Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Фазовый переход (фазовое превращение), в широком смысле — переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий — температуры, давления, магнитных и электрических полей и т. д.; в узком смысле — скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Различие двух трактовок термина «Фазовый переход» видно из следующего примера. Переход вещества из газовой фазы в плазменную в узком смысле слова не является фазовым переходом, т. к. ионизация газа происходит постепенно, но в широком смысле — это фазовый переход. Рассмотрим фазовый переход в узком смысле. Различают фазовые переходы двух родов. При фазовом переходе 1-го рода скачком меняются такие термодинамические характеристики вещества, как плотность, концентрация компонентов; в единице массы выделяется или поглощается вполне определённое количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. При фазовом переходе 2-го рода некоторая физическая величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растёт (от нуля) при удалении от точки перехода в другую сторону, при этом плотность изменяется непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается. Фазовые переходы 1 рода — широко распространённое в природе явление. К ним относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твердую фазу, некоторые структурные переходы в твердых телах. В чистых сверхпроводниках достаточно сильное магнитное поле вызывает фазовый переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. К фазовым переходам 2-го рода относятся: переход парамагнетик — ферромагнетик, сопровождаемый появлением макроскопического магнитного момента; переход парамагнетик — антиферромагнетик, сопровождаемый появлением антиферромагнитного упорядочения; переход параэлектрик — сегнетоэлектрик с появлением самопроизвольной (спонтанной) поляризации вещества; переход металлов и сплавов из нормального в сверхпроводящее состояние, переход 3Не и 4Не в сверхтекучее состояние и т. д.

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Т_с — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Т_с изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb₃Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB₂) у низкотемпературных сверхпроводников (Т_с ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+d (Hg?1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К) (Рисунок 1).