Протягом усієї історії розвитку цивілізації людство вабили дві крайнощі: вогонь та холод. Першим з часів Прометея, безперечно, був вогонь. Вогонь, зрештою, «зробив людину людиною». Як вірний супутник, він супроводжував її на тернистих шляхах еволюції.

Протилежність вогню – технологічний холод – став широко доступним лише після значного прискорення розвитку науки і техніки наприкінці ХІХ сторіччя.

Протягом усієї історії розвитку цивілізації людство вабили дві крайнощі: вогонь та холод. Першим з часів Прометея, безперечно, був вогонь. Вогонь, зрештою, «зробив людину людиною». Як вірний супутник, він супроводжував її на тернистих шляхах еволюції. Вогонь був завжди надійним помічником і в побуті, і на полюванні. Ще в сиву давнину він допоміг нашим пращурам опанувати такі важливі для розвитку суспільства технології, як створення кераміки, виплавка металів, а згодом і виробництво скла.

Протилежність вогню – технологічний холод – став широко доступним лише після значного прискорення розвитку науки і техніки наприкінці ХІХ сторіччя. Опанування людством технологій отримання наднизьких температур стало запорукою яскравих, дивовижних та доленосних відкриттів.

А починалося все так. Наприкінці ХІХ століття, у 1877 році, французький інженер Луї Поль Кайете і швейцарський фізик Рауль П’єр Пікте незалежно один від одного вперше отримали кисень у скрапленому стані (90° К). Це був визначний крок у розвитку фізики і техніки низьких температур. Луї Поль Кайете і Рауль П’єр Пікте відчинили людству двері у світ кріогенних технологій. Варте здивування те, як стрімко розгорталися далі події у царині низьких температур.

Наступною сходинкою на «шляху вниз» до абсолютного нуля було отримання зрідженого азоту (77° К). У 1883 році цю задачу вирішили Зигмунд Врублевський і Кароль Ольшевський. Невдовзі, у 1898 році, професор Кембриджського університету, шотландський фізик і хімік Джеймс Дьюар отримав рідкий водень (20° К).

У цей час, починаючи з 1893 року, проблематикою наднизьких температур зацікавився голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес. Він створив найкращу на той час кріогенну лабораторію, яка увібрала всі найпередовіші досягнення тогодення. Як наслідок кропіткої, напруженої та цілеспрямованої роботи 10 липня 1908 року експериментатором було отримано скраплений гелій (4° К). Згодом вченому вдалося довести температуру рідкого гелію до 1° К – фантастичний показник для того часу!

Отримання рідкого гелію не було самоціллю для Хейке Камерлінга-Оннеса, адже експериментатору скраплений гелій був необхідний як засіб для вивчення властивостей металів. Зокрема, до кола наукових інтересів ученого входило дослідження залежності електричного опору різних матеріалів від температури. Цікаво, що в ті часи існувало декілька гіпотез щодо поведінки електричних характеристик металів при глибокому охолодженні. За деякими з них вважалося, що електричний опір при зниженні температури має плавно зменшуватись. Інші теоретики стверджували, що при наднизьких температурах рух електронів буде гальмуватись аж до повної їхньої зупинки і, як наслідок, опір матеріалу повинен, навпаки, стрімко зростати. Адже коли носії зарядів, електрони, перестануть рухатися, речовина зовсім втратить спроможність проводити струм.

Досліди, які провів Камерлінг-Оннес разом зі своїми асистентами Корнелісом Дорсманом і Гіллесом Хольстом, повністю підтвердили припущення про плавне зниження електричного опору при охолодженні. Та основна несподіванка і наукова звитяга чекала їх попереду.

Камерлінг-Оннес неочікувано виявив, що при температурі близько 4° К електричний опір досліджуваного зразка ртуті раптово знизився практично до нуля. Майже зник! Це відкриття було зроблене 8 квітня 1911 року. Наступні експерименти підтвердили, що різке зниження опору відбувається при температурі 4,2° К. Цей ефект був настільки неочікуваним для вчених, що його не змогла пояснити жодна існуюча на той час теорія. Так світ дізнався про явище надпровідності. Безумовно, це визначне відкриття стало можливим завдяки розвитку технологій по скрапленню газів та охолодженню матеріалів до наднизьких температур.

У 1912 році Камерлінг-Оннес також відкрив явище надплинності рідкого гелію.  «За дослідження властивостей речовин при наднизьких температурах…» у 1913 році Камерлінг-Оннеса було нагороджено Нобелівською премією з фізики. А ось колеги-фізики, яким ніколи не бракувало гумору, удостоїли його не менш почесного звання – він назавжди отримав прізвисько «Володар Абсолютного Нуля».

Далі історія надпровідності розвивалась не менш яскраво і цікаво.

У 1912 році було виявлено ще два метали, що мають здатність переходити у надпровідний стан при низьких температурах. Це були свинець та олово.

У січні 1914 року з’ясувалося, що надпровідність руйнується сильним магнітним полем.

У 1919 році було встановлено, що талій і уран також є надпровідниками.

Перше теоретичне обґрунтування надпровідності було зроблене у 1935 році Фріцем і Хайнцем Лондонами. Ними також було встановлено, що надпровідник, обертаючись, генерує магнітне поле, яке співнаправлене з віссю обертання. Магнітний момент, що виникає при цьому, отримав назву «момент Лондона».

Загальніша теорія надпровідності була побудована  1950 року видатними радянськими вченими Л. Д. Ландау і В. Л. Гінзбургом. Вона отримала широке розповсюдження і відома як теорія Гінзбурга-Ландау (ГЛ). Проте всі ці теорії мали здебільшого феноменологічний характер. Вони недостатньо повно розкривали механізми надпровідності.

На мікроскопічному рівні надпровідність вперше отримала пояснення у 1957 році у роботі американських фізиків Джона Бардіна, Леона Купера і Джона Шріффера. Центральним елементом їх теорії, що отримала назву «теорії БКШ», є так звані «куперівські пари» електронів. За уявленнями того часу, утворення куперівських пар є наслідком електрон-фононної взаємодії, яка відбувається завдяки зміні електричного поля, що спричинена деформацією кристалічної ґратки. Теорія БКШ стверджує, що наявність електрон-фононної взаємодії призводить до виникнення сили  притягання між електронами. При цьому перший електрон втрачає свою енергію, а енергія електрона, що притягнувся, збільшується. Так утворюються куперівські пари електронів, які відповідальні за виникнення явища надпровідності.

За створення теорії БКШ її авторів було удостоєно Нобелівської премії з фізики за 1972 рік. Важливо зазначити, що ця теорія переконала більшість дослідників того часу в тому, що надпровідність вище 25° К є неможливою. Це, безперечно, не кращим чином вплинуло на оцінку перспективності практичного застосування надпровідників та їхнє подальше вивчення.

Маючи цікаву і нетривіальну природу, явище надпровідності супроводжується цікавими і нетривіальними ефектами. Зокрема, для надпровідності характерний ефект Мейснера-Оксенфельда, який полягає в повному виштовхуванні магнітного поля об’ємом провідника при його переході в надпровідний стан. Явище було спостережене в 1933 році німецькими фізиками Вальтером Мейснером і Робертом Оксенфельдом. Цей ефект спричиняє так звану магнітну левітацію, коли звичайний магніт здатен, наче казковий килим-літак, зависати у повітрі під впливом надпровідника. Іншими словами, Мейснер і Оксенфельд виявили властивість надпровідників у присутності незначного за інтенсивністю магнітного поля поводитися, як ідеальні діамагнетики. Якщо ж сила магнітного поля збільшувалась, стан надпровідності руйнувався. Згодом Фріц Лондон висунув гіпотезу, за якою діамагнетизм є фундаментальною властивістю надпровідників. Це припущення справдилось. За сучасним визначенням надпровідність – це водночас відсутність опору та ідеальний діамагнетизм зразка. Явище магнітної левітації, яке є проявом ефекту Мейснера-Оксенфельда, має великі перспективи щодо використання у транспорті майбутнього.

У 1952 році Літтлом і Парксом було виявлено, що температура переходу тонкостінного циліндра малого радіусу в надпровідний стан періодично залежить від величини магнітного потоку, період якого дорівнює кванту потоку. Цей ефект отримав назву ефекта Літтла-Паркса. Він є проявом макроскопічної природи надпровідності.

Залежністю, що пов’язує критичну температуру надпровідників з атомними масами ізотопів одного і того ж надпровідного елемента, є ізотопічний ефект.

Однією із задач, заради розв’язання якої у ХХ сторіччі інтенсивно проводилися масштабні дослідження надпровідності, було створення «надмагнітів». Для практичного застосування у потужних електромагнітах вирішальне значення мало відкриття в 1950-х роках надпровідників, здатних витримувати сильні магнітні поля і пропускати струми великої щільності. Відомі до того часу надпровідники мали одну спільну ваду, яку виявив ще Камерлінг-Оннес – у сильних магнітних полях вони втрачали свої дивовижні властивості і знову ставали «звичайними» провідниками. І ось у 1960 році під керівництвом Дж. Кюнцлера був відкритий матеріал Nb₃Sn, дріт з якого здатен при температурі 4,2° К, перебуваючи у магнітному полі величиною до 8,8 Тл, пропускати струм щільністю до 100 кА/см².

Чергові дивовижні перемоги на фронтах надпровідності були здобуті наприкінці минулого сторіччя. У 1986 році Карл Мюллер і Георг Беднорц відкрили новий тип надпровідників, що отримали назву високотемпературних надпровідників (ВТНП). Наступного року було виявлено, що сполуки лантану, стронцію, міді і кисню (La-Sr-Cu-O) здатні втрачати електричний опір практично до нуля при температурі 36° К. Так почалася доба надпровідників на основі купратів.

