Кратко — сопоставление по трем направлениям: экспериментальные признаки, теоретические проблемы и прикладные ограничения.
1) Экспериментальные наблюдения, указывающие на разные механизмы спаривания
- Традиционные (BCS, металлы и сплавы, Nb, Pb, NbTi, Nb${}_3$Sn):
- Явная изотопная зависимость $T_c$: $T_c\propto M^{-1/2}$ ( phonon‑mediated ).
- Однородная, изотропная s‑волновая щель энергии: $\Delta \approx 1.76k_B{T}_c$ (в слабой связи).
- Спектры туннелирования и электрон‑фононные спектры (Eliashberg) согласуются с фононами как «клеем».
- Длинная когерентная длина и малые флуктуации: $\xi \sim 10^1-10^2$ nm, $\lambda \sim 10-10^2$ nm.
- Купраты (высокотемпературные):
- Родительские материалы — сильно коррелированные Mott‑изоляторы; сверхпроводимость появляется при легировании — не типичный BCS‑металлический случай.
- d‑волновая симметрия щели: фаза и узлы выявлены фазочувствительными опытами (Josephson‑интерферометрия), ARPES и угол‑зависимая спектроскопия; форма $\Delta (\mathbf{k})\propto \cos k_x-\cos k_y$ с узлами.
- Псевдощель: открытие gap‑подобной структуры при $T>T_c$ (температура $T^{\ast }>T_c$), Fermi‑арки в ARPES, не‑FL поведение (линейная T‑зависимость сопротивления).
- Сильное спиновое возбуждение (нейтронное рассеяние) — резонанс возле $(\pi ,\pi )$, корреляция со сверхпроводимостью → указание на роль спиновых флуктуаций как возможного «клея».
- Малая когерентная длина и большая анизотропия: $\xi \sim 1-3$ nm, $\lambda \sim 100-1000$ nm; слабые границы зерен (weak‑link behaviour).
2) Теоретические вызовы (что не решено)
- Отсутствие контролируемого малого параметра: BCS использует слабую электрон‑фононную развязку и разрежённое расширение; в купратах сильные корреляции делают обычную теорию неработоспособной.
- Неясен основной «клей»: спиновые флуктуации, фононы, комбинированные механизмы или коллективные эффекты (стрипсы, нематичность, зарядовый порядок) — дебаты сохраняются.
- Происхождение и природа псевдощели $T^{\ast }$: предвестник супружественности или конкурирующий порядок?
- Численные трудности: Hubbard/ t–J модели нередко считаются минимальными, но точное решение трудно (QMC страдает sign‑problem, DMRG/DMFT даёт частичные ответы). Невозможно надёжно вывести $T_c$ и спектры в общем виде.
- Количество разнообразных феноменов (анизотропия, инхомогенности, мульти‑бэндовая структура у некоторых материалов) усложняет универсальную теорию.
Практические ограничения и следствия для технологий
- Магниты (высокополевые):
- Низкотемпературные сверхпроводники (NbTi, Nb${}_3$Sn): хорошо отлаженная технология, высокая прочность, большие критические токи в многожильных проводах; требуют жидкого гелия ($T\sim 1.8-4.2$ K).
- Купраты (YBCO, REBCO): высокий $T_c$ и очень большой верхний критический поле $H_{c2}$ — теоретически лучшие для высоких полей; но мелкая $\xi$, сильная анизотропия и «weak‑link» эффект на границах зерен требуют сложных тонкоплёночных coated‑conductor технологий, сложной механической стабилизации и дорогостоящего производства. Вывод: купраты перспективны для высокополевых магнтов, но промышленные затраты и надёжность ограничивают широкое распространение.
- Квантовые биты:
- БД‑сверхпроводники на Al/Nb (s‑волна) дают низкую плотность низкоэнергетических квазичастиц, хорошую и повторяемую барьерную технологию (AlOx), долгие времена когерентности.
- d‑волновые купраты имеют узлы в спектре → остаточные низкоэнергетические квазичастицы приводят к деградации когерентности; трудности с управляемыми Josephson‑переходами и репродуцируемостью. Следовательно, для сверхпроводниковых кубитов купраты практически неприменимы.
- Передача энергии:
- HTS‑кабели (работают при $T\approx 20-77$ K) привлекательны для уменьшения затрат на охлаждение по сравнению с 4 K; но дорогие провода, ликвидация потерь (AC‑гистерезис, вихревая диссипация), проблемные соединения и надежность в полевых условиях — основные препятствия.
- LTS‑решения при 4 K экономически невыгодны для распределения электроэнергии в широком масштабе. HTS хороши для нишевых приложений (плотная передача, высокие токи), но массовое распространение ограничено стоимостью и эксплуатацией криоинфраструктуры.
Короткое резюме:
- BCS: хорошо понятен, фонон‑опосредованное спаривание, предсказуемые параметры и удобен для инженерии (магниты, кубиты).
- Купраты: высокая $T_c$ и интересные физические явления (d‑волна, псевдощель, сильные корреляции), но механизм спаривания и многие феномены остаются нерешёнными; это порождает значительные технологические сложности и ограничивает применение в областях, где важна стабильность, однородность и низкие потери (квантовые устройства, массовая передача электроэнергии), хотя для высокополевых магнитов и специализированных кабелей HTS имеют явные преимущества.