Коротко и по существу.
Почему сверхпроводимость устраняет сопротивление
- В обычных металлах сопротивление возникает из-за рассеяния квазичастиц (электронов) на дефектах, фононах, друг на друге: при рассеянии теряется импульс и энергия беспорядочного тока.
- В сверхпроводнике электроны образуют Куперовские пары и конденсируются в макроскопическую когерентную квантовую волну, описываемую порядковым параметром $\Psi =|\Psi |e^{i\varphi }$. Текущее состояние — когерентное движение пар, а не случайное движение отдельных электронов.
- У возбуждений сверхпроводника есть энергетический разрыв $\Delta$ между основным состоянием и квазичастицами. Чтобы рассеять ток, нужно возбудить квазичастицы или разорвать пары, то есть затратить энергию $\ge \Delta$. При $k_{B}T\ll \Delta$ таких процессов практически нет, поэтому нет необратимого рассеяния и сопротивления → идеальный (диссипационныйно нулевой) ток.
- Математически: в BCS-конденсат ток связан с градиентом фазы, например ${\mathbf{j}}_s\propto |\Psi {|}^2\nabla \varphi$, и устойчив к обычным упругим рассеяниям; также действует лондонский эффект (экранование магнитного поля) вследствие упорядоченного состояния.
Классическая BCS‑сверхпроводимость (что и как)
- Механизм: фононно-индуцированное эффективное притяжение между электронами у Ферми-поверхности приводит к образованию Куперовских пар. В слабой связи BCS даёт оценку разрыва и $T_c$:
$\Delta \sim 2\hslash {\omega }_D{e}^{-1/N(0)V}$ и при низких температурах $\Delta (0)\approx 1.76k_B{T}_c$.
- Характерные черты: спаривание в канале s‑волны (изотропный разрыв), большая когерентная длина $\xi$ ($\xi \gg a$, где $a$ — межатомный шаг), нормальное состояние — хороший ферми-жидкий металл, выполняется теория возмущений.
Открытые вопросы и отличия у высокотемпературных сверхпроводников
- Главные наблюдаемые отличия в купратов (и многих «необычных» сверхпроводниках):
- Симметрия спаривания часто d‑волновая с узловыми линиями, где $\Delta (\mathbf{k})$=0.
- Очень короткая когерентная длина $\xi \sim a$ (пары «компактнее»).
- Сильная электронная корреляция: нормальное состояние часто является наближающимся к Мотту‑изоляторам, а не обычным ферми-жидким металлом.
- Псевдогап, странная металлическая фаза и сильные флуктуации фазы/спина над $T_c$.
- Что именно остаётся неясным (основные открытые вопросы):
- «Клей» спаривания: роль спиновых флуктуаций, зарядовых флуктуаций, фононов или комбинации механизмов — окончательно не установлена.
- Как учитывать сильные корреляции нестандартными теоретическими методами: BCS-тип подходы обычно непригодны в сильной связи.
- Взаимосвязь между псевдогепом и супергегом: предформированные пары или конкурентные упорядочения (например, антиферромагнетизм, плотностные волны)?
- Микроскопическое объяснение высоты $T_c$ и почему разные семейства (купраты, железопористые, тяжёлые фермионы) показывают разные симметрии и механизмы.
- Роль квантовой критичности, пространственной неоднородности, межплоскостной связи и электрон-фононного вклада в присутствии сильных корреляций.
Кратко о содержании: и в высокотемпературных сверхпроводниках спаривание и фазовая когерентность дают отсутствие рассеяния и нулевое сопротивление, но микроскопический механизм образования пар и природа нормального состояния отличаются от слабосвязанной BCS‑картины и пока не полностью понятны.