ВТНП на основі купратів – це сімейство надпровідних керамік. Їм притаманна загальна структурна особливість: відносно добре розділені мідно-кисневі площини. Температура надпровідного переходу, яка може бути досягнута для деяких сполук у цьому сімействі, є найвищою серед усіх відомих надпровідників. Для різних видів купратів виявлено низку спільних особливостей. Показово, що багато з цих властивостей не можуть бути пояснені в рамках теорії БКШ, а спеціальної теорії надпровідності у купратах поки що немає.

У 2001 році відкрито надпровідність для сплаву MgB₂ (диборид магнію). Ця сполука має рекордну для інтерметалідів температуру переходу у надпровідний стан Т_с=40° К. Кристалічна будова цього матеріалу має структуру, в якій чергуються шари бору і шари магнію. Шаруватість призводить до анізотропії фізичних властивостей цієї речовини. Ця двозонна сполука стала першим відомим науці надпровідником, що володіє одразу двома надпровідними щілинами. Внесення домішок інших атомів до MgB₂, тобто допування, призводить до незначного зниження її критичної температури переходу Т_с. Вірогідно, цей сплав має оптимізовані від природи властивості, що не піддаються подальшому штучному «поліпшенню».

Станом на 1 січня 2006 року рекорд температури для ВТНП належав керамічній сполуці типу Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), яку відкрито у 2003 році.  Критична температура цього надпровідника складає 138° К.  Дослідженнями встановлено,  що  при тиску  400 кбар  ця  сполука залишається надпровідником навіть  при температурі 166° К  (-107°С).

У 2008 році японською групою Хосоно було зроблено відкриття нового класу надпровідних сполук з високими значеннями критичної температури T_c. Це шаруваті сполуки на основі заліза і елементів V групи (пніктиди). Таким чином вперше у світі було констатовано надпровідний стан у сполук, що містять магнітні атоми Fe. Під впливом цього відкриття вивчення надпровідності дуже швидко змінило стратегічні напрямки. Дослідники в усьому світі переорієнтувалися на пошук нових матеріалів на основі заліза. За науковим резонансом це досягнення дуже подібне до відкриття ВТНП-купратів. Показовою є кількість цитувань. Якщо роботу Беднорца та Мюлера 1986 року на сьогодні процитовано більше 10000 разів, то роботу Хосоно 2008 року – вже більше 3000.

Кристалічна структура всіх залізовмісних надпровідників (а вже відомо 6 сімейств) має шари, що чергуються, в яких атоми заліза оточені тетраедром з атомів As або Se. На думку вчених, саме цей фактор пригнічує магнітні властивості атомів Fe. Завдяки цьому для сполуки GdOFeAs, допованої фтором, критична температура досягає 55° К. Всі залізовмісні надпровідники мають багатозонну структуру і є квазідвомірними. При переході до надпровідного стану у кожній зоні відкривається власна щілина, що призводить до появи як мінімум двох надпровідних конденсатів і багатощілинної надпровідності, подібно до випадку дибориду магнію (MgB₂).

Матеріали на основі заліза – феропніктиди – демонструють дуже високі значення критичного магнітного поля при досить ізотропній густині критичного струму, чим виявляють перспективність з точки зору магнітних застосувань. Критична температура для них зазвичай є меншою, ніж для купратів; втім, для практичного застосування ця різниця не дуже принципова. Залізовмісні надпровідники цікаві для дослідників не стільки власними показниками критичної температури, скільки своїм різноманіттям.

У 2004 році Андрієм Геймом та Костянтином Новосьоловим із Манчестерського університету був отриманий новітній матеріал графен, який є моноатомною плівкою графіту. Для графена характерні особливі електричні властивості. Зокрема, доведено, що електрони у цій речовині поводять себе так, ніби не мають маси. Електрони у графені, як і світло, рухаються з постійною швидкістю. Вчені приєднали аркуш графену до двох надпровідників. Виявилось, що надпровідність при цьому не зникає. Таке явище отримало назву ефекту Джозефсона. Воно відоме для багатьох інших ненадпровідних матеріалів, але у випадку графена надпровідність забезпечена рухом особливих «безмасових» електронів, що є проявом релятивістського ефекту Джозефсона.

У 2008 році Пол Аттфілд з колегами з Единбурзького університету продемонстрували, що високий тиск може сприяти отриманню нових типів високотемпературних надпровідників.

Надихнувшись відкриттям надпровідності для матеріалів на основі рідкоземельних елементів першого ряду (складу RFeAsO, де R=La-Gd), вони вирішили перевірити, чи можливо стабілізувати надпровідники RFeAsO елементами з другого ряду рідкоземельних металів (де R=Tb-Lu).

З використанням синтезу при високих тисках групі Аттфілда вдалося синтезувати надпровідники TbFeAsO і DyFeAsO, критичні температури яких відповідно становлять 46°К і 45°K. На думку вчених, ця нова група надпровідників є найбільш вагомим відкриттям в області надпровідності матеріалів з моменту виявлення високотемпературних надпровідників на основі купратів.

Надпровідність органічних матеріалів зустрічається вкрай рідко. Але у 2010 році Йоширо Кубозоно з колегами з різних інститутів Японії виявили надпровідність простого вуглеводню, доповненого лужними металами. Цим вуглеводнем став піцен, пласка молекула, що є сполукою, яка складається з п'яти зигзагоподібно зшитих між собою бензольних кілець. Нагріваючи піцен до 440° К з металевим калієм у вакуумованій скляній трубці, дослідники виявили перехід кристалів з білого у чорний колір, синтезована речовина набувала металевих властивостей. Експериментаторами отримано широку гаму таких сполук. При охолодженні ці речовини демонстрували перехід у надпровідний стан при температурах від 6,5° К до 18° K. Незважаючи на те, що такі показники критичних температур на сучасному етапі не є актуальними, для органічних надпровідників, наразі, це видатний результат.

Цікавим є той факт, що надпровідність купратів зникає не тільки під час нагрівання, а й при охолодженні нижче критичної температури. Це явище не узгоджується з жодною теорією надпровідності. Досліди, якими керував Іван Бозович з Брукхейвенської національної лабораторії (США), проводились з високотемпературними надпровідниками із групи купратів, що відомі як «найзагадковіші». Для вивчення було вибрано купратний надпровідник типу La_2−xSr_xCuO₄, який мав випадковим чином розміщені у шарах купрату атоми стронцію. За нормальних умов ці атоми не заважали перебігу струму, та при досягненні температури, набагато нижчої від критичної, електрони зупинялись, і надпровідність зникала. Навпаки, при деякому підвищенні температури струм відновлювався, і ізолятор знову перетворювався у надпровідник. При багаторазовому відтворенні досліду було виявлено цікаву залежність. Надпровідність кожного разу зникає і з’являється знову при дещо різних температурах. Фізики вважають, що речовина таким чином ніби накопичує певну «пам’ять», яка наступного разу впливає на температуру переходу до стану надпровідності. Результати цих досліджень матимуть великі наслідки не тільки для розуміння природи явища ВТНП, а й для його практичного використання.

Великі труднощі при отриманні сучасних класів ВТНП-матеріалів пов'язані з хімічною та структурною складністю ВТНП, це обумовлено їхньою термічною та хімічною нестабільністю. Простота та швидкість синтезу надпровідних купратів твердофазним (керамічним) методом створила оманливе враження, що більшість проблем синтезу ВТНП уже вирішені. Традиційні методи твердофазного синтезу цих речовин насправді виявилися малоефективними. Це спонукало розвиток технологій, які базуються на ідеї кристалізації розплавів, що здійснюється у контрольованих умовах. Слід зазначити, що практично всі ВТНП є сполуками, що плавляться інконгруентно. Їх розплав є багатокомпонентною, гетерогенною (що містить поряд з рідкою фазою і тверду, і газоподібну), відкритою (такою, що активно бере участь у кисневому обміні з газовим середовищем) системою і знаходиться у стані, далекому від термодинамічної рівноваги.

Таким чином, найважливішою матеріалознавчою задачею при створенні ВТНП є формування кисень- і катіон-нестехіометричних твердих розчинів із заданим складом, ступенем хімічної однорідності (тобто з певним розподілом на макро- і мікрорівнях складових компонентів), а також у направленому формуванні реальної структури ВТНП-матеріалу, яка забезпечує необхідний комплекс структурно-чутливих властивостей.

За останні десятиліття роботи по вивченню явища надпровідності розвиваються пришвидшеними темпами. Вченими світу виявляються та досліджуються все нові і нові матеріали з надпровідними властивостями. Ось неповний перелік класів новітніх надпровідників.

1. Органічні надпровідники, відкриті у 1979 році, мають максимальну критичну температуру T_c=11,5°К.

2. З'єднання типу A-15, що є класичними низькотемпературними надпровідниками, вперше відкриті у 1954 році, мають T_c=23,2° К.

3. Магнітні надпровідники або фази Чевреля, відкриті у 1979 році, які об'єднують феромагнітні і антиферомагнітні надпровідники. Вони мають T_c=15° К і незвичайно високе значення допустимого магнітного поля, що досягає B_c2=60 Тл.

4. Важкі ферміони з максимальною критичною температурою T_c=18° К демонструють співіснування надпровідності з феромагнетизмом і антиферомагнетизмом.

