Что такое сверхпроводимость?
При очень низких температурах некоторые металлы и сплавы проводят электричество без какого-либо сопротивления. Ток может протекать через такие сверхпроводники миллиарды лет, не теряя энергии. Электроны образуют пары и движутся совместно, они избегают столкновений, которые создают электрическое сопротивление, и их состояние близко к состоянию вечного движения.
Если охладить ртуть до температуры, всего на несколько градусов превышающей абсолютный ноль, она начинает проводить электричество без какого-либо сопротивления. Это явление обнаружил в 1911 году голландский физик Хейке Оннес, случайно уронив ртуть в жидкий гелий, имевший температуру 4,2 К. Не оказывавшая сопротивления току ртуть стала первым из открытых сверхпроводящих материалов. Вскоре выяснилось, что аналогичное поведение характерно и для других охлажденных металлов, в том числе для свинца, а также для таких химических соединений, как нитрид ниобия. Сопротивление полностью исчезает ниже определенной критической температуры, разной для разных материалов.
Вечное движение
Из-за нулевого сопротивления ток, пропускаемый через сверхпроводник, может течь в нем вечно. В лабораторных условиях такие токи поддерживались в течение многих лет, — по оценкам физиков, должен пройти миллиард лет, прежде чем ток потеряет какую-то часть энергии. Ближе этого ученые к вечному движению еще не подходили.
Групповое поведение
Физики долго ломали голову над вопросом о том, почему при низких температурах происходит столь серьезное изменение свойств вещества. Существование критической температуры наводит на мысль о быстром фазовом переходе, поэтому физики стали присматриваться к квантовому поведению электронов в металле. Квантовая механика дала им кое-какие ключи, и в 1950-х начали выдвигаться определенные идеи. В конце концов, американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер предложили убедительное и полное объяснение сверхпроводимости в металлах и простых сплавах, называемое ныне теорией БКШ. В ее основе лежит предположение о том, что сверхпроводимость возникает вследствие причудливого поведения объединяющихся в пары электронов.
Электронные пары, называемые «парами Купера», взаимодействуют с решеткой атомов металла посредством вибраций, которые удерживают их вместе. Металл — это решетка положительно заряженных ядер, вокруг которых плещется «море» свободных электронов. Когда металл сильно охлаждается, решетка становится неподвижной, проходящий через нее отрицательно заряженный электрон слегка притягивает к себе положительно заряженные узлы решетки, создавая в ней подобие ряби. Еще один движущийся вблизи первого электрон может оказаться втянутым в эту область чуть более сильного положительного заряда, в результате возникнет связанная пара электронов. Второй электрон будет следовать за первым. Это происходит с электронами по всему металлу, и синхронизированные электронные пары создают структуру движущейся волны.
Единичный электрон обязан следовать принципу исключения Паули, который запрещает частицам с асимметричными волновыми функциями (фермионам) разделять друг с другом одно и то же квантовое состояние. Поэтому там, где электронов много, где они собраны в ограниченном пространстве, все они должны обладать различными энергиями. Что обычно и имеет место в атоме или в металле. Однако, когда электроны образуют пары, ведущие себя как отдельная частица, поведение их меняется. Волновая функция пары становится симметричной, это уже не фермион, а бозон. И как любые бозоны, электронные пары могут иметь одну и ту же минимальную энергию.
В результате возникает набор пар, обладающих общей энергией несколько меньшей, чем у свободных электронов металла. Именно эта разница в энергии создает быстрое изменение свойств металла при достижении критической температуры. Когда тепловая энергия решетки оказывается меньше, чем это падение энергии, мы наблюдаем устойчивый поток электронных пар в сочетании с вибрациями решетки, характерными для состояния сверхпроводимости. Поскольку волновые движения решетки распространяются по ней на большие расстояния, сопротивление отсутствует — все электронные пары движутся одна относительно другой. Избегая каких бы то ни было столкновений с неподвижными атомами решетки, электронные пары ведут себя, как беспрепятственно текущая сверхжидкость.
При нагревании куперовские пары распадаются и утрачивают бозонные свойства. Электроны снова получают возможность сталкиваться с ионами решетки, согревшимися и вибрирующими, что и создает электрическое сопротивление. Происходит быстрый переход между состояниями — скоординированное движение бозонов сменяется беспорядочным движением фермионов, и наоборот.
Теплые сверхпроводники
В 1980-х были заложены основы технологии сверхпроводников. В 1986-м швейцарские исследователи обнаружили новый класс керамических материалов, которые становились сверхпроводниками при относительно высоких температурах, — их и назвали «высокотемпературными сверхпроводниками». Первое такое соединение, образованное из лантана, бария, меди и кислорода (оно получило название «оксида меди», или «купрата»), становилось сверхпроводником при температуре в 30 К. Год спустя был получен материал, становящийся сверхпроводником при температуре порядка 90 К (более высокой, чем у широко используемого в качестве хладагента жидкого азота). Использование керамических материалов, в состав которых входят перовскит и (насыщенные таллием) ртутные купраты, позволило повысить критическую температуру сверхпроводимости до 140 К, а при высоком давлении эта температура еще и повышается.
Вообще говоря, керамике полагается быть изолятором, так что результат этот оказался неожиданным. Физики все еще пытаются создать новую теорию, объясняющую высокотемпературную сверхпроводимость. Тем не менее разработка таких материалов уже стала быстро развивающейся областью физики, способной привести к революционным изменениям в электронике.
Как используются сверхпроводники? Они помогают создавать мощные электромагниты, необходимые для ускорителей частиц и для работы МРТ-сканнеров в больницах. Когда-нибудь с их помощью можно будет создавать эффективные трансформаторы и даже поезда на магнитной подвеске. Впрочем, пока они работают лишь при очень низких температурах, потому использование их ограничено. Отсюда и поиски высокотемпературных сверхпроводников, которые могли бы привести к грандиозным переменам.
Сверхжидкости
Сверхжидкости — это жидкости, лишенные вязкости и потому способные течь по трубке вечно и без какого-либо трения. Сверхжидкости известны с 1930-х. Один из примеров — сверх- охлажденный гелий-4 (атомный вес — два протона, два нейтрона и два электрона). Атомы гелия-4 являются бозонами, составленными из пар фермионов.
Помещаемые в сосуд, сверхжидкости ведут себя очень странно — они могут течь по стенке сосуда вверх слоем толщиной в один атом. Если ввести в сверхжидкость капилляр и нагреть его, получится фонтан, поскольку сверхжидкость неспособна удерживать температурный градиент (она обладает бесконечной теплопроводностью), а тепло мгновенно создает изменение давления. Если начать вращать ведро со сверхжидкостью, также произойдет нечто странное. Поскольку вязкость отсутствует, жидкость сразу же вращаться не станет, но останется неподвижной. Однако при увеличении скорости вращения ведра и достижении ею некоторого критического значения сверхжидкость внезапно начинает вращаться тоже. Но скорость ее вращения будет квантованной — у сверхжидкости она может принимать лишь определенные значения.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна
Группы бозонов ведут себя при сверхнизких температурах очень странно. В окрестностях абсолютного ноля множество бозонов может переходить в одно и то же квантовое состояние и демонстрировать квантовое поведение на макроскопическом уровне. Впервые предсказанные в 1925 году Альбертом Эйнштейном, который исходил из идей индийского физика Шатьендраната Бозе, так называемые конденсаты Бозе—Эйнштейна (КБЭ) были получены в лабораторных условиях только в 1995-м. Эрик Корнелл и Карл Виман из Колорадского университета, а несколько позже Вольфганг Кеттерле из МТИ наблюдали соответствующее поведение у газа, образованного из атомов рубидия и охлажденного до 170 миллиардных градуса Кельвина. Все атомы КБЭ имеют одну скорость, лишь слегка размазанную принципом неопределенности Гейзенберга. КБЭ ведут себя как сверхжидкость. Бозонам позволено находиться в одном и том же квантовом состоянии, и Эйнштейн пришел к заключению, что при охлаждении до температуры намного ниже критической все они могут перейти («сконденсироваться») в квантовое состояние с самой низшей энергией, создав новую форму материи. КБЭ очень неустойчивы, поэтому говорить об их практическом применении пока рано, однако они способны многое сказать нам о квантовой механике.
