Сверхпроводимость

Загадочные квантовые явления до сих пор удивляют исследователей своим невообразимым поведением. Ранее мы говорили о сверхтекучести, сегодня же рассмотрим другое квантово-механическое явление – сверхпроводимость.

Что такое сверхпроводимость? Сверхпроводимость – это квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при строго нулевом электрическом сопротивлении тела.

Предыстория

С введением в физику такого понятия как «абсолютный ноль» ученые стали все больше исследовать свойства веществ при низкой температуре, когда движение молекул практически отсутствует. Для достижения низких температур требуется проведение такого процесса, как «сжижение газа». При испарении такой газ отбирает энергию у тела, которое погружено в этот газ, так как для отрыва молекул от жидкости требуется энергия. Подобные процессы протекают в бытовых холодильниках, где сжиженный газ фреон испарятся в морозилке.

В конце XIX – начале XX столетия уже были получены такие сжиженные газы как кислород, азот, водород. Долгое время не поддавался сжижению гелий, при этом ожидалось, что он поможет достичь минимальной температуры.

Успех в сжижении гелия был достигнут голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесем в 1908-м году, который работал в Лейденском университете (Нидерланды). Сжиженный гелий позволял достичь рекордно низкой температуры – около 4 К. Получив жидкий гелий, ученый начал заниматься изучением свойств разных материалов при гелиевых температурах.

История открытия

Одним из вопросов, которые интересовали Камерлинг-Оннеса, было изучение сопротивления металлов при сверхнизких температурах. Было известно, что с ростом температуры электрическое сопротивление также растет. Следовательно, можно ожидать, что с уменьшением температуры будет наблюдаться обратный эффект.

Экспериментируя с ртутью в 1911-м году, ученый довел ее до замерзания и продолжил понижать температуру. При достижении 4,2 К устройство перестало фиксировать сопротивление. Оннес заменял устройства в исследовательской установке, поскольку побаивался их неисправности, однако устройства неизменно показывали нулевое сопротивление, несмотря на то, что до абсолютного нуля оставалось еще 4 К.

После открытия сверхпроводимости ртути возникло большое количество вопросов. Среди них: «свойственна ли сверхпроводимость другим веществам, помимо ртути?» или «сопротивление снижается до нуля, либо оно настолько мало, что устройства, которые существуют, не могут его измерить.

Оннес предложил оригинальное исследование с непрямым измерением, до какого уровня понижается сопротивление. Возбужденный в полупроводниковой цепи электрический ток, который был измерен при помощи отклонения магнитной стрелки, не затухал несколько лет. Согласно результатам этого эксперимента, полученное посредством расчетов удельное электрическое сопротивление сверхпроводника равнялось 10−25 Ом•м. По сравнению с удельным электрическим сопротивлением меди (1.5۰10−8 Ом•м) данная величина меньше на 7 порядков, что делает ее практически нулевой.

Эффект Мейснера

Помимо сверхпроводимости, сверхпроводники обладают еще одной отличительной чертой, а именно – эффектом Мейснера. Это явление быстрого затухания магнитного поля в сверхпроводнике. Сверхпроводник является диамагнетиком, то есть в магнитном поле в сверхпроводнике индуцируются макроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, которое полностью компенсирует внешнее.

Эффект Мейснера пропадает в сильных магнитных полях. В зависимости от типа сверхпроводника (об этом далее) сверхпроводящее состояние при этом либо пропадает полностью (сверхпроводники I-го рода), либо сверхпроводник сегментируется на нормальные и сверхпроводимые области (II-го рода). Именно этот эффект способен объяснить левитацию сверхпроводника над сильным магнитом, либо магнита над сверхпроводником.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Феноменологический подход. Хоть Камерлинг-Оннес и является первооткрывателем сверхпроводимости, первая теория сверхпроводимости впервые была предложена в 1935-м году немецкими физиками и братьями Фрицом и Гайнцом Лондонами. Ученые стремились математически записать такие свойства сверхпроводника как сверхпроводимость и эффект Мейснера, не вникая в микроскопические причины сверхпроводимости, феноменологически. Выведенные уравнения позволяли объяснить эффект Мейснера так, что внешнее магнитное поле могло проникать в сверхпроводник только на определенную глубину, зависящую от так называемой лондоновской глубины проникновения. Для объяснения сверхпроводимости, потребовалось предположение о том, что носителями тока в сверхпроводнике, как и в металле, являются электроны. При этом, нулевое сопротивление означает то, что электрон не испытывает столкновений во время своего движения. Так как это относится ко всем электронам проводимости, то имеет место ток электронов без сопротивления.

Очевидно, что данная теория не объясняет саму природу данного явления, а лишь описывает его и позволяет предсказывать его поведение в ряде случаев. Более глубокая, но также, феноменологическая теория была предложена в 1950-м году советскими физиками-теоретиками Левом Ландау и Виталием Гнизбургом.

Теория БКШ. Первое качественное объяснение явлению сверхпроводимости было предложено в рамках так называемой теории БКШ, построенной американскими физиками Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером. Эта теория выходит из предположения, что между электронами при определенных условиях может возникать притяжение. Притяжение, которое обусловлено различными возбуждениями, в первую очередь – колебаниями кристаллической решетки, способно создавать «куперовские пары» — связанные состояния двух электронов в кристалле. Такая пара может двигаться в кристалле, не рассеиваясь ни на колебания кристаллической решетки, ни на примеси. В веществах с температурой, далекой от нуля, достаточно энергии, чтобы «разорвать» такую пару электронов, в то время как при низких температурах система не обладает достаточной энергией. В результате этого возникает поток связанных электронов – куперовских пар, которые практически не взаимодействуют с веществом. В 1972-м году Д. Бардин, Л. Купер и Д. Шриффер получили Нобелевскую премию по физике.