5. Оксидні надпровідники без міді – попередники високотемпературних надпровідників (ВТНП) мають T_c=31° К. А монокристали перовскітного діелектрика – оксиду вольфраму, доповані натрієм у 1999 році, продемонстрували у поверхневому шарі високотемпературну надпровідність з критичною температурою 91° К.

6. Оксипніктиди – рідкоземельні оксидні структури без міді, відкриті у 2008 році, – швидко досягли надпровідної температури T_c=55° К. Вони, як і ВТНП, мають шарувату кристалічну структуру і відповідні провідні площини FeAs.

7. Оксиди пірохлору – група мінералів, які містять титан, тантал та ніобій, демонструють невисоку температуру переходу T_c=9,6° К.

8. Рутенокупрати – найближчі структурні родичі ВТНП, в яких надпровідність співіснує з феромагнетизмом, показують T_c=50° К.

9. Високотемпературні надпровідники – надпровідні  купрати, відкриті у 1986 році, в яких надпровідність здійснюється по площинах CuO₂, мають на сьогодні температуру надпровідного переходу T_c=166±1,5° K.

10. У рідкоземельних борокарбідах досягнута температура переходу T_c=23° К.

11. Кремнієві надпровідники за високого надлишкового тиску (що є одним з основних факторів підвищення надпровідності у надпровідних матеріалах) проявляють T_c=14° К.

12. Халькогеніди – структури на основі сірки і селену — демонструють невисоку критичну температуру T_c=4,15° К.

13. Вуглецеві надпровідники – структури на основі фулерену, дослідження надпровідності в яких супроводжувалися найбільш суперечливими і скандальними результатами, — мають підтверджену критичну температуру T_c=40° К.

14. MgB₂ і споріднені структури (T_c=39 К). Відкриття надпровідності у цих відомих з початку 1950-х років, дешевих і широкодоступних матеріалах, що демонструють достатньо високу критичну температуру, було досить дивним та неочікуваним, воно відбулося лише у 2001 році, набагато пізніше відкриття ВТНП (у 1986 р.).

Восени 2012 року німецький вчений з Лейпцігського університету Пабло Ескуінаці (Pablo Esquinazi) з колегами, досліджуючи фізичні властивості графіту та інших форм вуглецю, виявив, що окремі зерна графіту після гідротермічної обробки можуть проявляти надпровідні властивості при кімнатній температурі. Цей факт свідчить про можливість досягнення на практиці надпровідності у нормальних умовах, стверджують німецькі фізики у статті, опублікованій у журналі Advanced Materials.

Використані методи можуть прокласти дорогу до нового покоління надпровідників. Поява таких матеріалів принесе людству неоцінену користь. Як з’ясували фізики з Лейпцігського університету, гранули графіту після певної обробки мають вкрай цікаві фізичні властивості. Так, поверхня цих зерен набуває надпровідних якостей, які зберігаються навіть при температурі 300 градусів Кельвіна, або 26 градусів Цельсія! Це проявлялося у тому, що всередині гранул з'являлися характерні різкі фазові переходи магнітного моменту, які притаманні для класичних високотемпературних надпровідників.

На жаль, експериментаторам не вдалося на той час перевірити, чи присутні у синтезованому ними графіті інші ознаки надпровідності. Але відкриття навіть одного з ефектів дає надію, що надпровідники при кімнатній температурі не фантастика, а реальність завтрашнього дня.

В отриманому матеріалі надпровідні властивості має лише 0,0001% від маси графіту через те, що цей ефект спостерігається тільки ззовні гранул. Та у своїх подальших роботах фізики планують детальніше вивчити природу цього явища і, зокрема, роль атомів водню, які сприяють виникненню надпровідності на поверхні зерен графіту.

З кожним роком розширюються сфери застосування явища надпровідності. Не секрет, що без надпровідників навіть робота Великого адронного колайдера (найбільшої у світі експериментальної установки) була б сьогодні неможливою. Для роботи цього надпотужного прискорювача вкрай необхідні матеріали, що виявляють надпровідні властивості. Як відомо, у колайдері рухомі пучки елементарних частинок фокусують за допомогою «магнітних лінз». Для утримання струменю високоенергетичних субатомних частинок потрібне магнітне поле з надвисокою напруженістю. Для його створення електромагніти повинні витримувати струм у 12 кА! А це можливо тільки при переході матеріалу у надпровідний стан. У Великому адронному колайдері використовується 10000 надпровідних магнітів та 1200 тонн кабелю з NbTi при 1,9° К.

Надзвичайно важливим є використання надпровідників у медицині. Для сучасних методів діагностики, таких, як магнітна резонансна томографія (МРТ), необхідні магнітні поля великої інтенсивності. Високопольові МРТ для дослідження мозку використовують магніти, що здатні забезпечувати напруженість магнітного поля майже 12 Тл. Зауважимо, що це практично максимально можливе значення для NbTi при 1,9° К.

Сучасний МРТ томограф.

Вживані надпровідники і в ЯМР (ядерний магнітний резонанс) спектроскопії. Яскравим прикладом такого застосування є надпровідний ЯМР-спектрометр для вивчення біологічних макромолекул, що створений у Йокогамському університеті (Yokohama City University). Цей спектрометр працює на частоті майже 1 ГГц! Такі високі показники стали можливими тільки завдяки використанню явища надпровідності.

Першими ластівками застосування надпровідності на транспорті стали потяги на магнітній подушці. І хоча наразі це явище екзотичне, але уже сьогодні такі засоби пересування курсують у Китаї між Шанхаєм і аеропортом Пудун та в Кореї між Центральним науковим музеєм і Експо-парком. Потяги на магнітній подушці ще називають маглевами (від англ. magnetic levitation – магнітна левітація). Шанхайський маглев став першою у світі комерційною лінією, що використовує принцип магнітної левітації. Ця залізниця, що послуговується потягами на магнітній підвісці, є неймовірним за вартістю проектом сучасності – 10 мільярдів юаней (приблизно 6 млрд. доларів). Для порівняння: вартість будівництва Великого адронного колайдера у ЦЕРН складає біля 8 млрд. доларів. Шанхайський маглев долає відстань у 30 кілометрів за 8 хвилин 1 секунду, при цьому він розганяється до швидкості 431 км/год, на якій утримується протягом 1,5 хвилини. Будувалася ця мега-споруда німецькою компанією Transrapid у 2001-2003 роках. Введена в експлуатацію 1 січня 2004 року.

Сьогодні поїзди на магнітних подушках використовуються у Китаї, Південній Кореї та Японії.

Ще одне застосування сучасних надпровідників – СКВІД (від англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) – надпровідні квантові інтерферометри – надчутливі магнітометри для вимірювання дуже слабких магнітних полів. Ці прилади мають рекордно високу чутливість, що складає 5^.10^-33 Дж/Гц (чутливість по магнітному полю – 10^-13 Тл).

Найпростіший квантовий магнітометр-СКВІД складається з надпровідного кільця з двома джозефсонівськими тунельними контактами. Принцип його дії до певної міри аналогічний оптичному інтерферометру. Але у даному випадку інтерферують не світлові хвилі від двох щілин, а два джозефсонівських струми, які виникають на тунельних контактах. Істотною для розуміння роботи СКВІД є наявність хвильових властивостей у електрона. У СКВІД хвиля електрона розділяється на дві, кожна з яких проходить свій тунельний контакт, а потім обидві хвилі зводяться докупи. Якщо зовнішнє поле відсутнє, обидві ланки будуть еквівалентними, і, відповідно, між хвилями не буде різниці фаз. Та у разі наявності магнітного поля у контурі з’являється циркулюючий надпровідний струм. Цей струм в одному з контактів буде відніматися від постійного зовнішнього струму, а в іншому – додаватися до нього. Так між тунельними контактами виникає різниця фаз. Хвилі електронів, пройшовши через контакти і з'єднавшись знову, будуть інтерферувати в залежності від прикладеного зовнішнього магнітного поля. Ступінчастий характер залежності дозволяє розпізнавати навіть окремі кванти потоку.

СКВІД на постійному струмі був винайдений у 1964 році фізиками Р. Жаклевичем та Дж. Ламбе. Згодом вони  разом з Джеймсом Едвардом Циммерманом винайшли СКВІД на змінному струмі.

Та все ж найперше та найочікуваніше застосування надпровідників – це енергетика, де для них роботи — непочатий край. «Надпровідна гонка» охопила весь світ. Енергетики та фізики багатьох країн беруть участь у цьому глобальному змаганні.

Так, у 2012 році дослідники з National High Magnetic Field Laboratory (США) протестували високотемпературний надпровідний кабель, виготовлений компанією Advanced Conductor Technologies LLC. При виробництві цього кабелю зовнішнім діаметром всього 7,5 мм були використані 40 надпровідних стрічок другого покоління. Випробування показали, що при температурі 4,2° К у магнітному полі 19,81 Тл кабель здатний пропускати струм силою 4101 A, що є рекордом. Інженерна щільність струму 93 А/мм² відкриває двері для створення на основі таких кабелів малоіндуктивних магнітів для використання у вивченні надпровідності, матеріалознавстві і термоядерних дослідженнях.

Актуальною задачею сьогодення, на тлі зростаючих енергетичних потреб, є вдосконалення захисту систем електропередач. Струмові перевантаження, як будь-яке стихійне лихо, можуть спричиняти пошкодження відповідального обладнання та викликати тривалі відключення електрики. Одним із шляхів захисту від перевантажень може бути встановлення на підстанціях надпровідних обмежувачів струму, які створені на основі низькоіндуктивних надпровідникових котушок, що під'єднані паралельно до шунтуючого електричного реактора. У разі виникнення аварійних ситуацій такі котушки автоматично переходять з провідного у резистивний стан і пригнічують струм короткого замикання.

