Февраль 2018
 
Email

А. Варламов. Сверхпроводимость. Часть 1

 
Опубликовано 05.07.2010
 
 

То, что мы называем современной физикой,  датируется XVI  веком работами  Галилея и  Ньютона, которые заложили основу классической механики. Далее эта наука стала развиваться, появилась оптика, термодинамика. И, наконец, к концу  XIX века была создана теория электромагнетизма, статистическая физика.  И казалось, что здание построено, вся физика уже сделана. Было несколько маленьких темных пятен, которые  превратились в современную физику XX  века. Одним из предметов интереса ученыx того времени был вопрос о поведении сопротивления металлов в зависимости от того, сколько в них примесей. Были сторонники теории, что чистый металл имеет бесконечную проводимость, то есть проводит ток совершенно без сопротивления. А были сторонники, которые говорили, что все наоборот, он становится в этих условиях  изолятором. Среди ученых, которые изучали этот вопрос, был Хейке Камерлинг-Оннес, голландский ученый и инженер. Это был человек, который первый сумел сжижить гелий.

 
 
Это был человек-универсал, блестящий инженер, который придумал каскадный метод сжижения газов. И в то же время, это был очень серьезный ученый и он участвовал в этой дискуссии. И вот, в только  что сжиженный им наиболее холодный газ, температуру которого нужно было довести до 4,2 градусов Кельвина, то есть минус 69 градусов Цельсия и  заставить его испаряться, он поместил туда тонкие проволочки чистейшей ртути, чтобы узнать, как же себя ведет сопротивление этих ртутных проволок при низких температурах. Он обнаружил совершенно необычный эффект: сопротивление этих проволочек до температуры 4,2 градусов Кельвина монотонно понижалось, а потом внезапно обратилось в ноль.  Он проверил этот эффект, и на заседании Королевского физического общества 25-го апреля 1911 года доложил о своем открытии. Чтобы оценить важность этого открытия, достаточно представить сегодня, что бы нам дало это явление сверхпроводимости, если бы мы могли пользоваться им при комнатной температуре.  Это сразу означает, что мы могли бы полностью перейти на электромобили, потому что мы могли бы аккумулировать электрическую энергию в малом объеме, создавая катушки.  Если ангарская ГЭС или Красноярская ГЭС производит энергию круглые сутки, а ночью завод не работает или находится далеко, то при перебросе  энергии в европейскую часть теряется до 30%.  Этого всего можно было бы избежать, поставив огромную катушку и запасая там энергию, потому что она бы двигалась без сопротивления, без рассеивания.  Все это понял Камерлинг-Оннес.  Достаточно сказать, что он получил Нобелевскую премию за сверхпроводимость  через 13 месяцев, в то время как другие по 50 лет ждут. Но дальнейшие исследования показали, что имеются три весьма неприятные особенности открытого  явления.  Прежде всего, сверхпроводники боятся высоких температур, то есть  само явление может происходить при исключительно низких температурах – минус 269 градусов, при этом испаряется  жидкий гелий, а гелий очень редкий газ, его много на солнце, а тут его добывают из специальных песков и он стоит больших денег, не говоря уже о том, что его надо сжижить ,а это стоит электроэнергии. Вторым обстоятельством было то, что,  как выяснилось, сверхпроводники боялись магнитного поля. Но зачем же нам тогда нужны такие проводники, ведь проводники нужны для того, чтобы по ним ток пускать, а когда идет ток, появляется магнитное поле.  Получается собака, которая кусает себя за хвост.  Мы хотим получать сильные токи, но  эти токи разрушат наше явление сверхпроводимости. Третье обстоятельство – гелий является жидким газом, у него маленькая теплоемкость, поэтому  если мы пустим большой ток по сверхпроводнику,  и он по каким-то причинам перейдет в нормальное состояние, то высвободится огромное количество энергии и произойдет взрыв.  Но самой главной проблемой были критические температуры – сверхпроводимость наблюдалась в ртути при очень низкой температуре.

Ученые в различных лабораториях мира стали искать другие сверхпроводники и нашли их в различных металлах и сплавах.  К  1973 году был создан последний из классических сверхпроводников, рекордсмен, это был Nb3Ge (ниобий 3 германий)  с критической температурой всего лишь 23 градуса Кельвина, то есть минус 250 градусов Цельсия. Не лучше было и с теорией. Явление сверхпроводимости было абсолютно загадочным, его никак не могли объяснить, и на протяжении более чем 20-ти лет не было никакой теории сверхпроводимости. Наконец, в 1933 году Майснер и Оксенфельд обнаружили еще одно фундаментальное свойство сверхпроводников: когда проводник, скажем цилиндрический, находится в сверхпроводящем состоянии, он полностью выталкивает из себя магнитное поле.

 

 
 
Мы знаем, что обычно металл пропускает через себя магнитное поле, он является либо диамагнетиком,  либо легким парамагнетиком. Существуют ферромагнитные металлы, такие как железо, кобальт, но в них магнитное поле еще более усиливается. Сверхпроводник же является идеальным диамагнетиком, он полностью выталкивает из себя магнитное поле. У него есть возможность пускать по себе токи, и поэтому когда мы к нему прикладываем внешнее магнитное поле, он тут же устраивает по себе такой транспорт электрического тока, который внутри его объема своим магнитным полем компенсирует внешнее, и магнитное поле внутри сверхпроводника снова останется нолем. Вот это очень важное обстоятельство, которое называется эффект МайснераОксенфельда, дало толчок развитию теории.  Братья Лондоны, два теоретика,  в 1934 году написали уравнение Лондонов. Они придумали феноменологическую теорию. Слово  феноменологическое значит «без глубокого понимания»,  феномен – это явление. Теория, которая умеет описывать явления описательным образом, но не понимает его глубокой сути, называется феноменологической теорией.  Вот такую теорию написали браться Лондоны, которые фактически написали закон Ньютона для электронов и  чуть-чуть электродинамики, но не сумели объяснить феномен Майснера.  Эта теория существовала, но не удовлетворяла никого, люди пытались дальше понять, что происходит. И вот в конце 30-х годов в Москве  Петр Капица открыл явление сверхтекучести. Сверхтекучесть – это  нечто очень похожее на сверхпроводимость, только без заряда. Капица открыл, что как раз в этом самом жидком геле, если еще ниже спуститься по температуре до 2,18 градусов, начинаются чудеса, а именно,   эта жидкость начинает протекать совершенно без вязкости через любые сколь угодно тонкие  щели и капилляры. Это явление называлось сверхтекучестью. И вот, Лев Ландау, блестящий физик-теоретик в  течение нескольких лет создал теорию текучести, где все основывалось на том, что атомы гелия являются так называемыми бозонами. Бывают элементарные частицы бозоны, а бывают фермионы.  Бозоны любят жить вместе, а фермионы наоборот – терпеть не могут.  Представьте себе, что вы заходите в троллейбус, как вы рассядетесь?  Первый человек сядет на пустое кресло, второй тоже сядет на отдельное место. Люди ведут себя как фермионы и начнут подсаживаться только тогда, когда все остальные двойные сиденья будут содержать по одному человеку. А бозоны – это большая компания, в которой все сразу сядут вместе.

 

С гелием все хорошо получилось.  Ландау написал теорию, но там атомы были бозонами, а электроны являются фермионами, и поэтому как их заставить находиться  вместе,  было совершенно непонятно.

В 1950-м году случилось важное для теории сверхпроводимости обстоятельство: кому-то пришло в голову, и мы можем даже сказать кому, померить зависимость критической температуры сверхпроводника, а именно ртути, от того, какой изотоп берется. То есть ртуть может содержать больше или меньше нейтронов и будут получаться Hg  198 (ртуть 198), Hg 200 (ртуть 200) и Hg 202 (ртуть 202). Оказалось, что критическая температура этих разных изотопов с очень похожими атомами – атомы те же самые, только  ядра тяжелее или легче – температура сверхпроводящего перехода оказалась зависящей от номера изотопа. Вот это открыло людям глаза на то, что явление сверхпроводимости не является чисто электронным явлением, а как-то вовлечена решетка.



 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
© "YOS" 2010-2011
ИНТМЕДИА