Низькотемпературна надпровідність
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Надпровідники, які давно вже використовує промисловість, являють собою сплави ніобію з титаном. На зміну їм приходять нові матеріали, у яких набагато вище так звані критичні параметри: критична температура і найбільше магнітне поле, які ще не позбавляють надпровідник його головної властивості — пропускати через себе струм, не надаючи йому ніякого електричного опору. Однак матеріали ці тендітні як скло, і виготовити з них дріт для обмоток електромагнітів вкрай складно.
Однак на чергу дня постає нова проблема – створені ще одні матеріали, тепер вже третє покоління надпровідників, на базі сплавів ніобію з германієм і алюмінієм. У них ще більш привабливі характеристики – якщо надпровідники першого покоління мають критичне магнітне поле в сто тисяч ерстед, у другому поколінні величина ця доходить до двохсот тисяч, то в третьому вона підібралася вже до чотирьомстам тисячам. Ясно, що якби мати такі обмотувальні матеріали, то можна було б зробити величезні кроки в багатьох областях науки і техніки — зокрема, в справі створення термоядерних установок з магнітним утриманням плазми і прискорювачів елементарних частинок, не кажучи вже про звичайну електротехніці та енергетику.
Поки ми вміємо робити лише невеликі стрічки з таких матеріалів, і хоча перейти від коротких шматочків до довгих дротів — завдання важке, ми стоїмо на порозі його вирішення. Але залишається інше важливе питання, не вирішивши яке не можна зробити надпровідники промислово вигідними, а саме: як підняти величину критичного струму? Ось це завдання вже не просто технологічне, воно ще й фізичне. Адже відомо, що якщо на надпровідник накласти зовнішнє магнітне поле – а без цього ніяк обійтися не можна, бо всі надпровідники, які працюють в соленоїдах, піддаються дії великого магнітного поля, створеного ними ж самими,— то в ньому виникають надпровідні вихори, які розташовуються в просторі, утворюючи правильну решітку.
Осі вихорів паралельні зовнішньому магнітному полю. І коли електричний струм протікає поперек структури вихорів, виникають сили Лоренца, які починають ці вихори зносити. А при русі вихорів виникає розсіювання енергії, і надпровідник перестає бути надпровідником.
Тому потрібно зробити так, щоб вихори не зносилися. Для цього їх треба закріпити на якихось внутрішніх неоднорідностях матеріалу. І ось вся боротьба йде за те, щоб створити такі внутрішні неоднорідності. Тоді можна пропускати великі струми через такий матеріал. Це велика і самостійна фізична задача, тому що до сих пір не до кінця зрозумілий механізм взаємодії вихорів з неоднорідностями. А до того, як вона вирішена, не можна навчитися управляти такими неоднорідностями, а також створювати їх спеціально із заданою метою. Тому ми окремо займаємося дослідженням взаємодії вихорів з різними неоднорідностями. Один з найцікавіших випадків, що вивчаються нами – взаємодія вихорів просто з поверхнею надпровідника, тому що поверхня — це теж неоднорідність, найпростіша і головна. А якщо створити надпровідник з великою кількістю внутрішніх поверхонь, то вийде ціла система дефектів, на яких вихори можуть закріплюватися.
Іншу надію ми пов’язуємо з тією обставиною, що дуже сильними неоднорідностями, на яких можуть кріпитися вихори, є межі зерен деяких полікристалічних матеріалів. Вони зараз прискіпливо досліджуються в лабораторіях.
Також зараз вчені займаються дослідженнями «сандвічів» — систем типу «надпровідник — нормальний метал – надпровідник». Це дуже цікава система, багато в чому абсолютно незрозуміла. З одного боку, вона проявляє всі типові властивості переходу Джозефсона: пари надпровідних електронів – так звані куперівські пари — начебто проходять з надпровідника крізь тонкий шар міді, яка не є надпровідником, в інший надпровідник без руйнування. Виходить, що вся система в цілому — надпровідник. Але, з іншого боку, відстань між двома пластинками ніобію, тобто товщина мідного прошарку, занадто велика, щоб пари могли пройти таку відстань, не руйнуючись.
Існує кілька точок зору на те, чому це відбувається. Можливо, що велику роль тут відіграє явище, яке зараз у всьому світі називають «Андріївським відображенням»,— воно було передбачене теоретиком А. Ф. Андрієвим. Суть його в тому, що якщо електрон з нормального металу налітає на надпровідник і енергія його менше ширини енергетичної щілини в надпровіднику, то електрон відбивається від цієї щілини і летить назад в тому напрямку, звідки прийшов, але помінявши знак заряду на протилежний. Якщо ж електрони виявляються затиснутими між двома стінками, то, безперервно відбиваючись від них, вони як би несуть від однієї поверхні до іншої інформацію про те, що і там існує надпровідність. І таким чином встановлюють деякий зв’язок між двома «берегами», тобто надпровідниками.
Проблема «сандвічів» захоплює нас не тільки своєю чисто науковою стороною, а й тим, що вона важлива для практики. Адже навіть якщо всі проблеми надпровідності вирішені, все одно треба якось з’єднати надпровідну частину зі звичайною – з проводами, шинами, вимикачами і т. д. і тому у людей, які займаються надпровідністю, виникає просте і природне питання: як відбувається перехід струму з нормального металу в надпровідник? У нормальному металі струм здійснюється поодинокими електронами, в надпровіднику — куперівськими лаврами. Але що відбувається на кордоні, коли ви за допомогою простого гвинта створюєте контакт між нормальним металом і надпровідником, причому контакт чисто механічний? Який механізм, який забезпечує перетворення одиничних електронів в куперівські пари? І, нарешті, що являє собою ця межа між нормальним металом і надпровідником?
Ось на ці питання вчені поки шукають відповіді.
Автор: В. Шмідт, доктор фізико-математичних наук.