Три провідні світові електротехнічні компанії — Nexans, Siemens і American Superconductor Corporation, – у 2011 році провели успішне випробування однофазного ВТНП-обмежувача струму (клас ізоляції – 138 кВ, номінальний струм – 900 А), призначеного для використання в електропередавальних мережах. Випробування розробленого обмежувача струму показали, що струм замикання вдалося знизити більш, ніж удвічі, що надає оптимізму стосовно подальших розробок.

У 2010 році Корейський електроенергетичний дослідний інститут (Korea Electric Power Research Institute, KEPRI) і компанія LS Industrial Systems оголосили про випробування надпровідникового обмежувача струму на 22,9 кВ, 3000 А.

На підстанції в місті Інчхон заплановано встановити менш потужний обмежувач струму на 22,9 кВ, 630 А, там же фірмами Korea Electric Power Corporation і LS Cable Ltd планується прокласти надпровідний кабель на 22,9 кВ, для чого був укладений контракт з AMSC на виготовлення та поставку ВТНП-дроту другого покоління.

Все більш зростаюча проблема енергетичної залежності людства висунула у XX столітті на перший план наукові напрямки, пов'язані зі створенням не тільки нових видів та джерел енергії, а також засобів і пристроїв її збереження і передачі на значні відстані. Про важливість і актуальність вирішення цих завдань для людства переконливо свідчить той факт, що комітет з присудження Нобелівських премій з фізики ніколи не залишав без уваги вчених, які присвятили себе вивченню явища надпровідності.

Історію фізики надпровідності можна з успіхом вивчати за списком нобелівських лауреатів.

Хейке Камерлінг-Оннес, що розробив і сконструював установку для скраплення газів, на якій у 1906 році отримав рідкий водень, а згодом гелій, був нагороджений Нобелівською премією з фізики у 1913 році «за дослідження властивостей речовини при низьких температурах, які привели до виробництва рідкого гелію». У 1911 році він вперше спостерігав явище надпровідності.

Лев Давидович Ландау – легендарна постать в історії вітчизняної та світової науки. Квантова механіка, фізика твердого тіла, магнетизм, фізика низьких температур, фізика космічних променів, гідродинаміка, квантова теорія поля, фізика атомного ядра і елементарних частинок, фізика плазми – ось далеко не повний перелік областей, що у різний час привертали увагу Ландау. Про нього говорили, що у «величезній будівлі фізики XX століття для нього не було закритих дверей». Він отримав Нобелівську премію з фізики у 1962 році за «піонерські роботи у галузі теорії конденсованих середовищ, особливо рідкого гелію».

Джон Бардін – єдиний, хто отримав дві Нобелівські премії з фізики:

 у 1956 році «за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту» спільно з Вільямом Шоклі і Уолтером Браттейном

і у 1972 році спільно з Леоном Купером і Джоном Шріффером «за створену теорію надпровідності, зазвичай звану теорією Бардіна-Купера-Шріффера, або просто БКШ-теорією» – основоположну теорію звичайних надпровідників. Це вчення розроблено у 1956 році. Воно засноване на уявленні про надплинність так званих «куперівських пар» електронів, які утворюють конденсат Бозе-Ейнштейна. Теорія БКШ встановила електрон-фононний механізм звичайної надпровідності.

Брайан Девід Джозефсон у 1962 році відкрив і теоретично передбачив явище проходження електронів через тонкий шар діелектрика, розташований між двома надпровідними металами (стаціонарний ефект Джозефсона, підтверджений експериментально у 1963 році). Він також припустив, що, якщо до контакту прикласти різницю потенціалів, то через нього піде осцилюючий струм з частотою, що залежить тільки від величини прикладеної напруги (нестаціонарний ефект Джозефсона). Ефекти Джозефсона дозволили уточнити величину постійної Планка, сприяли створенню принципово нового квантового стандарту напруги. Вони стали основою для створення надчутливих датчиків магнітного поля (СКВІД), що призначені для вимірювання магнітних полів живих організмів і виявлення об'єктів, прихованих під поверхнею. У 1973 році Б. Д. Джозефсон став лауреатом Нобелівської премії «за теоретичний прогноз властивостей струму, що проходить через тунельний бар'єр, зокрема явищ, загальновідомих нині під назвою ефектів Джозефсона». У той же рік Нобелівської премії були удостоєні Лео Есакі і Айвор Джайвер «за експериментальні відкриття тунельних явищ у напівпровідниках і надпровідниках».

Філіп Уоррен Андерсон розробив три теорії: локалізації, антиферомагнетизму і високотемпературної надпровідності. Концепція локалізації розширила число станів, які можуть бути локалізовані за рахунок присутності дефектів у системі. Гамільтоніан Андерсона описує поведінку електронів у перехідному металі. У 1977 році Ф. У. Андерсон отримав Нобелівську премію з фізики разом з Невілом Мотта і Джоном ван Флеком «за фундаментальні теоретичні дослідження електронної структури магнітних і невпорядкованих систем», які надали поштовх розвитку електронних перемикачів і пристроїв пам'яті у комп'ютерах.

Петро Леонідович Капіца у 1934 році отримав рідкий гелій на створеній ним установці для зрідження гелію адіабатичним методом, в якій поршневий детандер працював при температурі 15° К з використанням газового змащення, для якого застосовувався той же гелій. Цей пристрій для скраплення газів став основою швидкого прогресу у фізиці низьких температур. П.Л. Капіца відкрив і експериментально досліджував явище надплинності рідкого гелію. Також він розробив установку для промислового виробництва рідкого кисню. У 1978 році П.Л. Капіца отримав Нобелівську премію «за фундаментальні винаходи і відкриття у галузі фізики низьких температур».

Йоханнес Георг Беднорц і Карл Олександр Мюллер у 1986 році виявили надпровідність у барій-лантан-мідному оксиді при температурі 35° К (-238 °C). Слідом за їхнім відкриттям світом прокотилася хвиля експериментів з використанням мідних оксидів. Упродовж одного року були відкриті речовини, що переходять у надпровідний стан при температурах близько 100° К (-173 °C). За цю роботу дослідникам у 1987 році було присуджено Нобелівську премію з фізики «за важливий прорив у фізиці, що виразився у відкритті надпровідності керамічних матеріалів».

Дуглас Дін Ошер, Девід Моріс Лі та Роберт Колман Річардсон були удостоєні Нобелівської премії з фізики у 1996 році «за відкриття надплинності гелію-3». Відкриття було зроблено у 1971 році.

Ерік Аллін Корнелл, Вольфганг Кеттерле і Карл Віман отримали Нобелівську премію з фізики у 2001 році «за досягнення у вивченні процесів конденсації Бозе-Ейнштейна у середовищі розріджених газів і за початкові фундаментальні дослідження характеристик конденсатів».

Олексій Олексійович Абрикосов спільно з М.В. Заварицьким виявив при перевірці теорії Гінзбурга-Ландау у 1957 році новий клас надпровідників – надпровідники другого роду. Цей новий тип надпровідників, на відміну від класичних надпровідників першого роду, зберігає свої властивості навіть у присутності сильного магнітного поля і демонструє фазовий перехід 2-го роду. О.О. Абрикосов, розвиваючи міркування В.Л. Гінзбурга, зміг пояснити це явище виникненням регулярної сітки магнітних ліній, оточених кільцевими струмами, що утворює так звану вихрову ґратку Абрикосова. В.Л. Гінзбург у 1950 році створив (спільно з Л.Д. Ландау) напівфеноменологічну теорію надпровідності (теорія Гінзбурга-Ландау), а у 1958 році (разом з Л.П. Пітаєвським) напівфеноменологічну теорію надплинності (теорія Гінзбурга-Пітаєвського). У 2003 році О.О. Абрикосов і В.Л. Гінзбург (спільно з Ентоні Джеймсом Леггетом) отримали Нобелівську премію з фізики «за створення теорії надпровідності другого роду та теорії надплинності рідкого гелію-3».

Відкрите на початку минулого сторіччя явище «низькотемпературної» надпровідності, його всебічне дослідження, яке послугувало подальшому відкриттю «високотемпературної» надпровідності, вже понад століття бентежить уми вченої спільноти та розбурхує уяву письменників-фантастів. Адже завдяки використанню цього непересічного фізичного явища можуть стати буденною реальністю потяги на магнітній подушці, що мчать зі швидкістю 400-500 км/год. І їхній безшумний «політ» на висоті декількох сантиметрів буде дійсно фантастичним.

Застосування надпровідних обмежувачів струму робить можливим створення неруйнівного захисту від перевантажень на підстанціях. Такий захист унеможливлює катастрофічні наслідки аварійних струмів, що виникають у мережі, та робить запобіжні засоби багаторазовими з практично необмеженим терміном дії. Не менш вражаючим наслідком використання матеріалів з надпровідними можливостями є передача величезних потужностей на великі відстані практично без втрат. Це зробить енергетику майбутнього «розумною», менш затратною, а отже – більш екологічною.

А скільки ще невідомих і неочікуваних застосувань може бути віднайдено у майбутньому для НАДПРОВІДНОСТІ – звичайного дива сучасності!

 Література:

1. Локтєв В.М. Лекції з теорії надпровідності. — К.: ІТФ НАН України, 2011.
2. Локтєв В.М. 100 років явищу надпровідности: що зроблено і до чого прагнути. «Країна знань». №2-3, 2011 р.
3. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров.
4. The Nobel Prize in Physics

Л.О. Ревуцька