельного контакта: два металлических электрода разделены слоем изолятора (обычно в качестве изолятора берется пленка окиси на поверхности одного ид металлов). Благодаря туннельному эффекту, через такой контакт может идти ток. Если один из этих металлов является сверхпроводником, то электроны в нем объединены в пары. Но для целой пары проникновение через барьер очень маловероятно. Поэтому нужно, чтобы электрическое поле расщепило пару, а тогда уже электроны поодиночке пройдут через контакт. Минимальная энергия на один электрон при этом равна d, и следовательно, при T=0 протекание тока начинается лишь когда разность потендиалов между электродами достигнет такого значения U, что eU=d. Таким способом измерили d.
Можно использовать и туннельный контакт из двух сверхпроводников. Однако в последнем случае возникает и некоторое новое явление. Если диэлектрическая прослойка достаточно тонкая, куперовские пары могут образовываться из электронов, принадлежащих к разным электродам. При этом создается возможность протекания через контакт не просто тока, а сверхпроводящего тока. Это явление было предсказано английским физиком Б. Джозефсоном в 1962 году и после экспериментального подтверждения было названо его именем. Критический ток Джозефсона очень маленький, плотность его не более 102—103 А/см2. Эту величину следует сравнить с токами в магнитах — порядка 105—106 А/см2 или с "теоретическим пределом" для развала пар в сверхпроводнике — порядка 108 А/см2. Однако эффект Джозефсона получил новое, очень перспективное применение. Дело в том, что величина джозефсоновского критического тока оказалась необыкновенно чувствительной к внешнему магнитному полю. Это позволило создать особые сверхпроводящие устройства — "джозефсоновские интерферометры" или сквиды, которые дают возможность измерить магнитные поля до 10-14Тл (магнитное поле Земли 0,5*10-4 Тл), а затем использовать это поле для измерения токов, вплоть до 10-14А и разностей потенциалов до 10-15В. Сквиды уже применяются в биологии и медицине, ибо они дают гораздо более точные данные, чем электрокардио- или энцефалографы, и превосходят даже рентгеновские и ЯМР-томо графы. Кроме того, джозефсоновские контакты могут быть использованы как для регистрации очень слабых электромагнитных излучений, так и для генерации электромагнитных волн большой частоты. Эффект Джозефсона - это большая область применений сверхпроводимости.
Трудно даже вообразить, сколько разных применений получили бы сверхпроводники, если бы не одно печальное обстоятельство. Все сверхпроводящие устройства, применяемые до сих пор, нуждаются в охлаждении жидким гелием. Стоимость одного литра этого хладагента — 10 рублей, и это очень удорожает использование сверхпроводников. Однако в последнее время подвились так называемые сверхпроводящие окислы, или керамики, с критической температурой в районе 95 К. Это уже заметно выше, чем точка кипения жидкого азота (77 К), стоимость которого — 10 копеек за литр. Не исключено, что будут найдены и более высокотемпературные материалы (к 1988 году известны сверхпроводники с крит. температурой ~ 105-125К).
А теперь я остановлюсь на истории открытия и свойствах таких сверхпроводящих керамик. С 1973 года и до середины 1986 года рекорд максимальной критической температуры принадлежал пленкам из Nb3Ge, сохранявшим сверхпроводимость вплоть до 23 К. Однако осенью 1986 года появилось сообщение физиков Г. Беднорца и А. Мюллера (Швейцария) об открытии сверхпроводимости соединения La — Ва — Сu — О с критической температурой в районе 30 К. Эти авторы не сразу подошли к своему открытию. Дело в том, что еще до них был известен сверхпроводящий окисел Ва — РЬ - Bi — О с критической температурой 14 К. Странным в этом соединении было то, что плотность свободных электронов, переносящих ток, у него была 1021 см-3, что на порядок меньше, чем у обычных металлов. В то же время, согласно теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), значение критической температуры растет с увеличением числа свободных электронов. Ясно, что уменьшение числа электронов должно вести к уменьшению Ткр. А 14 К — это была относительно высокая критическая температура.
Далее внимание Беднорца и Мюллера привлекли окислы, содержащие медь в состоянии с промежуточной валентностью, часть С» а часть Cu++, а чать Cu+++. Такие окислы изучались французскими физиками. В качестве элемента структуры в них входил редкоземельный элемент лантан. Если взять соединение La2CuO4, то медь в нем только двухвалентная, и это вещество ведет себя как изолятор. Мюллер и Беднорц стали заменять трех валентный лантан двухвалентными элементам и, чтобы отнять часть электронов у меди и, тем самым, частично перевести медь к трехвалентное состояние. В результате был получен первый высокотемпературный сверхпроводник La2-xBaxCuO4 где x=0,1—0,2. Сначала Беднорцу и Мюллеру никто не поверил, и их статью отказался печатать ведущий американский физический журнал «Physical Review Letters". Тогда они отослали ее в немецкий журнал "Zeitschrift fur Physik", где она и вышла осенью 1986 годя. Первоначально статья не вызвала интереса. Но потом японские специалисты решили проверить сообщение и убедились, что Мюллер и Беднорц не ошиблись. После этого указанные соединения исследовали американские физики, и с начала 1987 года разразился настоящий "сверхпроводящий бум". Сейчас имеетется уже несколько тысяч статей на эту тему. Я не могу рассказать о всех деталях этой гонки, но отмечу основные моменты.
Естественно было попытаться повысить критическую температуру путем замены элементов их химическими аналогами. Замена Ва на Sr привела к Ткр=45 К. Американская группа из Хьюстона во главе с П. Чу подвергла эти образцы сжатию и обнаружила, что критическая температура быстро растет при сжатии, хотя в обычных сверхпроводниках в подобных условиях Ткр как правило, слабо убывает. Тогда они решили попытаться устроить «химическое» сжатие, заменив атомы лантана на атомы иттрия, имеющие меньший размер, В результате было получено соединение с фантастически высокой по тем недавним временам критической температурой Ткр~93 К.
Идея о "химическом сжатии" помогла сделать открытие, но в конце концов оказалась неправильной. Очень тщательное исследование показалo, что высокотемпературным сверхпроводником является фаза "1 - 2 - З": Ba2Cu3O7-x где х меньше единицы. Последующне попытки замены Y другими элементами показали, что сверхпроводимость с Ткр = 90К наблюдается у соединений со структурой "1 — 2 — 3", где вместо иттрия может стоять осмий и почти все редкие земли, включая лантан.
Теперь я расскажу о некоторых особенностях этих соединений и о попытках теоретического объяснения высоких Ткр. Прежде всего — о структуре. В обоих типических соединениях La — Ва — Сu — О и Y — Ва — Сu — O она соответствует так называемым слоистым перовскитам. Характерной их особенность является слоистость (периоды по двум направлениям порядка 2,8 А, а по третьему 12 А). В медных "слоях" каждый атом меди окружен октаэдром атомов кислорода. Расчеты показывают, что основная проводимость происходит по слоям медь — кислород в результате перекрытия d-оболочек меди с р-оболочками кислорода. Атомы редкой земли роли, по-видимому, не играют: "свободные" электроны туда просто не заходят. Далее оба вещества имеют в принципе две модификации: тетрагональную и орторомбическую. В первой элементарная ячейка имеет вид правильной четырехгранной призмы, а во второй — прямоугольного параллелепипеда с произвольными длинами ребер. Но отличие от тетрагональности небольшое. Интересно отметить, что чистый La2CuO4 при ннзкнх температурах является орторомбическим но добавление Ва подавляет этот переход, и вещество остается тетрагональным. Наоборот, иттриевое соединение "1 - 2 — 3" при низких температурах является орторомбическим. В принципе его можно получить и в тетрагональной модификации, изгнав из него часть кислорода путем нагрева, но эта модификация — не сверхпроводник.