Что такое сверхпроводник?

Сверхпроводник — это материал, который обеспечивает сверхпроводимость, то есть состояние вещества, которое не имеет электрического сопротивления и не позволяет проникать магнитным полям. Электрический ток в сверхпроводнике может сохраняться неопределенно долго.

Сверхпроводимость обычно достигается только при очень низких температурах. Сверхпроводники имеют широкий спектр повседневных применений, от аппаратов МРТ до сверхбыстрых поездов на магнитном подвесе, которые используют магниты, чтобы левитировать над полотном пути с целью минимизировать трение. В настоящее время исследователи пытаются найти и разработать сверхпроводники, работающие при более высоких температурах, что произведет революцию в транспортировке и хранении энергии.

Коротко об этом рассказало издание LiveScience.

Кто открыл сверхпроводимость?

Заслуга открытия сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Хайке Камерлинг-Оннес. В 1911 году Оннес изучал электрические свойства ртути в своей лаборатории в Лейденском университете в Нидерландах, когда он обнаружил, что электрическое сопротивление ртути полностью исчезло, когда он опустил температуру ниже 4,2 Кельвина (-268,95 ℃).

Чтобы подтвердить этот результат, Оннес приложил электрический ток к образцу переохлажденной ртути, затем отключил аккумулятор. Он обнаружил, что электрический ток сохраняется в ртути, не уменьшаясь, что подтверждает отсутствие электрического сопротивления и открывает двери для будущих применений сверхпроводимости.

История сверхпроводимости

Физики потратили десятилетия, пытаясь понять природу сверхпроводимости и ее причины. Они обнаружили, что многие элементы и материалы (но не все) становятся сверхпроводящими при охлаждении ниже определенной критической температуры.

В 1933 году физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники «вытесняют» любые близлежащие магнитные поля, а это означает, что слабые магнитные поля не могут проникнуть далеко внутрь сверхпроводника. Это явление называется эффектом Мейснера.

Только в 1950 году физики-теоретики Лев Ландау и Виталий Гинзбург опубликовали теорию работы сверхпроводников, согласно биографии Гинзбурга на сайте Нобелевской премии. Несмотря на успех в предсказании свойств сверхпроводников, их теория была «макроскопической», то есть фокусировалась на крупномасштабном поведении сверхпроводников, оставаясь в неведении о том, что происходит на микроскопическом уровне.

Наконец, в 1957 году физики Джон Бардин, Леон Н. Купер и Роберт Шриффер разработали полную микроскопическую теорию сверхпроводимости. Чтобы создать электрическое сопротивление, электроны в металле должны свободно двигаться. Но когда электроны внутри металла становятся невероятно холодными, они могут образовывать пары, не позволяя им подпрыгивать. Эти электронные пары, называемые куперовскими парами, очень стабильны при низких температурах, и при отсутствии электронов, «свободно» отскакивающих, электрическое сопротивление исчезает. Бардин, Купер и Шриффер соединили эти части, чтобы сформировать свою теорию, известную как теория BCS, которую они опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Как работают сверхпроводники?

Когда температура металла опускается ниже критической, электроны в нем образуют связи, называемые куперовскими парами. Т.е. запертые таким образом электроны не могут обеспечить какое-либо электрическое сопротивление, а электричество может идеально проходить через металл.

Однако это работает только при низких температурах. Когда металл становится слишком горячим, электроны имеют достаточно энергии, чтобы разорвать связи куперовских пар и вернуться к сопротивлению. Вот почему Оннес в своих первоначальных экспериментах обнаружил, что ртуть ведет себя как сверхпроводник при 4,19 К, но не при 4,2 К.

Для чего используются сверхпроводники?

Наверняка вы неоднократно сталкивались со сверхпроводниками даже не осознавая этого. Для создания сильных магнитных полей, используемых в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерной магнитно-резонансной томографии (ЯМРТ), в аппаратах используются мощные электромагниты. Эти мощные электромагниты плавили бы нормальные металлы из-за тепла, имей они даже минимальное сопротивление. Однако, поскольку сверхпроводники не имеют электрического сопротивления, тепло не генерируется, и электромагниты могут генерировать необходимые магнитные поля.

