Сверхпроводимость

Когда уже было известно то, что электросопротивление при снижении температуры тоже падает, исследователи не оставляли поисков и достигали все более низких температур, а также невольно задавались вопросом, может ли электрическое сопротивление упасть до нуля.

Электрическое сопротивление характеризует способность вещества пропускать электрический ток. При высоких температурах атомы вещества совершают быстрые колебания и с большей вероятностью встают на пути электронов, так что сопротивление материала выше. При снижении тепловой энергии в проводнике его атомы колеблются медленнее, за счет чего снижается и электросопротивление.

На рубеже XX века ученые хорошо продвинулись в получении низких температур, и метод, который сейчас широко используется, во многом схож с бытовыми технологиями получения холода. Исследователи используют эффект Джоуля–Томсона, который проявляется в охлаждении при очень быстром расширении жидкого хладагента с его переходом в газообразное состояние. Энергия, запасенная в холодильном агенте, расходуется на расширение в объеме камеры, так что кинетическая энергия отдельных молекул и тепловая энергия хладагента в целом снижаются. Тепло окружающей среды поглощается холодным газом, делая все вокруг в объеме холодильника холоднее.

С тех пор были разработаны сверхпроводники, способные работать при «высоких» температурах — около 130 K, хотя и эта температура очень низкая (–143 °C или –226 °F). Сверхпроводники выталкивают любые магнитные поля, что делает возможным эффект левитации. Это явление используется в сверхскоростном поезде «маглев». «Маглев» (от англ. «magnetic levitation» — магнитная левитация). Этот поезд парит на магнитной подушке над монорельсом

Жидкий гелий и твердая ртуть

В 1908 году голландский исследователь Хейке Камерлинг-Оннес сумел получить жидкий гелий. Это, без сомнения, подвиг, поскольку температура его кипения 4,2 K (–268,95 °C или –452,11°F). Далее ученый начал использовать жидкий гелий в качестве хладагента и научился охлаждать другие вещества до температуры чуть выше абсолютного нуля. (К тому времени Вальтер Нернст уже открыл третье начало термодинамики, утверждавшее недостижимость абсолютного нуля.)

В 1911 году Оннес охладил ртуть до температуры 4,19 K, при которой она представляет собой твердый металл, и обнаружил, что ее электрическое сопротивление неожиданно упало до нуля. Такое состояние ртути исследователь назвал сверхпроводимостью, а сам образец — сверхпроводником. Электроны в нем способны перемещаться совсем без расхода энергии. Сверхпроводимость является примером квантового эффекта, наблюдаемого в макромасштабе, — ведь и на орбитах атомов электроны движутся абсолютно без сопротивления, не расходуя энергию.