Моделей сверхпроводимости есть много, в том числе существует и квантово-механическая теория сверхпроводимости. Мы тоже добавим одну гипотезу по этой проблеме, основанную на квантовой механике.

Сверхпроводник обладает двумя наиболее важными свойствами:

1. Нулевым электрическим сопротивлением.
2. Способностью выталкивать магнитный поток (эффект Мейсснера).

Цитаты, как и везде, выделены курсивом. Без указания источника ссылок цитаты принадлежат Википедии.

Вот как объясняет академическая наука сверхпроводимость:

“ Квантово-механическая теория сверхпроводимости (теория БКШ) рассматривает это явление как сверхтекучесть бозе-эйнштейновского конденсата куперовских пар электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» о неоднородности кристаллической решетки”.

Чудесная сверхтекучесть конденсата пар. Скорость тока равна скорости света, то есть 300 000 км/сек. Соответственно куперовская пара не цепляясь за “неоднородности кристаллической решетки” должна двигаться со скоростью света. В то время как в обычных условиях скорость простого электрона в проводнике около 0,5 м/сек. Разительный скачек скорости.

Куперовские пары образуются путем притяжения электронов, а притяжению электронов способствует кристаллическая решетка.

На рисунке изображена часть решетки. В узлах расположены ионы металла. Между рядами ионов движется электрон 1. При прохождении электрона между двумя ионами его электрическое поле притягивает эти ионы к себе, вернее дает им импульс движения по направлению к себе. Ионы начинают сближаться, создавая по пути следования электрона избыточный положительный потенциал. Этот избыточный потенциал тащит за собой другой электрон 2, образуя куперовскую пару. Но это оказывается примитивное понимание процесса образования пары.

На сайте Элементы размещена работа В. Л. Гинзбурга и Е. А. Андрюшина “Сверхпроводимость”. В главе 3 “Природа сверхпроводимости” сказано:

“Первое сравнение, которое приходит в голову, — возникла «электронная» молекула. Но это не совсем так. Атомы в молекулах находятся рядышком, а для того чтобы пропустить «сквозь» молекулу какой-то «чужой» атом, нужно затратить большую энергию, и при этом молекула разрушится. В куперовской паре электроны находятся на большом расстоянии, которое может быть в тысячи раз больше, чем среднее расстояние между электронами, т.е. между двумя составляющими пару электронами свободно «бегает» огромное количество других электронов, относящихся к другим парам”.

Это значит, что наш электрон 2 может быть, вернее обязан быть, подальше от электрона 1 так, чтобы электроны 4 и 5 или 6 и 3, тоже могли образовать пары, не разрушая колебательную картину между электронами 1 и 2. Расстояния между электронами для каждого материала свои и называются они длиной корреляции. Поскольку электрон порождает колебательное движение решетки, то это колебание назвали фононом. По-видимому, длина корреляции является по существу длиной фонона.

Осуществляется притяжение электронов фононами - квантами энергии звуковой частоты. Там же Гинзбург пишет:

“Напомним, что фононы — это волны кристаллической решетки металла. Однако равным образом можно представлять их как частицы, что принято в квантовой механике”.

Теперь у народа в головах появляется несусветная чехарда. В Википедии можно было прочесть:

“В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, переводит её в возбуждённое состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты —фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов противоположно направлены”.

Как уж один электрон, взаимодействуя с другим электроном посредством решетки, переводит ее в возбужденное состояние понять не возможно. Затем решетка, возвращаясь в исходное состояние, излучает “квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном”. Похоже на то, что электрон ударил по какой-то струне, струна зазвучала, звук докатился до другого электрона, который поглотил его и сам сгенерировал ответный звук. Или звук тут ни к чему? Тогда следует сказать просто – фонон - это электромагнитная волна с частотой от 16 герц до 20 килогерц. Это примерно то, что мы слышим. И это было бы совершенно справедливо, ибо звуковой генератор это не только генератор звука, но и генератор квантов, как, например, электрическая лампочка, магнетрон, или нечто другое. Колеблющийся элемент движет частицы среды, в которых присутствуют электроны, а ускоряющиеся электроны излучают кванты.

Заметим, что здесь, как и во всей физике, наблюдается большая путаница между понятиями фонон и квант. Квант это самая мельчайшая частица чего-либо, а фонон для каждого материала свой.

Странно выглядит положение, когда электрон, масса которого, примерно, в 2 000 раз меньше массы протона и, примерно, в 2000*100 раз меньше массы иона, проводника с атомным весом около 50, в которого 50 протонов и столько же нейтронов, может сколь-нибудь подвинуть ион, не изменив своего направления, и не потеряв большого количества своей кинетической энергии. Конечно, можно сказать, электрон пополнит энергию за счет внешнего поля, что и позволяет ему колебать узлы решетки. Но тогда чем эти колебания ионов отличаются от тепловых колебаний? Только тем, что они более упорядоченные, но внешняя энергия все-таки тратится. А это уже не сверхпроводник.

Странно выглядят и другие положения данной модели.

В общем, модель куперовских пар выглядит довольно неудовлетворительно. Да оно так и должно быть, ибо она строилась только для того, чтобы получить бозоновскую модель частицы из фермионов. Априори всем физикам было известно, да многие так думают и сейчас, что в бозе-жидкости нет “трения”, то есть проводник не оказывает сопротивления бозе-частицам, а в ферми-жидкости такое “трение” есть. А вот два связанные электроны обладают целым спином, как бозоны, и поэтому ни с чем не взаимодействуют и могут распространяться без потерь.

Почему же такое зыбкое и противоречивое объяснение явления сверхпроводимости дает уважаемая академическая наука? Вероятнее всего дело в том, что наука не дает четких и ясных понятий распространения обычной проводимости. Нет ясного представления о токе проводимости и токе смещения. По этой причине приходится вводить понятие фонона вместо тока смещения.

Распространение тока на кратчайшем проводнике, будь то, сверхпроводимым, будь то, с сопротивлением манганина, или от одной обмотки трансформатора к другой, или от антенны передатчика до антенны на Вояджере носит один и тот же физический принцип. Электрон, получивший энергию в виде ускорения (ток проводимости) от источника энергии немедленно трансформирует ее в фотон (ток смещения), который направляется к другому электрону. Электрон, получивший фотон, может либо ретранслировать этот фотон, согласно Гюйгенсу, дальше, либо поглотить его и превратить в свою кинетическую энергию, или изменить свое энергетическое состояние (запасти фотон, как потенциальную или, по-другому, тепловую энергию). В проводнике электроны находятся близко друг от друга, но не настолько, чтобы толкаться друг с другом. Такое явление более выражено в генераторе. Между обмотками трансформатора может и вовсе не быть электронов, не говоря о вакууме, в котором нет электронов.

Если все электроны и фотоны, подошедшие к проводнику, передадут полученную от источника энергию через этот проводник без потерь, то есть ни один фотон не будет поглощен, то это и будет явление сверхпроводимости. В таком проводнике ни один электрон не должен прийти в режим кинетического движения. А электрон может прийти в режим кинетического движения только в том случае, если фотон окажется резонансным электрону. Резонансные свойства свободного не связанного электрона зависят только и только от его скорости относительно вакуума. У связанного электрона резонансные свойства сильно зависят от величины этих связей, которые различны у различных веществ.

Так уж случилось в природе, что большинство веществ в обычных условиях, излучают и поглощают одни и те же фотоны, то есть для каждого фотона всегда найдется резонансный приемник. Но иногда можно создать генератор не резонансный для данных преемников или приемники не резонансные для данного излучения. Яркий артефакт этого явления приемопередающие устройства различных типов. Повертев ручку приемника, мы можем получить резонансную структуру для того или иного излучения, по сути для тех или иных фотонов.

Вот эти резонансные способности в элементах проводника мы и изменяем понижением температуры. В зависимости от величины напряжения приложенного к проводнику генерируется соответствующий спектр фотонов. Если условия обычные, то в зависимости от свойств проводника, через него часть фотонов проходит, а часть поглощается и запасается в виде тепла (соответственно теплоемкости тела). Процесс поглощения тепла и его выделения идет непрерывно. Поэтому непрерывно закрываются и открываются резонансные свойства проводника

При понижении температуры тела его резонансные свойства относительно излучаемых фотонов, воздействующих на это тело, могут измениться. Если проводник однороден, то все его электроны, как свободные, так и связанные находятся в одинаковых условиях каждый в своей группе. При определенной температуре свободные электроны переходят в такое энергетическое состояние, что они не способны поглощать фотоны тока смещения, а могут только передавать их другу, не изменяя своего скоростного режима. Примерно такая же ситуация наблюдается и со связанными электронами, они занимают такие уровни, что данные фотоны при этом напряжении не могут их переместить на другие уровни. Но стоит повысить потенциал на проводнике, как сразу появляться фотоны с другой энергией, для которой при этой температуре резонансные свойства не закрыты и сверхпроводимость будет разрушена.

Почему же при понижении температуры проводника его электроны теряют резонансные свойства и ведут себя, как ретрансляторы по Гюйгенсу? Общеизвестно, что ускоряемый электрон излучает фотон. В атоме такой электрон перейдет на другой уровень. Так как скорость электрона увеличилась, то он переходит на уровень более близкий к ядру. Заметим, что это и есть физическая сущность изменения размеров тел по Лоренцу. Поглощенный фотон закрыл часть резонансных свойств данного электрона. Теперь этот электрон, все фотоны с энергией равной данному поглощенному фотону и фотоны с энергией меньшей, чем энергия этого фотона, сможет их только ретранслировать и не сможет их поглощать.

Чем ниже температура, тем меньше и меньше резонансных свойств у электронов. И наступает критическая температура, при которой для электронов уже нет резонансных фотонов, все фотоны только ретранслируются и энергия нигде не теряется. Но как только мы повысим напряжение, появляться более мощные фотоны и сверхпроводимость снова нарушается. И это будет продолжаться до тех пор, пока резонансная область электронов не выйдет за спектр излучения, которое мы подаем на сверхпроводник.

Здесь возникает кажущееся противоречие. Когда мы понижаем температуру проводника, то согласно молекулярному взгляду, интенсивность движения атомов уменьшается, а мы все говорили о повышении скорости электронов. В действительности никакого противоречия нет: атомарные и молекулярные скорости падают до минимума, возможно до нуля, а скорости электронов в атоме увеличиваются до максимума, возможно до скорости света. То есть, возможно, что электрон полностью переходит в равновесное фазовое состояние между массой (частицей) и фотоном (электромагнитным состоянием) (см. устройство атома).

Ясно, что когда проводник не поглощает энергии, то его теплоемкость падает. Именно этот момент и отражен на рисунке 2.

И понятно, почему при сверхпроводимости получается сверхтекучесть. Атомы в этом состоянии имеют минимальные размеры и минимальные пространственные электрические поля. Они легко движутся друг относительно друг друга или относительно других элементов. Проникают в любую щель.

Характер изменения теплоемкости (c_v, синий график) и удельного сопротивления (?, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние.

А что происходит, когда сверхпроводник помещают в магнитное поле? Как повествует Википедия:

“Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB = 0 . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его”.

На сайте “Око планеты” в статье “Экспериментальное подтверждение сверхпроводимости полуторного рода откладывается” эффект Мейсснера описывается так:

“Явление сверхпроводимости характеризуется нулевым электрическим сопротивлением вещества и его идеальным диамагнетизмом, проявляющимся в выталкивании и непроникновении магнитного поля внутрь материала. Если быть очень точным, то магнитное поле всё-таки проникает в сверхпроводник. Но глубина этого проникновения очень малая и составляет максимум порядка 100 нм. В таком тоненьком слое возбуждаются незатухающие токи, которые помогают сверхпроводнику экранировать внешнее магнитное поле и не давать ему заходить глубже в материал. В этом и состоит причина идеального диамагнетизма, или эффекта Мейсснера—Оксенфельда. Состояние идеального диамагнетизма сверхпроводника называют также мейсснеровским состоянием, а экранирующие токи — мейсснеровскими токами.

