Сверхпроводимость металлов: значение и применение в физике

История сверхпроводимости

Для этого, пожалуй, придется вспомнить несколько дат и начать с 1911 года, когда голландский физик Камерлинг-Онкес в Лейденской лаборатории открыл новое явление сверхпроводимости. Затем ему же первому удалось получить сверхнизкую температуру и при минус 269 градусах превратить гелий в жидкость. Наконец появилась возможность охлаждать вещества в жидком гелии и изучать их свойства в совершенно новой, ставшей теперь доступной области температур.

В то время многие считали (этого же мнения придерживался и Оннес), что с приближением к —273 градусам электрическое сопротивление любого металла должно падать до нуля. Как заманчиво было, наконец, проверить это! Но подтверждение не получалось. Может быть, виноваты примеси? Подходящим металлом, который можно было исследовать в очень чистом состоянии, Оннесу показалась ртуть. И действительно — как и предсказывала электронная теория металлов — с понижением температуры сопротивление ртути закономерно уменьшалось. Все шло нормально до четырех градусов, как вдруг сопротивление полностью исчезло. Исчезло внезапно, сразу — скачком.

Впрочем, Омнес отнесся к этому довольно спокойно. Он принял это за подтверждение своей теории электрического сопротивления и назвал найденное им новое состояние ртути «сверхпроводящим». Но скоро выяснилось, что парадоксальный скачок сопротивления до нуля невозможно объяснить ни одной теорией и что открыл-то Оннес совсем не то, на что рассчитывал.

Что могло измениться в металле, почему при некоторой температуре (Оннес назвал ее критической) электронам уже ничто не мешает двигаться, почему они перестают взаимодействовать с атомами кристаллической решетки, или, как говорят физики, перестают рассеиваться на колебаниях решетки?

А может быть, сопротивление у вещества все же остается, просто становится таким маленьким, что его не удастся даже измерить? И сам Оннес, и многие экспериментаторы пытались «поймать» это остаточное сопротивление. Они использовали самые чувствительные методы, чтобы по затуханию электрического тока в сверхпроводящем кольце оценить величину сопротивления. Опыты эти продолжались до самого последнего времени и завершились знаменитым экспериментом Коллинза, где сверхпроводящее свинцовое кольцо с электрическим током сохранялось в жидком гелии около трех лет.

Самые чувствительные методы не обнаружили уменьшения тока. Значит, не просто хорошая электропроводимость, а сверхпроводимость. Продолжать эксперимент не было надобности: он показал, что «сопротивление» сверхпроводника, по крайней мере, в биллион раз меньше, чем у самой чистой меди.

Прошло 22 года, прежде чем было сделано второе, не менее поразительное открытие. Оказалось: сверхпроводимость — это не только «идеальная проводимость», но и «идеальный диамагнетизм». Напомним, что диамагнетики — это вещества, находящиеся «не в ладах» с магнитным полем. Помещенные в магнитное поле, они стремятся вытеснить его из себя и занять в пространстве такое положение, где напряженность поля минимальна. Как идеальный диамагнетик сверхпроводник не терпит внутри себя ни малейшего магнитного поля. Так, еще в 1933 году стало ясно, что нулевое сопротивление и нулевое магнитное поле — это два свойства сверхпроводящего состояния.

Постепенно во всех крупнейших центрах Европы и Америки начали разворачиваться работы по сверхпроводимости. В крупнейших — потому что только самым мощным научным учреждениям было «по карману» содержать дорогостоящее холодильное хозяйство и установки ожижения гелия.

Но ни высокая стоимость, ни дефицит жидкого гелия не помешали физикам за эти годы накопить большой фактический материал — открыть сотни новых сверхпроводников и обнаружить целый ряд совершенно неожиданных эффектов. Мы уже знаем около тысячи сверхпроводящих веществ — элементов, соединений, сплавов. Среди них — свыше двадцати элементов периодической системы Менделеева, вплоть до технеция, металла, который не существует на Земле в естественных условиях (его получают искусственно в атомных реакторах). Выяснилось, что сверхпроводимостью обладают сплавы металлов и неорганические соединения, состоящие из сверхпроводящих элементов и — что самое удивительное — не содержащие их. Долгое время первенство по самой высокой критической температуре держал нитрид ниобия (—259 градусов), потом была обнаружена сверхпроводимость при —256 градусах у силицида ванадия, а в 1954 году была зафиксирована рекордно высокая критическая температура: —254,8 градуса у станнида ниобия (сплава ниобия с оловом).

По некоторым свойствам, главным образом магнитным, сверхпроводящие вещества стали разделять на сверхпроводники первого и второго рода. Все вещества с высокими критическими температурами оказались сверхпроводниками второго рода. У них обнаружились и другие важные свойства: высокие значения критического магнитного поля и критической плотности тока. Что это значит? Было известно: сверхпроводимость можно «разрушить», не только повышая температуру выше критической, но и действуя магнитным полем. Так вот, образцы этих соединений оставались сверхпроводящими, даже если через них в сверхсильном магнитном поле пропускали токи плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр сечения.

В те же самые годы сверхпроводимость усиленно атаковали с другой стороны. Здесь не жаловались на нехватку гелия, на сложность и дороговизну оборудования. Перед теоретиками стояли другие трудности — математические. Кто только не брался за решение загадки сверхпроводимости. Только к 1957 году барьеры были, наконец, преодолены.

