Физика квантовых жидкостей. Часть третья.

Сверхпроводимость металлов

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что некоторые металлы при низких температурах внезапно, скачком теряют свое электрическое сопротивление. Это явление было названо сверхпроводимостью. Сверхпроводимость металлов — первое явление, относящееся к физике квантовых жидкостей, которое получило практическое применение. Оно связано с поведением сверхпроводников в магнитном поле.

Исследования показали, что сверхпроводники не только лишены электрического сопротивления, но, кроме того, они не пропускают в свою толщу внешнее магнитное поле. Обычный немагнитный металл практически безразличен для магнитного поля: поле в металле такое же, как в пустоте. Но как только металл переходит в сверхпроводящее состояние, поле выталкивается из него. Ввиду этого внешнее магнитное поле оказывает как бы давление на сверхпроводник, и когда оно становится достаточно сильным, сверхпроводимость разрушается скачком. Металл переходит в нормальное состояние.

На этом свойстве основаны особые приборы — криотроны, которые могут служить ячейками электронных счетных машин. Интересно то, что такой элемент представляет собой пластинку площадью в 1 мм3 и толщиной в 0,1 мм. Следовательно, в одном кубическом сантиметре может уместиться десять тысяч таких элементов.

Но и это не предел. Возможно, в недалеком будущем можно будет упаковывать криотроны с такой же плотностью, как клетки в человеческом мозге. Единственное, что нужно, — это охлаждение. Ведь сверхпроводимость существует лишь при нескольких градусах выше абсолютного нуля. При большой плотности криотронов затраты на охлаждение являются вполне оправданными.

Другое применение сверхпроводников — постоянные магниты, создающие большие магнитные поля. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводниках означает, что можно сделать сверхпроводящее кольцо, по которому будет циркулировать незатухающий ток. Можно сделать даже целую катушку — соленоид. Такая катушка создаст в окружающем пространстве магнитное поле, как это делает обычный электромагнит. Отличие от электромагнита будет заключаться в том, что для поддержания тока в сверхпроводящем соленоиде не требуется внешнего питания, такой соленоид —постоянный магнит. (Как видно на примере обычного постоянного магнита, для создания в пространстве магнитного поля в принципе не требуется все время затрачивать энергию. В этом смысле в электромагните энергия источника тока тратится непроизводительно: она идет на разогрев обмотки. Мощные электромагниты даже нуждаются в охлаждении обмотки.)

Хотя возможность использования сверхпроводящих катушек в качестве постоянных магнитов была известна давно, практически она не осуществлялась. Это было связано с тем, что сверхпроводимость обычных сверхпроводников разрушается уже в небольших полях порядка нескольких сотен или тысяч эрстед. Только сравнительно недавно было обнаружено, что в природе существуют сверхпроводящие сплавы, которые выдерживают очень большое магнитное поле. В настоящее время из таких сплавов создаются соленоиды, которые дают магнитное поле, сравнимое с полем сильнейших электромагнитов (до 300 тысяч эрстед).

Надо отметить, что большая величина поля, разрушающего сверхпроводимость в сплавах, хорошо объясняется теорией. Оказывается, что существенную роль здесь играет нарушение правильной кристаллической структуры из-за местных искажений кристаллической решетки или примесей посторонних атомов. Увеличение плотности таких «дефектов» решетки приводит к возрастанию предельной величины магнитного поля. Отсюда путь к увеличению полей — искусственное создание дефектов. Таким способом можно со временем увеличить магнитные поля еще в десяток раз по сравнению с получаемыми сейчас. После этого сверхпроводящие соленоиды полностью оставят позади все современные источники магнитного поля.

Криотроны и соленоиды — пока единственные приборы, в которых есть применение сверхпроводимости, да и вообще физики квантовых жидкостей. Основная трудность таких применений заключается в необходимости поддержания температуры всего в несколько градусов выше абсолютного нуля. Но техника создания низких температур быстро совершенствуется, и область их использования расширяется. Это создает уверенность, что в недалеком будущем удивительные свойства квантовых жидкостей получат еще много, может быть, совершенно неожиданных применений.

Автор: А. Абрикосов.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что интересно как бы звучало какое-нибудь исследование по физике квантовых жидкостей на французском языке. Вот уж где было бы изобилие красивых фраз на французском языке, да еще и означающих различные научные термины.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *