Низкотемпературная сверхпроводимость
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Сверхпроводники, которые давно уже использует промышленность, представляют собой сплавы ниобия с титаном. На смену им приходят новые материалы, у которых намного выше так называемые критические параметры: критическая температура и наибольшее магнитное поле, которые еще не лишают сверхпроводник его главного свойства — пропускать через себя ток, не оказывая ему никакого электрического сопротивления. Однако материалы эти хрупки как стекло, и изготовить из них проволоку для обмоток электромагнитов крайне сложно.
Однако на очередь дня встает новая проблема — созданы еще одни материалы, теперь уже третье поколение сверхпроводников, на базе сплавов ниобия с германием и алюминием. У них еще более заманчивые характеристики — если сверхпроводники первого поколения имеют критическое магнитное поле в сто тысяч эрстед, во втором поколении величина эта доходит до двухсот тысяч, то в третьем она подобралась уже к четыремстам тысячам. Ясно, что если бы иметь такие обмоточные материалы, то можно было бы сделать огромные шаги во многих областях науки и техники — в частности, в деле создания термоядерных установок с магнитным удержанием плазмы и ускорителей элементарных частиц, не говоря уж об обычной электротехнике и энергетике.
Пока мы умеем делать лишь небольшие ленточки из таких материалов, и хотя перейти от коротких кусочков к длинным проволокам — задача трудная, мы стоим на пороге ее решения. Но остается другой важный вопрос, не решив который нельзя сделать сверхпроводники промышленно выгодными, а именно: как поднять величину критического тока? Вот эта задача уже не просто технологическая, она еще и физическая. Ведь известно, что если на сверхпроводник наложить внешнее магнитное поле — а без этого никак обойтись нельзя, ибо все сверхпроводники, которые работают в соленоидах, подвергаются действию большого магнитного поля, созданного ими же самими,— то в нем возникают сверхпроводящие вихри, которые располагаются в пространстве, образуя правильную решетку.
Оси вихрей параллельны внешнему магнитному полю. И когда электрический ток протекает поперек структуры вихрей, возникают силы Лоренца, которые начинают эти вихри сносить. А при движении вихрей возникает рассеяние энергии, и сверхпроводник перестает быть сверхпроводником.
Поэтому нужно сделать так, чтобы вихри не сносились. Для этого их надо закрепить на каких-то внутренних неоднородностях материала. И вот вся борьба идет за то, чтобы создать такие внутренние неоднородности. Тогда можно пропускать большие токи через такой материал. Это большая и самостоятельная физическая задача, потому что до сих пор не до конца понятен механизм взаимодействия вихрей с неоднородностями. А до того, как она решена, нельзя научиться управлять такими неоднородностями, а также создавать их специально с заданной целью. Поэтому мы отдельно занимаемся исследованием взаимодействия вихрей с различными неоднородностями. Один из самых интересных случаев, изучаемых нами, — взаимодействие вихрей просто с поверхностью сверхпроводника, потому что поверхность — это тоже неоднородность, самая простая и главная. А если создать сверхпроводник с большим количеством внутренних поверхностей, то получится целая система дефектов, на которых вихри могут закрепляться.
Другую надежду мы связываем с тем обстоятельством, что очень сильными неоднородностями, на которых могут крепиться вихри, являются границы зерен некоторых поликристаллических материалов. Они сейчас дотошно исследуются в лабораториях.
Также сейчас ученые занимаются исследованиями «сэндвичей» — систем типа «сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник». Это очень интересная система, во многом совершенно непонятная. С одной стороны, она проявляет все типичные свойства перехода Джозефсона: пары сверхпроводящих электронов — так называемые куперовские пары — вроде бы проходят из сверхпроводника сквозь тонкий слой меди, которая не является сверхпроводником, в другой сверхпроводник без разрушения. Получается, что вся система в целом — сверхпроводник. Но, с другой стороны, расстояние между двумя пластинками ниобия, то есть толщина медной прослойки, слишком велика, чтобы пары могли пройти такое расстояние, не разрушаясь.
Существует несколько точек зрения на то, почему это происходит. Возможно, что большую роль здесь играет явление, которое сейчас во всем мире называют «андреевским отражением»,— оно было предсказано теоретиком А. Ф. Андреевым. Суть его в том, что если электрон из нормального металла налетает на сверхпроводник и энергия его меньше, ширины энергетической щели в сверхпроводнике, то электрон отражается от этой щели и летит обратно в том направлении, откуда пришел, но поменяв знак заряда на противоположный. Если же электроны оказываются зажатыми между двумя стенками, то, непрерывно отражаясь от них, они как бы несут от одной поверхности к другой информацию о том, что и там существует сверхпроводимость. И таким образом устанавливают некоторую связь между двумя «берегами», то есть сверхпроводниками.
Проблема «сэндвичей» увлекает нас не только своей чисто научной стороной, но и тем, что она важна для практики. Ведь даже если все проблемы сверхпроводимости решены, все равно надо как-то соединить сверхпроводящую часть с обычной — с проводами, шинами, выключателями и т. д. И потому у людей, которые занимаются сверхпроводимостью, возникает простой и естественный вопрос: как происходит переход тока из нормального металла в сверхпроводник? В нормальном металле ток осуществляется одиночными электронами, в сверхпроводнике — куперовскими лаврами. Но что происходит на границе, когда вы с помощью простого винта создаете контакт между нормальным металлом и сверхпроводником, причем контакт чисто механический? Каков механизм, который обеспечивает превращение одиночных электронов в куперовские пары? И, наконец, что представляет собой эта граница между нормальным металлом и сверхпроводником?
Вот на эти вопросы ученые пока ищут ответы.
Автор: В. Шмидт, доктор физико-математических наук.