Открытие сверхпроводимости

Итак, общая теория сверхпроводимости появилась. Основная ее идея такова. Частицы одного знака должны — по закону Кулона — отталкиваться друг от друга. Этот закон, конечно, соблюдается и в сверхпроводниках. Но кроме такого взаимодействия, оказывается, в металле может быть и другое — слабое притяжение, возникающее между электронами через промежуточную среду. Эта среда — сама решетка металла, или, говоря точнее, ее колебания. И вот, если появляются условия, когда это притяжение становится больше сил отталкивания, наступает сверхпроводимость.

Сейчас уже никто не сомневается, что теория, в основном, правильно объясняет природу сверхпроводимости. Но значит ли это, что решены все проблемы? Спросите у теоретиков: «Почему у олова критическая температура равна 3,7 градуса, а у ниобия 9,2?». Увы перед такими важными вопросами теория пока пасует…

Обычный путь в физике: явление открыли — объяснили — научились использовать. Чаще всего развитие теории и разработка способов применения идут параллельно. Разумеется, в такой непривычной, далекой от повседневного быта области, как сверхпроводимость, слово «применение» надо понимать несколько иначе, чем обычно — это не тракторы и не стиральные машины. Применять — значит использовать уникальные эффекты, заставить их «работать». Пусть сначала только в лаборатории, пусть без шумных успехов и сенсаций.

А что, если попробовать изготовить сверхпроводящий магнит? — такой вопрос возник еще в двадцатые годы прошлого века. Известно ведь, наиболее сильные магнитные поля создают с помощью электромагнитов. Поля напряженностью до 20 тысяч эрстед удается получать таким методом довольно успешно, на сравнительно недорогих установках. А если нужны более сильные поля — сто и более тысяч эрстед? Мощность магнитов возрастает до миллионов ватт. Питать их нужно через специальные подстанции, а водяное охлаждение магнита требует расхода тысяч литров воды в минуту.

Магнитное поле — электрический ток — сопротивление связаны в единую цепочку. Как заманчиво было бы вместо этих громоздких, сложных и дорогих устройств изготовить миниатюрную катушку из сверхпроводящей проволоки, поместить в жидкий гелий и, питая ее от простого аккумулятора, получать сверхсильные магнитные поля. Реализовать эту идею удалось значительно позже — только тогда, когда были открыты новые материалы с высокими критическими полями и токами: сначала ниобий, потом сплав ниобия с цирконием, титайом. И, наконец, ниобий — олово. Во многих лабораториях мира уже «трудятся» портативные сверхпроводящие магниты, дающие поля около 100 тысяч эрстед. И несмотря на дороговизну жидкого гелия, такие магниты значительно выгоднее обычных.

Применение сверхпроводимости

Сильные магнитные поля — это всего лишь одна из множества областей возможных и отчасти осуществленных использования сверхпроводимости. Точнейшие приборы физического эксперимента — сверхпроводящие гальванометры и детекторы излучений, резонаторы со сверхпроводящим покрытием для микроволновой техники и для линейных ускорителей тяжелых частиц, магнитные линзы для электронных микроскопов, электродвигатели на сверхпроводящих подшипниках без трения, трансформаторы и линии передач без потерь, магнитные экраны, аккумуляторы энергии, наконец, миниатюрные и быстродействующие «ячейки памяти» вычислительных машин — вот сильно сокращенный перечень проблем сегодняшней прикладной сверхпроводимости.

Уже говорят о том, что всю классическую электротехнику можно «изобрести» заново, если строить ее не на обычных проводниках электрического тока, а на сверхпроводящих материалах.

Ну, а если немножко помечтать? Ведь в космосе идеальные условия для работы сверхпроводящих устройств, идеальные условия сверхпроводимости. В вакууме космического пространства тело может нагреваться извне только за счет излучения (Солнца, например). Раз так, то достаточно любого непрозрачного экрана, и любой предмет в космосе полностью теплоизолирован. И раз сами элементы нашей воображаемой машины сверхпроводящие и ток течет по ним без сопротивления, тепло в них не выделяется. Жидкий гелий испаряться почти не будет, а значит, устройство сможет работать неограниченно долго. Вспомните опыт Коллинза, чья свинцовая баранка сохраняла ток почти три года.

Представляете, где-нибудь на орбите вокруг Луны вращается эдакая криогенная вычислительная машина, одна обслуживающая целые отрасли земного хозяйства, науки и транспорта? А сверхпроводящие магниты,— может быть, именно они будут удерживать плазму в термоядерных реакторах будущего? Или охлажденные электрические кабели, по которым абсолютно без всяких потерь можно передавать электрическую энергию за десятки тысяч километров?

Фантазия ли это? Все, о чем здесь говорилось, принципиально возможно. Значит, будет сделано. Но когда?

Это прекрасная область, как для фантазии, так и для глубокой теоретической и экспериментальной работы.

А пока сплав ниобий-олово остается единственным веществом с максимальной критической температурой минус 254,8 градуса, причем никто не может понять, за какие достоинства выделила его природа из тысяч других неорганических веществ. Никакие добавки других элементов, никакие изменения внутренней структуры этого сплава не смогли повысить его критической температуры. Поиски других, аналогичных, двойных и тройных сплавов тоже оказались безуспешными — ни разу никому не удалось подняться выше этого заколдованного числа — минус 254,8 градуса. Стали поговаривать о том, что, видимо, эта температура не случайна, вероятно, это предел, который не удастся перейти. Остается лишь найти этому факту теоретическое обоснование, разыскать причину, почему в металлических системах не может быть сверхпроводимости при более высоких температурах.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора