Кратко: сверхпроводимость возникает потому, что при низкой температуре электроны в металле могут образовывать связные пары (куперовские пары) и конденсироваться в когерентное состояние с нулевым сопротивлением. Разные теории предлагают разные механизмы «склеивания» электронов — ниже — основные гипотезы и эксперименты для их проверки.
Гипотезы / механизмы сцепления
- Электрон‑фононный обмен (классический BCS / Элиашберг): электроны взаимодействуют опосредованно через фононное поле; эффективное притяжение при энергиях ниже фононного спектра. Параметры: функция спектрального взаимодействия ${\alpha }^{2}F(\omega )$ и параметр связи $\lambda$. McMillan‑формула даёт приближённую $T_c$:
$$T_c=\frac{{\Theta }_D}{1.45}\exp \left(-\frac{1.04(1+\lambda )}{\lambda -{\mu }^{\ast }(1+0.62\lambda )}\right).$$ Признаки: выраженный изотопный эффект $T_c\propto M^{-\alpha }$, квазичастицы с гладким полным изгибом спектра, туннельная плотность состояний с фиксациями, согласуемая ${\alpha }^{2}F(\omega )$.
- Спиновые флуктуации (магнитное медиационное сцепление): обмен спиновых возбуждений приводит к эффективному притяжению в каналах с меняющимся знаком порядка (например, d‑ или s±‑симметрия). Характерно для высокотемпературных купратов, железо‑основанных сверхпроводников.
Признаки: резонанс в неупругом нейтронном рассеянии при векторе $\mathbf{Q}$, знакоизменяющаяся функция порядка $\Delta (\mathbf{k})$.
- Экзитонная/плазмонная медиация: электронные коллективные возбуждения (экситоны, плазмоны) обеспечивают притяжение. Ожидается слабый или отсутствующий изотопный эффект, особенности в электрооптических и EELS‑спектрах.
- Преформированные локальные пары / BEC‑сценарий: при сильной локальной корреляции пары формируются как локальные бондовые объекты и конденсируются при низкой $T$ (перехо́д BCS→BEC). Признаки: псевдопроводящее поведение выше $T_c$, большой парный разрыв по отношению к $k_B{T}_c$.
- Многополосная супергпроводимость (MgB2 и др.): разные полосы имеют разные ${\Delta }_i$; межполосная пара кооперации важна.
- Одночастичные / спин‑трёхмерные и топологические механизмы (p‑волна, нечётная частота): сцепление за счёт спин‑орбитального взаимодействия или особенностей ФС даёт трёхмерные/топологические состояния (Majoranа‑краевые термы). Признаки: нулевой энергетический пик в туннеле, нарушения временной симметрии, пограничные состояния.
Ключевые экспериментальные проверки (что смотреть и как интерпретировать)
- Изотопный эффект: измерить изменение $T_c$ при замене масс ионных модуляций; существенный эффект → фононы важны. Формула: $T_c\propto M^{-\alpha }$.
- Туннелирование / ИТС / STM: получить плотность состояний $N(E)$ и, через инверсию McMillan–Rowell, ${\alpha }^{2}F(\omega )$. Фононная подъёмка в спектре и структура к кожним энергиям подтверждают электрон‑фононный механизм; нулевой‑энергетический пиковый сигнал или ноды указывают на иное.
- ARPES: карта $\Delta (\mathbf{k})$ по ФС; симметрия и наличие узлов (d‑, p‑, s±) и «кики» (копплинг‑кил‑кик) дают информацию о парящей бозонной моде.
- Неупругое нейтронное рассеяние: резонанс спиновых флуктуаций при $\mathbf{Q}$ → сильный аргумент в пользу магнитного клея; энергия резонанса связана с $\Delta$.
- NMR (Knight shift, $1/T_1$): падение Knight shift при охлаждении → спин‑синглетная связь; отсутствие падения → тройственная. Отсутствие когерентного пика $1/T_1$ → не‑BCS или узлы.
- Воздействие примесей: для обычного s‑волнового состояния немагнитные примеси мало подавляют $T_c$ (теорема Андерсона); для знакоизменяющихся состояний (d, s±) немагнитные рассеяния сильноподавляют $T_c$. Потому умысленная засорённость различного типа дискриминирует модели.
- Теплопроводность, тепловая ёмкость, проникновение магнитного поля: температурные зависимости ($T$‑закон) отличают полноразрывные и узловые состояния (экспоненциальная vs степенная зависимость).
- Фотонная и ультрабыстрая спектроскопия (pump–probe, Raman, оптика): времяразрешённые отклики дают информацию о времени релаксации, связях с конкретными модами; Raman‑резонансы указывают на нужные симметрии колебаний.
- Josephson‑эксперименты и фазочувствительные устройства (SQUID, corner junction): прямое определение знака и симметрии $\Delta (\mathbf{k})$.
- EELS / RIXS / оптический спектрометр: обнаружение плазмонных/экситонных мод, их энергий и силы связи (проверка экситонной/плазмонной гипотезы).
- muSR, Kerr‑эффект: поиск нарушения временной симметрии (TRSB) → индикатор нестандартной (например p+ip) сверхпроводимости; краевые токи — топологические признаки.
- Высокое давление и химический допинг: систематическое изменение $T_c$ и спектра возбуждений помогает выяснить роль электрон‑фермической структуры и взаимодействий.
Как интерпретировать результаты (коротко)
- Сильный изотопный эффект + McMillan‑совместимая ${\alpha }^{2}F(\omega )$ + туннельные признаки → электрон‑фононный механизм.
- Нейтронный спин‑резонанс при $\mathbf{Q}$ + знакоизменяющаяся $\Delta (\mathbf{k})$ + чувствительность к немагнитным примесям → магнитная (спин‑флуктуационная) пара‑медиируемая сверхпроводимость.
- Отсутствие изотопного эффекта, наличие плазмонных/экситонных пиков в EELS/RIXS → экситон/плазмон‑основанный механизм.
- Псевдопроводящее состояние над $T_c$, сильные локальные корреляции и соотношение gap/$k_B{T}_c$ → BCS→BEC переход, преформированные пары.
- Нулевой‑энергетический пикообразный сигнал в краевом туннеле/Majorana‑функции, TRSB → топологическая p‑волна или нечётная частота.
Заключение (одно предложение): сочетание нескольких независимых методов (изотопные эксперименты, нейтрон/ARPES/STM/НMR, влияние примесей и фазочувствительные Джозефсон‑замеры) позволяет различить, какой «клей» — фононы, спин‑флуктуации, экситоны, локальные пары или топологические механизмы — отвечает за сверхпроводимость в конкретном материале.