Позднее советский физик-теоретик Николай Боголюбов усовершенствовал теорию БКШ. В своих работах ученый подробно описал условия, при которых могут образовываться куперовские пары (энергия близкая к энергии Ферми, определенные спины и др.) в результате квантовых эффектов. По отдельности электроны представляют собой частицы с полуцелым спином (фермионы), которые неспособны образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна и переходить в сверхтекучее состояние. Когда же имеется куперовская пара электронов, то она представляет собой квазичастицу с целым спином и является бозоном. При определенных условиях бозоны способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, то есть вещество, частицы которого занимают одно и то же состояние, что приводит к возникновению сверхтекучести. Такая сверхтекучесть электронов и объясняет эффект сврехпроводимости.

Сверхпроводники в переменном электрическом поле

Кроме сверхпроводимости и эффекта Мейснера, сверхпроводники обладают рядом других свойств. Стоит отметить следующее — нулевое сопротивление сверхпроводников характерно только при постоянном токе. Переменное электрическое поле делает сопротивление сверхпроводника ненулевым и оно растет, с увеличением частоты поля.

Также как двухжидкостная модель разделяет сверхтекучий материал на область сверхтекучести и область обычного вещества, так разделяется и поток электронов на сверхпроводящие и обычные. Постоянно поле ускоряло бы сверхпроводящие электроны до бесконечности (учитывая их нулевое сопротивление), что невозможно, потому оно обращается в ноль при попадании в сверхпроводник. Так как постоянное электрическое поле не действует на сверхпроводники, то и обычные электроны не подвержены его воздействию (оно просто выталкивается наружу), а значит движение представлено лишь сверхпроводящими электронами.

В случае с переменным электрическим полем происходит процесс ускорения электронов с последующим замедлением, что физически возможно. В таком случае имеет место и ток обычных электронов, которые обладают свойством сопротивления. Чем выше частота такого поля, тем большее проявляются эффекты, связанные с обычными электронами.

Момент Лондона

Еще одно интересное свойство сверхпроводника – момент Лондона. Суть феномена заключается в том, что вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, которое выравнивается точно вдоль оси вращения проводника.

Дальнейшее исследование этого явления привело к открытию гравити магнитного момента Лондона. В2006-м году исследователи Мартин Таджмар из института ARC Seibersdorf Research, Австрия, и Кловис де Матос из Европейского космического агентства (ESA) обнаружили, что вращающийся с ускорением сврехпроводник генерирует также и гравитационное поле. Однако такое гравитационное поле слабее земного примерно в 100  миллионов раз.

Классификация сверхпроводников

Существует несколько  классификаций сверхпроводников, которые опираются на такие критерии:

1. Реакция на магнитное поле. Это свойство делит сверхпроводники на две категории. Сверхпроводники I-го рода имеют некоторое одно критическое значение магнитного поля, превысив которое, они теряют сверхпроводимость. II-го рода – имеют два предельных значения магнитного поля. При применении магнитного поля, ограниченного этими значениями, к сверхпроводникам этой категории, поле частично проникает внутрь, при этом сохраняя сверхпроводимость.
2. Критическая температура. Различают низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Первые обладают свойством сверхпроводимости при температурах ниже −196 °C или 77 К. Высокотемпературным сверхпроводникам достаточно температуры выше указанной. Такое разделение имеет место, так как высокотемпературные сверхпроводники могут применяться на практике в качестве охладителей.
3. Материал. Здесь выделяют такие разновидности как: чистый химический элемент (вроде ртути или свинца), сплавы, керамика, органические или на основе железа.
4. Теоретическое описание. Как известно, любая физическая теория имеет определенную область применения. По этой причине, для дальнейшего применения, имеет смысл разделять сверхпроводники по теориям, которые способны описать их природу.

Сверхпроводимость графена

За последние несколько лет известность графена значительно возросла. Напомним, что графен представляет собой слой модифицированного углерода, толщиной в один атом. В первую очередь, этому поспособствовало открытие углеродных нанотрубок – специфическому сверхпрочному материалу, который создается посредством сворачивания одного или нескольких слоев графена.

В 2018-м году группа исследователей из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Пабло Джарилло-Эрреро, обнаружила, что при вращении под определенном («магически») углом, два листа графена полностью лишены электропроводимости. Когда исследователи применили к материалу напряжение, добавив небольшое количество электродов к этой графеновой конструкции, они обнаружили, что на определенном уровне электроны вырвались из исходного изолирующего состояния и протекали без сопротивления. Важнейшей особенностью данного явления является то, что сверхпроводимость указанной графеновой конструкции была получена при комнатной температуре. И хотя объяснение данного эффекта все еще остается под вопросом, его потенциал в сфере энергоснабжения довольно высок.

Применение сверхпроводников

Сверхпроводники еще не получили широкое применение, однако разработки в этой области активно ведутся. Так благодаря эффекту Мейснера возможны «парящие» над дорогой поезда на магнитной подушке – маглевы.

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Также, в силу отсутствия сопротивления в сверхпроводниках, кабели из такого вещества доставляли бы электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения. Сегодня такие кабели требуют охлаждения посредством жидкого азота, что повышает цену на их эксплуатацию. Однако, исследования в этой сфере ведутся, и первая электропередача на основе сверхпроводников была приведена в эксплуатацию в Нью-Йорке 2008-м году компанией American Superconductor. В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.

Кроме указанных областей применения, сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «Gravity Probe B». Это измерение подтвердило предсказание Эйнштейна о наличии таковой прецессии по причинам, изложенным в Общей теории относительности. Не углубляясь в механизм измерения, следует отметить, что данные о геодезической прецессии Земли позволяют точно калибровать искусственные спутники Земли.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.