Коротко — потому что при достаточном понижении температуры в металле электронная эффективная взаимная энергия становится привлекательной и электроны связываются в куперовские пары, которые конденсируются в когерентное квантовое состояние с энергетическим зазором, препятствующим рассеянию. Это даёт нулевое электрическое сопротивление и эффект Мейснера (вытеснение магнитного поля).
Физика (суть):
- Взаимодействие: в обычных (BCS) сверхпроводниках основная притягивающая сила — обмен фононами; электроны с противоположными импульсом и спином образуют пары (Купер-пары).
- Конденсация и зазор: при переходе образуется энергетический зазор $\Delta (T)$; при $T\to 0$ в BCS $\Delta (0)=1.764k_B{T}_c$.
- Отсутствие рассеяния: парная конденсация делает рассеяние единичных носителей неэффективным, поэтому сопротивление стремится к нулю.
Что определяет критическую температуру $T_c$:
- Сила электрон‑фононного взаимодействия $\lambda$.
- Плотность состояний на уровне Ферми $N(0)$.
- Характерная частота фононов (Дебайева температура ${\Theta }_D$ или средняя частота ${\omega }_{\ln }$).
- Отталкивающая кулоновская коррекция (псевдопотенциал) ${\mu }^{\ast }$.
- Кристаллическая структура, примеси, давление, химический состав и наличие сильно коррелированных (нефононных) механизмов (в купратных, железосодержащих и др. сверхпроводниках механизм может быть иным).
Приближённая эмпирическая формула (Макмиллан / Аллен–Дайнз) для $T_c$:
$$T_c\approx \frac{{\Theta }_D}{1.45}\exp \left(-\frac{1.04(1+\lambda )}{\lambda -{\mu }^{\ast }(1+0.62\lambda )}\right)$$ (для сильных корреляций или неклассических механизмов эта формула неприменима).
Критический ток $I_c$ и от чего он зависит:
- Определяется критической плотностью тока $j_c$ и поперечным сечением проводника: $I_c=j_{c}A$.
- Источники лимитации: депэринговый (разрыв пар при слишком большом кинетическом энергии), движение вихрей (в типе II) и их отпирание, дефекты, тепловые флуктуации, внешнее магнитное поле.
- Зависимость от параметров сверхпроводника: длина когерентности $\xi$ и глубина проникновения $\lambda$ влияют на депэринговый ток; критическое поле $H_{c2}$ связано с $\xi$ как
$$H_{c2}=\frac{{\Phi }_0}{2\pi {\xi }^2},{\Phi }_0=\frac{h}{2e}.$$ - Температурная зависимость (в рамках Ginzburg–Landau):
$$j_c(T)=j_c(0){\left(1-\frac{T}{T_c}\right)}^{3/2}.$$
Коротко: $T_c$ задаётся микроскопическими взаимодействиями (электрон‑фононные параметры, плотность состояний, кулоновские эффекты и т. п.) и структурой материала; $I_c$ определяется критической плотностью тока (депэринг, вихревые процессы, закрепление, геометрия и температура), причём реальный $I_c$ часто оказывается ниже теоретического из‑за дефектов и термического/магнитного разрушения пар.