Фізика квантових рідин. Частина третя.
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У 1911 році голландський фізик Камерлінг-Оннес виявив, що деякі метали при низьких температурах раптово, стрибком втрачають свій електричний опір. Це явище було названо надпровідністю. Надпровідність металів – перше явище, що відноситься до фізики квантових рідин, яке отримало практичне застосування. Воно пов’язане з поведінкою надпровідників в магнітному полі.
Дослідження показали, що надпровідники не тільки позбавлені електричного опору, але, крім того, вони не пропускають в свою товщу зовнішнє магнітне поле. Звичайний немагнітний метал практично байдужий для магнітного поля: поле в металі таке ж, як в порожнечі. Але як тільки метал переходить в надпровідний стан, поле виштовхується з нього. Зважаючи на це зовнішнє магнітне поле робить як би тиск на надпровідник, і коли воно стає досить сильним, надпровідність руйнується стрибком. Метал переходить в нормальний стан.
На цій властивості засновані особливі прилади – кріотрони, які можуть служити осередками електронних лічильних машин. Цікаво те, що такий елемент являє собою пластинку площею в 1 мм3 і товщиною в 0,1 мм. Отже, в одному кубічному сантиметрі може вміститися десять тисяч таких елементів.
Але і це не межа. Можливо, в недалекому майбутньому можна буде упаковувати кріотрони з такою ж щільністю, як клітини в людському мозку. Єдине, що потрібно, – це охолодження. Адже надпровідність існує лише при кількох градусах вище абсолютного нуля. При великій щільності кріотронів витрати на охолодження є цілком виправданими.
Інше застосування надпровідників – постійні магніти, що створюють великі магнітні поля. Відсутність електричного опору в надпровідниках означає, що можна зробити надпровідне кільце, по якому буде циркулювати незатухаючий струм. Можна зробити навіть цілу котушку – соленоїд. Така котушка створить в навколишньому просторі магнітне поле, як це робить звичайний електромагніт. Відмінність від електромагніту буде полягати в тому, що для підтримки струму в надпровідному соленоїді не вимагається зовнішнього живлення, такий соленоїд – постійний магніт. (Як видно на прикладі звичайного постійного магніту, для створення в просторі магнітного поля в принципі не потрібно весь час витрачати енергію. У цьому сенсі в електромагніті енергія джерела струму витрачається непродуктивно: вона йде на розігрів обмотки. Потужні електромагніти навіть потребують охолодження обмотки.)
Хоча можливість використання надпровідних котушок в якості постійних магнітів була відома давно, практично вона не здійснювалася. Це було пов’язано з тим, що надпровідність звичайних надпровідників руйнується вже в невеликих полях порядку декількох сотень або тисяч Ерстед. Тільки порівняно недавно було виявлено, що в природі існують надпровідні сплави, що витримують дуже велике магнітне поле. В даний час з таких сплавів створюються соленоїди, які дають магнітне поле, порівнянне з полем найсильніших електромагнітів (до 300 000 ерстед).
Треба відзначити, що велика величина поля, руйнуючи надпровідність в сплавах, добре пояснюється теорією. Виявляється, що істотну роль тут відіграє порушення правильної кристалічної структури через місцеві спотворення кристалічної решітки або домішок сторонніх атомів. Збільшення щільності таких «дефектів» решітки призводить до зростання граничної величини магнітного поля. Звідси шлях до збільшення полів – штучне створення дефектів. Таким способом можна з часом збільшити магнітні поля ще в десяток разів у порівнянні з одержуваними зараз. Після цього надпровідні соленоїди повністю залишать позаду всі сучасні джерела магнітного поля.
Кріотрони і соленоїди – поки єдині прилади, в яких присутнє застосування надпровідності, та й взагалі фізики квантових рідин. Основна трудність таких застосувань полягає в необхідності підтримки температури всього в декілька градусів вище абсолютного нуля. Але техніка створення низьких температур швидко вдосконалюється, і область їх використання розширюється. Це створює впевненість, що в недалекому майбутньому дивовижні властивості квантових рідин отримають ще багато, може бути, зовсім несподіваних застосувань.
Автор: А. Абрикосов.