5.3. ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ БАРДИНА–КУПЕРА–ШРИФЕРА

Суть теории Бардина–Купера–Шриффера заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются (тепловые колебания атомов минимальны), и их можно считать фактически стационарными. Любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание». Металл представляет собой кристаллическую решетку, состоящую из ионизированных, положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, свободно «плавающих» между ними. Когда проводник попадает под действие разности электрических потенциалов, электроны, будучи свободными, движутся между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако в то самое время, когда электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но при этом возникает положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Таким образом, «проскакивая» между атомами, электрон тем самым создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри кристаллической структуры парами – по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект, можно привести аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, таким образом, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя так называемые куперовские пары.

Важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. При этом электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии на рассеяние, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 г. получили Нобелевскую премию.