Подобные сверхпроводящие электромагниты также используются в поездах на магнитной подвеске, экспериментальных ядерных термоядерных реакторах и лабораториях ускорителей высокоэнергетических частиц. Сверхпроводники также используются для питания рельсотрона и койлганов, базовых станций сотовых телефонов, быстрых цифровых схем и детекторов частиц.

По сути, каждый раз, когда вам нужно действительно сильное магнитное поле или электрический ток, и вы не хотите, чтобы ваше оборудование расплавилось при включении, вам понадобится сверхпроводник.

«Одной из самых интересных областей применения сверхпроводников являются квантовые компьютеры», — сказал Алексей Безрядин, физик-физик из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн. Благодаря уникальным свойствам электрических токов в сверхпроводниках их можно использовать для создания квантовых компьютеров.

«Такие компьютеры состоят из квантовых битов или кубитов. Кубиты, в отличие от классических битов информации, могут существовать в квантовых суперпозиционных состояниях «0» и «1» одновременно. Сверхпроводящие устройства могут имитировать это», — сказал Безрядин Live Science . «Например, ток в сверхпроводящей петле может течь по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно. Такое состояние представляет собой пример сверхпроводящего кубита».

Что нового в исследованиях сверхпроводников?

Первой задачей сегодняшних исследователей является «разработка материалов, которые являются сверхпроводниками в условиях окружающей среды, потому что в настоящее время сверхпроводимость существует только при очень низких температурах или очень высоких давлениях», — сказал Мехмет Доган, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Следующая задача — разработать теорию, объясняющую, как работают новые сверхпроводники, и предсказывать свойства этих материалов», — сказал Доган Live Science в электронном письме.

Сверхпроводники делятся на две основные категории: низкотемпературные сверхпроводники (НТС), также известные как обычные сверхпроводники, и высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) или нетрадиционные сверхпроводники. LTS можно описать теорией BCS, чтобы объяснить, как электроны образуют куперовские пары, в то время как HTS используют другие микроскопические методы для достижения нулевого сопротивления. Истоки ВТСП — одна из основных нерешённых проблем современной физики.

Большинство исторических исследований сверхпроводимости проводилось в направлении LTS, потому что эти сверхпроводники намного легче обнаружить и изучить, и почти все приложения сверхпроводимости включают LTS.

HTS, напротив, представляют собой активную и захватывающую область современных исследований. Всё, что работает как сверхпроводник при температуре выше 70 К, обычно считается ВТСП. Несмотря на то, что это всё ещё довольно холодно, это приемлемая температура, её можно достичь путем охлаждения жидким азотом, который гораздо более распространен и доступен, чем жидкий гелий, необходимый для охлаждения до ещё более низких температур, необходимых для LTS.

Будущее сверхпроводников

«Святой Грааль» исследований сверхпроводников — это найти материал, который может действовать как сверхпроводник при комнатных температурах. На сегодняшний день самая высокая температура сверхпроводимости была достигнута при чрезвычайно высоком давлении углеродсодержащего гидрида серы, который достиг сверхпроводимости при 59 F (15 C), но для этого требовалось давление 267 гигапаскалей. Это давление эквивалентно внутреннему пространству планет-гигантов, таких как Юпитер, что делает его непрактичным для повседневного использования.

Сверхпроводники при комнатной температуре позволят осуществлять электрическую передачу энергии без потерь, более эффективные поезда на магнитной подвеске, а также более дешёвое и повсеместное использование технологии МРТ. Практическое применение сверхпроводников при комнатной температуре безгранично — физикам просто нужно выяснить, как сверхпроводники работают при комнатных температурах и каким может быть материал «Златовласки», допускающий сверхпроводимость.