СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

При низких температурах некоторые металлы и сплавы — сверхпроводники — перестают оказывать сопротивление электрическому току. По замкнутой цепи сверхпроводящий ток может циркулировать сколь угодно долго, без потерь. Это явление было открыто нидерландским ученым X. Камерлинг-Оннесом еще в 1911 г., но получило теоретическое обьяснение лишь в 1957 г. в работах американских ученых Дж. Бардина, Л. Купера, Дж. Шриффера, а также советского ученого Н. Н. Боголюбова. Таким образом, к раскрытию тайны сверхпроводимости ученые-физики продвигались около 50 лет. Это едва ли не единственный пример в современной физике, когда экспериментальное открытие и его теория разделены столь большим промежутком времени.

Существенный шаг к пониманию сверхпроводимости был сделан после открытия явления сверхтекучести и создания теории сверхтекучести советским физиком Л. Д. Ландау. Стало ясно, что сверхпроводимость — это сверхтекучесть электронной жидкости. Однако трудность на пути к окончательному пониманию этого явления заключалась в том, что в сверхтекучее состояние может переходить только коллектив частиц, каждая из которых обладает целым спином. У электронов же спин равен 1/2.

В современной теории явление сверхпроводимости объясняется образованием в металле коллектива электронов, состоящего из ку перовских пар (парные объединения электронов называют так по имени американского физика Л. Купера, впервые высказавшего в 1956 г. эту идею). В каждой паре спины электронов направлены противоположно, и суммарный спин пары равен нулю. В таком коллективе, так же как в сверхтекучем гелии, мириады микрочастиц движутся согласованно, и законы квантовой механики проявляются здесь в макроскопических масштабах. Столкновения отдельных электронов с кристаллической решеткой становятся невозможными, а затормозить весь коллектив электронов кристаллической решетке не так просто. Энергия этой квантовой системы не может уменьшаться непрерывно, а должна меняться только сразу на конечную величину, скачком. Поэтому сверхпроводящие пары электронов могут до определенной скорости двигаться в металле без трения.

Почему же в сверхпроводнике электроны объединяются в пары? Ведь по закону Кулона они должны отталкиваться. Оказалось, что причина — во взаимодействии электронов с кристаллической решеткой. Электроны притягивают к себе ионы кристаллической решетки и как бы обрастают «шубой» из положительных зарядов. В результате знак взаимодействия между электронами может измениться, и они будут притягиваться.

Сверхпроводник не только идеальный проводник, но и идеальный диамагнетик (см. Магнетизм). Магнитное поле полностью выталкивается из сверхпроводника (эффект Мейснера). Если к сверхпроводнику поднести магнит, то по поверхности сверхпроводника потекут незатухающие токи Фуко, которые экранируют магнитное поле в сверхпроводнике. Магнитное поле токов по правилу Ленца препятствует приближению магнита к сверхпроводнику. Поэтому магнит повисает над сверхпроводником. Принцип сверхпроводящей магнитной подвески используется в экспериментальных железнодорожных линиях, уже созданных в Японии (достигнута скорость поезда 516 км/ч) и проектируемых в ФРГ, Франции и СССР.

В сильных магнитных полях сверхпроводимость разрушается, и магнитное поле проникает в металл. Наибольшие поля выдерживают сверхпроводящие сплавы, в которых разрушение сверхпроводимости происходит постепенно. Как было показано советским ученым А. А. Абрикосовым, магнитное поле проникает в сплавы и сверхпроводники с большим количеством примесей в виде отдельных сгустков силовых линий (абрикосовских вихрей). На фотографии, полученной с помощью электронного микроскопа, можно увидеть периодическую решетку, которую образуют абрикосовские вихри на поверхности сверхпроводящего сплава. Для этого нужно нанести на поверхность мельчайшие ферромагнитные частицы, которые скапливаются в тех местах, куда проникло магнитное поле.

Абрикосовские вихри квантовые, в каждом содержится строго определенная порция магнитного потока — квант потока Ф0 = 2,07•10-15 Вб. При увеличении магнитного поля увеличивается число вихрей, но пространство между вихрями остается сверхпроводящим. Только при очень большом поле вихри сливаются, и металл переходит в нормальное состояние.

Сверхпроводящие сплавы, выдерживающие магнитные поля более десятка тесла, широко применяют для создания сильных магнитных полей. Достаточно сделать из такого сплава проволоку, намотать катушку, замкнуть ее накоротко и, охладив до низких температур, возбудить ток. Сверхпроводящие обмотки используют в установках управляемого термоядерного синтеза, в мощных электрических моторах и генераторах.

Представляется заманчивым использование сверхпроводимости для передачи электрической энергии без потерь (сверхпроводящие кабели). Такие экспериментальные линии уже созданы, но в настоящее время они нерентабельны из-за больших затрат на охлаждение до гелиевых температур.

Сверхпроводимость нашла важное применение в криоэлектронике («криос» в переводе с греческого «холод»), так как компактные устройства значительно легче охлаждать до низких температур. Эти устройства основаны на Джозефсона эффекте и явлении квантования магнитного потока. На помещенном здесь рисунке дана картина проникновения магнитного поля в сверхпроводящее кольцо, содержащее джозефсоновский элемент. Вначале сверхпроводящий ток экранирует внешнее поле, однако, когда его величина становится больше критического значения, магнитные силовые линии проникают в контур через слабое место — джозефсоновский элемент. При этом магнитный поток внутри кольца скачком возрастает на величину кванта потока Ф0.

Такие резкие изменения магнитного потока легко обнаружить, например, по ЭДС индукции, наводимой в измерительной катушке. Таким образом, система может «чувствовать» отдельные кванты потока, а ведь квант потока Ф0 — очень маленькая величина. На этом принципе создано целое семейство сверхчувствительных измерительных приборов — СКВИДов (сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы), позволяющих измерять магнитное поле с точностью до — 10-18 Тл, а напряжения— до 10-15 В.

В последнее время СКВИДы нашли применение в медико-биологических исследованиях, так как с их помощью удается измерить магнитные поля, возникающие при работе сердца и мозга.

Наконец, необходимо упомянуть о разрабатываемых проектах сверхпроводящих электронных вычислительных машин. Вводя в сверхпроводящее кольцо с элементом Джозефсона отдельные кванты потока, можно записывать информацию, причем такой элемент памяти обладает большими преимуществами: малым временем переключения ~ 10-11с и ничтожным выделением тепла ~ 10-18Дж. Уже созданы компактные интегральные схемы, содержащие многие тысячи таких элементов на 1 см2, и недалек тот день, когда заработает первая сверхпроводящая ЭВМ.

Возможности использования сверхпроводимости значительно расширятся, если удастся найти вещества, которые обладают этим свойством при не слишком низких температурах. Тогда для охлаждения можно будет использовать, например, сравнительно дешевый жидкий азот. В этом направлении во всем мире проводится огромная научно-исследовательская работа, однако сегодняшний рекордсмен — сплав Nb3Ge остается сверхпроводящим лишь до 22,4 К.

Была высказана идея об усилении сверхпроводимости в веществах, состоящих из длинных органических молекул. Однако синтезированные сейчас органические металлы становятся сверхпроводящими лишь при очень низких температурах. Возможным кандидатом на роль высокотемпературного сверхпроводника является и металлический водород (в эту модификацию водород должен переходить при очень высоких давлениях, порядка нескольких миллионов атмосфер). Но все это пока из области фантазии. Поиск высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Их обнаружение может привести к грандиозной технической революции, которую заранее даже трудно себе представить.