Сообщение о явлении сверхпроводимости

Обновлено: 04.07.2024

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Сверхпроводимость — это захватывающее электрическое явление и большая надежда для многих отраслей техники. Оказывается, что при низких температурах сопротивление некоторых материалов внезапно падает до нуля. Этот эффект известен уже более 100 лет, но его механизм до сих пор скрывает тайны. Хотя это явление чисто квантовое, вы можете понять (очень приблизительно), что это такое.

Протекание электрического тока через различные материалы сопровождается возникновением электрического сопротивления. Это происходит из-за взаимодействия электронов с атомами или молекулами кристаллической решетки проводника.

Оказывается, однако, что некоторые материалы при очень низких температурах могут переходить в состояние, в котором они вообще не имеют электрического сопротивления. Это явление, называемое сверхпроводимостью, было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг Оннесом (рис. 1.). Материал, в котором происходит это явление, называется сверхпроводником.

Рис. 1. Портрет Хайке Камерлинг Оннес. Голландский физик, получивший награду за изучение свойств веществ при самых низких температурах и сжижение гелия

В большинстве случаев сверхпроводники, помимо того, что имеют нулевое электрическое сопротивление, также являются идеальными диамагнетиками. Внешнее магнитное поле уравновешивается электрическими токами, протекающими по поверхности, и в результате полное магнитное поле внутри сверхпроводника равно нулю. Это выглядит так, как будто линии магнитного поля выталкиваются из сверхпроводника (см. рис. 2). Это явление называется эффектом Мейснера. Однако существуют сверхпроводники, для которых магнитное поле при определенных условиях проникает в сверхпроводник и создает смешанное состояние.

Рис. 2. Графическое представление эффекта Мейсснера, т.е. явления выброса магнитного поля изнутри сверхпроводника

Для справки. Эффект Мейснера ( от англ. Meissner effect ) — это исчезновение магнитного поля (выброс магнитного поля) в сверхпроводнике, когда он переходит в сверхпроводящее состояние. Это явление было открыто в 1933 году Вальтером Майснером и Робертом Оксенфельдом. Это явление является основой для определения того, является ли данный проводник с нулевым электрическим сопротивлением сверхпроводником.

[1]

Силы, вызванные поверхностными электрическими токами, могут удерживать сверхпроводник над или под магнитом, т.е. в состоянии левитации. Технически проще заставить магнит левитировать над сверхпроводником, как показано на рисунке (рис. 3.).

Рис. 3. Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Источник, CC BY-SA 3.0

Подводя итог обсуждению, мы можем дать определение сверхпроводимости.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление твердого тела падает до нуля, а магнитное поле выталкивается из его внутренней части.

Откуда мы знаем, что электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю? Когда в сверхпроводнике индуцируется вихревой электрический ток, его интенсивность не меняется в течение многих лет, что мы и наблюдаем в физических лабораториях.

Проблема использования сверхпроводимости на практике заключается в том, что это явление возникает при очень низких температурах, обычно ниже -234 o C. Однако исследовательские группы работают над получением этого эффекта при комнатной температуре. Нетрудно представить, как изменился бы наш мир, если бы мы могли использовать электричество без каких-либо потерь энергии.

Температура, при которой появляется сверхпроводимость для данного проводящего вещества, называется критической температурой (T_c). Эти температуры настолько низки, что их трудно достичь, а содержание тел в таких условиях в любом случае очень дорого. Необходимо использовать специальное охлаждение, например, жидким азотом, жидким гелием и т.д. В 20 веке были найдены вещества, для которых критические температуры в среднем намного выше, чем те же температуры для металлов (так называемые керамические агломераты), но даже в этом случае температуры настолько низки, что их поддержание требует больших затрат.

На момент написания статьи рекордно высокая температура сверхпроводимости составляет всего — 23 o C. Это было достигнуто для гидрида лантана. Для его создания — лантан и водород были помещены в камеру и подвергнуты давлению, превышающему атмосферное на 1,7 миллиона (источник [2]).

Материалы, из которых может быть изготовлен сверхпроводник, разнообразны. Это и элементы, и сплавы, органические и неорганические химические соединения. Бывает, что сверхпроводящий материал при температуре выше критической является изолятором.

Явление сверхпроводимости невозможно объяснить на основе классической физики. Это квантовый эффект. Долгое время этому явлению не было убедительного объяснения. Первая теория, описывающая микроскопический механизм эффекта, была разработана в 1957 году. Его авторы — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер — были удостоены Нобелевской премии в 1972 году.

В двух словах, эта теория основана на постулате, что: в сверхпроводящем состоянии электрический ток переносится парами электронов с противоположно направленными спинами.

Одиночные электроны являются фермионами (т.е. частицами со спином, равным ½) и не могут занимать одинаковые энергетические состояния. Однако пара электронов уже является бозоном (частицей с полным спином, в данном случае 0), а на бозоны этот запрет не распространяется. Все они могут занимать самый низкий квантовый уровень энергии и не участвовать в процессе диссипации энергии из-за взаимодействия с кристаллической решеткой. Электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой, образуя пару, поэтому это происходит только при низких температурах, когда колебания атомов в решетке не мешают этому взаимодействию.

Так же, как медный провод проводит электричество лучше, чем резиновая трубка, некоторые виды материалов при определенных условиях проявляют явление сверхпроводимости.

Состояние сверхпроводника при этом явлении определяется двумя основными свойствами: материал предлагает нулевое сопротивление электрическому току и в него не могут проникать магнитные поля .

Потенциал и польза от этого свойства столь же обширна, сколь и увлекательна: электрические провода без потерь это чрезвычайно быстрые цифровые технологии или эффективные поезда магнитной левитации.

Суть сверхпроводимости

Сверхпроводимость — это явление, при котором заряд движется через материал без сопротивления.

Теоретически это позволяет передавать электрическую энергию между двумя точками с идеальной эффективностью, ничего не теряя при прохождении тока.

Как работает сверхпроводимость?

Явление сверхпроводимости позволяет электронам преодолевать их обычное отталкивание друг друга и теснее прижимаясь друг к другу, образовывать так называемые куперовские пары (квазачастица из двух электронов). В этом низкоэнергетическом состоянии идентичность каждого отдельного электрона становится менее определенной. Это позволяет им с легкостью проскальзывать сквозь атомы материала.
Открыл явление сверхпроводимости в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес когда исследовал зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Это открытие привело к огромному объему исследовательской деятельности. Сотрудничество между химиками и физиками, а также экспериментаторами и теоретиками дало начало значительному потенциалу применения, начиная от передачи электроэнергии и заканчивая квантовой информацией.
В обычных электрических проводниках ток передается электронами, действующими индивидуально. Но в сверхпроводниках электроны спариваются для передачи тока практически без потерь.

Считается, что около 40 элементов периодической системы могут обладать сверхпроводящими свойствами при определенных условиях.
Основные параметры сверхпроводящих материалов:

• температура;
• плотность тока;
• магнитная индукция.

Из всех чистых металлов лучшими свойствами обладает ниобий, но не полностью выталкивает магнитное поле, что ограничивает его применение.

Явление высокотемпературной сверхпроводимости

В течение 75 лет после открытия явления сверхпроводимости все известные сверхпроводники работали только при температурах близких к абсолютному нулю, ограничивая способ их использования.
Это изменилось в 1986 году, когда ученые обнаружили, что сверхпроводники на основе меди, или купраты переносят электричество без потерь при относительно высоких температурах, но все еще довольно низких температурах.

На самом деле, некоторые соединения меди являются сверхпроводящими при температурах выше 100 Кельвинов, или минус 173 градуса Цельсия, что позволяет развивать сверхпроводящие технологии, которые можно охлаждать жидким азотом.

Сверхпроводники комнатной температуры

В последние годы исследователи выдвигают температурные ограничения на то, насколько холодным должен быть сверхпроводящий материал, чтобы функционировать.

В настоящее время рекордсменом является соединение, состоящее из серы и водорода, которое может без потерь проводить электричество при относительно теплой температуре 203 Кельвина (-70 градусов Цельсия). Единственная загвоздка в том, что для его формирования требуется давление в 1,5 миллиона атмосфер.
По мере того как физики будут больше узнавать о сверхпроводящих материалах, они будут разрабатывать более точные модели этого явления, возможно, приближая нас к сверхпроводникам, которые могут удобно работать в кармане.

История сверхпроводящих материалов была особенно отмечена открытием других соединений, в частности органических сверхпроводников, которые, несмотря на их низкую критическую температуру, продолжают привлекать большой интерес к своим экзотическим свойствам.

И последнее, но не менее важное: недавние наблюдения сверхпроводимости в материалах на основе железа (пниктиды) возродили надежду на достижение сверхпроводимости при комнатной температуре.
Однако, несмотря на интенсивные исследования во всем мире, некоторые особенности, связанные с этим явлением, остаются закрытыми. Одним из фундаментальных ключевых вопросов является механизм, с помощью которого происходит явление сверхпроводимости. Этот механизм наука изучает.

Синтез образцов с явлением сверхпроводника

Последние теоретические предсказания показали, что появился новый класс сверхпроводящих материалов гидриды которые могли бы проложить путь к высокотемпературной сверхпроводимости. Исследователи создали один из этих материалов, называемый гидридом лантана, проверили его сверхпроводимость и определили его структуру и состав.

Ученые бомбардировали образец нового сверхпроводящего материала рентгеновскими лучами для изучения его свойств. Единственная загвоздка заключалась в том, что материал нужно было поместить под чрезвычайно высокое давление от 150 до 170 гигапаскалей, что более чем в полтора миллиона раз превышает стандартное воздушное давление на уровне моря.
Только в этих условиях высокого давления крошечный образец гидрид лантана всего несколько микрон проявляет сверхпроводимость при новой рекордной температуре.
Фактически, материал показал три из четырех характеристик, необходимых для доказательства сверхпроводимости: упало его электрическое сопротивление, уменьшилась его критическая температура под внешним магнитным полем, поле показало изменение температуры при замене элементов изотопами. Четвертая характеристика, называемая эффектом Мейснера, при которой материал вытесняет любые магнитное поле. В эксперименте исследователи сжали крошечный образец материала между двумя маленькими алмазами, чтобы оказать необходимое давление, затем использовали рентгеновские лучи для исследования его структуры и состава.
Температура используемая для проведения эксперимента, находилась в пределах нормы, что делает конечной целью нормальные условия—или хотя бы 0 градусов по Цельсию—кажется, в пределах досягаемости.
Ученые уже продолжают сотрудничать, чтобы найти новые материалы, которые могут создавать сверхпроводимость при более разумных условиях.

Ученые поставили следующую цель в том, чтобы уменьшить давление и синтезировать образцы, чтобы принести критическую температуру ближе к окружающей среде, и, возможно, даже создать образцы, которые могли бы синтезироваться при высоких давлениях, но все равно, чтобы сверхпроводник работал при нормальных давлениях. Исследователи продолжают искать новые и интересные соединения, которые принесут нам новые, и часто неожиданное открытие.

Почему так важны сверхпроводящие материалы?

В идеальном мире все мы имели бы сверхпроводящие материалы, подключенные к нашей электронике и электрическим сетям, экономя огромное количество энергии и позволяя нам втискивать схемы в ограниченные пространства.
К сожалению, тут есть одна загвоздка. Большинство сверхпроводящих материалов выполняют эту полезную функцию только при температурах чуть выше абсолютного нуля, когда атомы почти не движутся.

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

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.

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)

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.

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.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

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.

Куперовская пара электронов, движущаяся сквозь решетку из положительных атомов. Первый электрон искажает решетку, создавая область повышенного положительного заряда, в которую втягивается второй электрон.

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.

Применение сверхпроводников

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

Поезд на магнитном подвеске в Шанхае, Китай

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.

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

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.

Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.

Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка

В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.

Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons

В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.

Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.

Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.

Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School

Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит

В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.

Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.

Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.

Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.

В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.

Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания

В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.

Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba

Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.

Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.

Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.

Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba

Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников

Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.

Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.

Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.

Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.

Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.

Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).

Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram

Термоядерные реакторы

Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Когда же потеплеет?

Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (LaH10). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.

Электрические кабели для ускорителей в CERN: сверху обычные кабели для Большого адронного коллайдера .

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Характер изменения теплоемкости (c_v, синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т_c теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок фазового перехода ΙΙ рода. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейсснера

Основная статья: . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

, где >" width="" height="" />
— критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с Эффект Литтла-Паркса

В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины [2] Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости. [3] [4]

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т_с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего металла.

Момент Лондона

Когда сверхпроводник попадает в магнитное поле, это поле проникает в него в виде тонких потоков, называемых вихрями. Вокруг каждого такого вихря возникают электрические токи. Эти вихри тиражируют себя и рассеиваются, когда температура материала возрастает. Поскольку вихри имеют тенденцию прикрепляться к длинным тонким отверстиям в материале, называемым призматическими дефектами, исследователи предположили, что вихри будут вести себя иначе при наличии таких дефектов. И они выяснили: когда вихрей больше, чем отверстий, вихри начинают рассеиваться в два этапа вместо одного, так как температура повышается. [источник не указан 4665 дней]

Если удастся задержать процесс рассеивания вихревых потоков, то будет возможно добиться эффекта сверхпроводимости при более высоких температурах. [источник не указан 4665 дней]

Квантово-механическая теория

Квантово-механическая теория сверхпроводимости (теория БКШ) рассматривает это явление как бозе-эйнштейновского конденсата электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, переводит её в возбуждённое состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов противоположно направленны.

Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов (куперовских пар). Оценка показывает, что электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка ста периодов кристаллической решётки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой сплочённое образование, простирающееся на громадные по атомным масштабам расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах сплав) сохраняет обычные свойства. Если же при температуре Т_c силы притяжения преобладают над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.

Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решёткой малыми порциями, меньшими чем определенная энергия. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре Т = Т_c происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и состояние сверхпроводимости исчезает.

Применение сверхпроводимости

Левитация высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa₂Cu₃O_x, получены вещества, для которых температура Т_c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H_c2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные См. также

Читайте также:

  
• Сообщение в открытую линию сообщение не отправлено клиент с подключенной открытой линией не найден
  
• Подвижная игра баскетбол сообщение
  
• Сообщение на тему разнообразие почв
  
• Сообщение о группе компаний
  
• Сообщение низкая температура батареи