Надпровідність металів: значення та застосування у фізиці

Історія

Для цього, мабуть, доведеться згадати кілька дат і почати з 1911 року, коли голландський фізик Камерлінг-Онкес в Лейденській лабораторії відкрив нове явище надпровідності. Потім йому першому вдалося отримати наднизьку температуру і при мінус 269 градусах перетворити гелій в рідину. Нарешті з’явилася можливість охолоджувати речовини в рідкому гелії і вивчати їх властивості абсолютно нової, що стала тепер доступною області температур.

У той час багато хто вважав (цієї ж думки дотримувався і Оннес), що з наближенням до -273 градусам електричний опір будь-якого металу повинен падати до нуля. Як заманливо було, нарешті, перевірити це! Але підтвердження не виходило. Може бути, винні домішки? Відповідним металом, який можна було дослідити в дуже чистому стані, Оннесу здалася ртуть. І дійсно — як і пророкувала електронна теорія металів — з пониженням температури опір ртуті закономірно зменшувався. Все йшло нормально до чотирьох градусів, як раптом опір повністю зник. Зник раптово, відразу — стрибком.

Втім, Омнес поставився до цього досить спокійно. Він прийняв це за підтвердження своєї теорії електричного опору і назвав знайдений ним новий стан ртуті «надпровідним». Але незабаром з’ясувалося, що парадоксальний стрибок опору до нуля неможливо пояснити ні однією теорією і що відкрив Оннес зовсім не те, на що розраховував.

Що могло змінитися в металі, чому при деякій температурі (Оннес назвав її критичною) електронам вже ніщо не заважає рухатись, чому вони перестають взаємодіяти з атомами кристалічної решітки, або, як кажуть фізики, перестають розсіюватися на коливаннях решітки?

А може бути, опір у речовини все ж залишається, просто стає таким малим, що його не вдасться навіть виміряти? І сам Оннес, і багато експериментаторів намагалися «спіймати» цей залишковий опір. Вони використовували найбільш чутливі методи, щоб по затуханню електричного струму у надпровідному кільці оцінити величину опору. Досліди ці тривали до самого останнього часу і завершилися знаменитим експериментом Коллінза, де надпровідне свинцеве кільце з електричним струмом зберігалося в рідкому гелії близько трьох років.

Найбільш чутливі методи не виявили зменшення струму. Значить, не просто хороша електропровідність, а надпровідність. Продовжувати експеримент не було потреби: він показав, що «опір» надпровідника, принаймні, у мільярд разів менше, ніж у самої чистої міді.

Минуло 22 роки, перш ніж було зроблено друге, не менш вражаюче відкриття. Виявилося: надпровідність — це не тільки «ідеальна провідність», але і «ідеальний діамагнетизм». Нагадаємо, що діамагнетики — це речовини, які «не в ладах» з магнітним полем. Поміщені в магнітне поле, вони прагнуть витіснити його з себе і зайняти в просторі таке положення, де напруженість поля мінімальна. Як ідеальний діамагнетик надпровідник не терпить всередині себе ні найменшого магнітного поля. Так, ще в 1933 році стало ясно, що нульовий опір і нульове магнітне поле — це дві властивості надпровідного стану.

Поступово у всіх найбільших центрах Європи та Америки почали розвиватися роботи по надпровідності. В найбільших — тому що тільки самим потужним науковим установам було «по кишені» тримати дороге холодильне господарство та установки зрідження гелію.

Але ні висока вартість, ні дефіцит рідкого гелію не завадили фізикам за ці роки накопичити великий фактичний матеріал — відкрити сотні нових надпровідників і виявити цілий ряд зовсім несподіваних ефектів. Ми вже знаємо близько тисячі надпровідних речовин — елементів, сполук, сплавів. Серед них — понад двадцяти елементів періодичної системи Менделєєва, аж до технецію, металу, який не існує на Землі в природних умовах (його одержують штучно в атомних реакторах). З’ясувалося, що надпровідністю володіють сплави металів і неорганічні сполуки, що складаються з надпровідних елементів і — що найдивніше — не містять їх. Довгий час першість за найвищою критичною температурою тримав нітрид ніобію (-259 градусів), потім була виявлена надпровідність при -256 градусах у силіцидів ванадію, а в 1954 році була зафіксована рекордно висока критична температура: -254,8 градуси у станніда ніобію (сплаву ніобію з оловом).

За деякими властивостями, головним чином магнітними, надпровідні речовини стали розділяти на надпровідники першого та другого роду. Всі речовини з високими критичними температурами виявилися надпровідниками другого роду. У них виявилися й інші важливі властивості: високі значення критичного магнітного поля і критичної густини струму. Що це означає? Було відомо: надпровідність можна «зруйнувати», не тільки підвищуючи температуру вище критичної, але і діючи магнітним полем. Так ось зразки цих сполук залишалися надпровідними, навіть якщо через них в надсильному магнітному полі пропускали струми густиною до мільйона ампер на квадратний сантиметр перерізу.

У ті ж самі роки надпровідність посилено атакували з іншого боку. Тут не скаржилися на брак гелію, складність і дорожнечу обладнання. Перед теоретиками стояли інші труднощі — математичні. Хто тільки не брався за вирішення загадки надпровідності. Тільки до 1957 року бар’єри були, нарешті, подолані.