Если зафиксировать температуру и начать увеличивать «силу» магнитного поля, то при некотором значении его индукции B_c(критическое поле) сверхпроводимость резко перестает существовать, так как мейсснеровские токи уже не способны защитить сверхпроводник от вторжения внешнего поля. В итоге вещество из сверхпроводящего состояния переходит в нормальное (рис. 1). Сверхпроводники, которые ведут себя подобным образом, называют сверхпроводниками первого рода”.

Попытаемся понять, как же происходит экранизация магнитного поля. При изменении магнитного поля вблизи проводника, находящегося в любом состоянии проводимости, в проводнике возникает ток. Это обычный трансформатор. Изменяющееся поле приводит в движение электроны проводника. Движущиеся электроны создают магнитное поле, которое как раз и направлено против поля, индуцировавшее этот ток. Если бы это было не так, то получили бы вечный двигатель. Индуцированные токи в сверхпроводнике назвали мейсснеровскими токами.

В режиме сверхпроводимости, как мы видели, электроны ничего не поглощают, но они регулярно движутся в колебательном режиме, и поэтому даже в постоянном магнитном поле возникает индуцированное поле, направленное против внешнего магнитного поля. А поскольку в этом режиме преобразований потерь нет, то и компенсация поле полей происходит полностью. Это похоже на скин-эффект.

Выяснится, что есть еще сверхпроводники второго рода, в которых проводимость изменяется от мейсснеровского состояния до нормального состояния не резко, а через некоторое смешанное состояние. В смешанном состоянии в проводнике есть зоны сверхпроводимые и зоны с нормальной проводимостью. Нити обычной проводимости появляются из-за проникновения магнитного поля в сверхпроводник, а образуются они квантовыми вихрями или абрикосовскими вихрями. Вихри образуются при превышении магнитного поля B_c1 (нижнее критическое поле) (третий график). Когда электрон входит в сверхпроводимый режим, то это не значит, что он не может поглощать фотоны ниже определенной энергии, условно скажем энергии 200 единиц. Некоторые электроны переходят на уровни, что они не могут поглощать фотоны энергии меньшей 210 или 223 единиц. Все зависит от пред состояния, в котором был электрон перед входом в режим сверхпроводимости. Вот эти состояния электронов и организуют смешанное состояние.

И еще одно - теоретически предсказано Егором Бабаевым и Мартином Спейт существование сверхпроводника 1,5-го рода. В этом случае между мейсснеровским состоянием и смешанным состоянием есть промежуточное состояние. В этом случае возникают так названные этими учеными вихревые «молекулы», которые затем группируются в вихревую решетку.

Правда убедительно подтвердить это теоретическое положение Мощалкову не удалось, чему собственно и посвящена рассматриваемая статья. Оказалось, что он наблюдал эти вихревые “молекулы” глубоко в мейсснеровском состоянии. В экспериментах Мощалкова интервал находится «глубоко» в мейсснеровском состоянии, “…мейсснеровское состояние, согласно различным экспериментальным оценкам колеблется приблизительно от 0,003 до 0,01 Тл для той же температуры 4,2 К”, а опыты Мощалкова проводились в “…интервале индукций магнитного: от 0,0001 Тл до 0,0005 Тл при температуре 4,2 К”.

Ясность в это явление можно внести с позиции фотонов (фотон действительно вихревая структура в смысле распространения), точнее их генерации и поглощения. А именно, всем известно, что изменяющееся магнитное поле наводит в проводнике ток. Под током понимается движение электронов. Движущийся, точнее ускоряющийся, электрон излучает (генерирует) кванты (фотон). Чтобы электрон возвратился в свое предыдущее состояние, он обязан поглотить точно такой же фотон, какой он излучил. То есть магнитное поле открыло резонансные возможности у электрона, что аналогично повышению температуры. Получается, что понижением температуры мы пытаемся унять хаотичное движение электронов, а магнитное поле провоцирует это движение, хотя и более упорядоченное. И возможностей возбуждения движения электронов у магнитного поля достаточно много: и величина магнитного поля, и скорость его изменения. Возможно не только изменение скорости электрона, но и переориентация спина электрона, что резко изменяет его резонансные свойства. По этой причине вполне возможно не только сверхпроводимость полуторного рода, но еще какие-нибудь проводимости, отличные от сверхпроводимостей 1 и 2 рода.