Відкриття

Отже, загальна теорія надпровідності з’явилася. Основна її ідея така. Частинки одного знака повинні за законом Кулона — відштовхуватися один від одного. Цей закон, звичайно, дотримується і в надпровідниках. Але крім такої взаємодії, виявляється, в металі може бути й інше — слабке тяжіння, що виникає між електронами через проміжне середовище. Ця середовище — сама решітка металу, або, кажучи точніше, її коливання. І ось, якщо з’являються умови, коли це тяжіння стає більше сил відштовхування, настає надпровідність.

Зараз вже ніхто не сумнівається, що теорія, в основному, правильно пояснює природу надпровідності. Але чи це означає, що вирішені всі проблеми? Запитайте у теоретиків: «Чому у олова критична температура дорівнює 3,7 градуса, а у ніобію 9,2?» .На жаль перед такими важливими питаннями теорія поки пасує…

Звичайний шлях у фізиці: явище відкрили — пояснили — навчилися використовувати. Найчастіше розвиток теорії і розробка способів застосування йдуть паралельно. Зрозуміло, в такій незвичній, далекій від повсякденного побуту області, як надпровідність, слово «застосування» треба розуміти дещо інакше, ніж зазвичай – це не трактори і не пральні машини. Застосовувати — значить використовувати унікальні ефекти, змусити їх працювати. Нехай спочатку тільки в лабораторії, нехай без гучних успіхів і сенсацій.

А що, якщо спробувати виготовити надпровідний магніт? — таке питання виникло ще в двадцяті роки минулого століття. Адже відомо, найбільш сильні магнітні поля створюють за допомогою електромагнітів. Поля напруженістю до 20 тисяч ерстед вдається отримувати таким методом досить успішно, на порівняно недорогих установках. А якщо потрібні більш сильні поля — сто і більше тисяч ерстед? Потужність магнітів зростає до мільйонів ватт. Живити їх потрібно через спеціальні підстанції, а водяне охолодження магніту вимагає витрат тисяч літрів води в хвилину.

Магнітне поле — електричний струм — опір пов’язані в єдиний ланцюжок. Як заманливо було б замість цих громіздких, складних і дорогих пристроїв виготовити мініатюрну котушку з надпровідного дроту, помістити в рідкий гелій і, живлячи її від простого акумулятора, отримувати надсильні магнітні поля. Реалізувати цю ідею вдалося значно пізніше — лише тоді, коли були відкриті нові матеріали з високими критичними полями і струмами: спочатку ніобій, потім сплав ніобію з цирконієм, титайом. І, нарешті, ніобій — олово. У багатьох лабораторіях світу вже «працюють» портативні надпровідні магніти, що дають поля близько 100 тисяч ерстед. І незважаючи на дорожнечу рідкого гелію, такі магніти значно вигідніше звичайних.

Застосування

Сильні магнітні поля — це всього лише одна з безлічі можливих областей і частково здійснені використання надпровідності. Найточніші прилади фізичного експерименту — надпровідні гальванометри і детектори випромінювань, резонатори з надпровідним покриттям для мікрохвильової техніки для лінійних прискорювачів важких частинок, магнітні лінзи для електронних мікроскопів, електродвигуни на надпровідних підшипниках без тертя, трансформатори та лінії передач без втрат, магнітні екрани, акумулятори енергії, нарешті, мініатюрні і швидкодіючі «комірки пам’яті» обчислювальних машин — ось сильно скорочений перелік проблем сьогоднішньої прикладної надпровідності.

Вже говорять про те, що всю класичну електротехніку можна «винайти» заново, якщо будувати її не на звичайних провідниках електричного струму, а на надпровідних матеріалах.

Ну, а якщо трішки помріяти? Адже в космосі ідеальні умови для роботи надпровідних пристроїв, ідеальні умови надпровідності. У вакуумі космічного простору тіло може нагріватися ззовні тільки за рахунок випромінювання (Сонця, наприклад). Раз так, то достатньо будь-якого непрозорого екрану, і будь-який предмет в космосі повністю теплоізольований. І раз самі елементи нашої уявної машини надпровідні і струм тече по ним без опору, тепло в них не виділяється. Рідкий гелій випаровуватися майже не буде, а значить, пристрій зможе працювати необмежено довго. Згадайте дослід Коллінза, чий свинцевий бублик зберігав струм майже три роки.

Уявляєте, де-небудь на орбіті навколо Місяця обертається така кріогенна обчислювальна машина, одна обслуговуюча цілі галузі земного господарства, науки і транспорту? А надпровідні магніти,— може бути, саме вони будуть утримувати плазму в термоядерних реакторах майбутнього? Або охолоджені електричні кабелі, за яким абсолютно без всяких втрат можна передавати електричну енергію за десятки тисяч кілометрів?

Фантазія це? Все, про що тут йшлося, принципово можливо. Значить, буде зроблено. Але коли?

Це прекрасна область, як для фантазії, так і для глибокої теоретичної та експериментальної роботи.

А поки сплав ніобій-олово залишається єдиною речовиною з максимальною критичною температурою мінус 254,8 градуси, причому ніхто не може збагнути, за які переваги виділила його природа з тисяч інших неорганічних речовин. Ніякі добавки інших елементів, ніякі зміни внутрішньої структури цього сплаву не змогли підвищити його критичної температури. Пошуки інших, аналогічних, подвійних та потрійних сплавів теж виявилися безуспішними — жодного разу нікому не вдалося піднятися вище цього зачарованого числа — мінус 254,8 градуси. Стали говорити про те, що, мабуть, ця температура не випадкова, ймовірно, це межа, яку не вдасться перейти. Залишається лише знайти цьому факту теоретичне обґрунтування, розшукати причину, чому в металевих системах не може бути надпровідності при високих температурах.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора