Комнатная сверхпроводимость

Работающему научному сотруднику чрезвычайно сложно, а скорее всего просто не под силу предсказать то, какой будет целая область науки в следующем столетии. Это сподручнее сделать писателям- фантастам, и на замечательных романах Жюля Верна многие из нас выросли. Научный же работник обременен грузом реальных и конкретных знаний, которые не позволяют ему делать очень смелые предсказания. Хотя в свое время Альберт Эйнштейн разъяснил, как делаются крупные открытия. Он сказал, что подавляющее большинство людей знает, что это невозможно. Затем находится один человек, который не знает, вот он и делает открытие.

Ж. И. Алферов, вице-президент Российской академии наук,

нобелевский лауреат

Наша первая реакция была — проверить, не допустили ли мы ошибки измерения. В истории сверхпроводимости уже появлялось столько много сенсационных результатов (которые затем не подтверждались), что у нас были все основания сомневаться в таком открытии!

К. Мюллер, Ж. Беднорц. Открытие высокотемпературной

сверхпроводимост и

Даже те, кто далек от науки и забыл школьную физику, наверняка слышали о парадоксальном явлении сверхпроводимости. Суть этого явления, открытого столетие назад, заключается в том, что у ряда веществ при очень низких температурах полностью исчезает электрическое сопротивление, и они «выталкивают» магнитное поле.

Явление сверхпроводимости получило новое развитие после открытия ее высокотемпературного аналога двумя швейцарскими исследователями в 1986 году.

Классическое явление сверхпроводимости оказалось связанным с возникновением в металлах своеобразного притяжения между электронами, носящего сугубо квантовый характер. Часть электронов при достаточно низких температурах как бы объединяется в связанные пары, называемые «куперовскими» по имени их первооткрывателя. Куперовские пары, пребывая в особом квантовом состоянии, переносят электрический ток абсолютно без потерь энергии. Размеры купе- ровских пар в атомном масштабе весьма велики — они могут достигать сотен и тысяч межатомных расстояний. Таким образом, сверхпроводимость — не что иное, как макроскопическое квантовое явление. Ее суть заключается в том, что при очень низких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в узлах кристаллической решетки, и их можно считать фактически стационарными.

Вот между подобными «застывшими» атомами, а вернее ионами, и путешествуют при сверхнизких температурах куперовские пары. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии на соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника падает до нуля.

Долгое время физика не могла объяснить этот странный низкотемпературный эффект, но к середине XX века природа сверхпроводимости получила исчерпывающее объяснение. Возникла и определенная промышленная потребность в сверхпроводящих материалах, однако широкое применение сверхпроводников сильно сдерживалось дорогостоящим и трудоемким охлаждением материалов до сверхнизких температур.

Таким образом, необычайно остро встала проблема повышения критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Теоретические оценки предсказывали, что в пределах действия механизма куперовских пар, когда электроны связаны друг с другом посредством взаимодействия с решеткой, критическая температура не может подняться выше 40 К (-233 °С). Однако и достижение подобного предела было бы феноменальным открытием, которое позволило бы перейти на сравнительно дешевый и доступный охладитель — жидкий водород с температурой кипения около 20 К (-253 °С). Это открыло бы для технической и инженерной физики эпоху «среднетемпературной» сверхпроводимости. Поэтому долгое время предпринимались активные попытки создать новые сверхпроводящие соединения из уже известных «классических» сверхпроводников. Однако создание сверхпроводников с критической температурой в пределах 100 К (—173 °С), для которых в роли хладагента может выступать дешевый и широко используемый в промышленности жидкий азот, оставалось недостижимой целью.

На протяжении последующего периода выдвигалось множество предложений по поиску новых сверхпроводящих соединений, исследовались сотни тысяч иногда довольно необычных веществ. Среди них много внимания уделялось так называемым квазиод- номерным соединениям, включающим длинные молекулярные проводящие цепочки с многочисленными боковыми ответвлениями. Однако, несмотря на благоприятные теоретические оценки и работу многих известных лабораторий, синтез подобных сверхпроводников не удался. Правда, на этом пути удалось получить «органические» металлы и синтезировать кристаллы «органических» сверхпроводников. Были получены двумерные структуры «металл — полупроводник», «слоистые» сверхпроводники и магнитные сверхпроводники, в которых магнетизм не разрушает сверхпроводимость. Но реальных высокотемпературных сверхпроводников так и не было обнаружено.

Ситуация стала стремительно меняться в последней четверти прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных сверхпроводящих соединений, представлявших из себя различные модификации минерала перовскит[1]. Так физики наконец-то вступили в мир высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), наступающей при довольно высоких температурах, хотя еще намного ниже нуля по Цельсию. И тем не менее высокотемпературные сверхпроводники, или ВТСП-керамики, стали активно применяться в самых разнообразных инженерно-технических решениях, таких как сверхмощные электромагниты, медицинская диагностика и монорельсовый транспорт на магнитной подушке.

С технической точки зрения, наиболее перспективны различные магнитные подвесы над сверхпроводящей поверхностью для движущихся устройств (см. цветную вкл.: рис. Ц42). Это позволит избежать трения и нагревания различных осей и подшипников. Такие составы считаются одним из самых быстрых транспортных средств в мире, и в них используется технология магнитной левитации, запатентованная еще в 1930-х годах. Успешные испытания первого прототипа таких поездов состоялись в 1987 году. Скорость ранних модификаций монорельсового поезда составляла 450 км/ч, а современные модели способны развить скорость до 550 км/ч.

Ученые начали изучать металлокерамики еще в 70-х годах прошлого столетия, однако ничего необычного не нашли и положили на полку, даже не подозревая о скрытых возможностях. Температура в 30 К может показаться довольно низкой, однако она намного выше, чем температура перехода в сверхпроводящее состояние для ниобиевых сплавов (примерно 23 К), которые широко применяются в науке и промышленности (см. цветную вкл.: рис. Ц43).

Удивительно и то, что феноменальным результатам экспериментаторов до сих пор не найдено общепринятое теоретическое объяснение, и природа ВТСП-переходов во многом остается научной загадкой. И хотя в изучении необычной сверхпроводимости уже достигнут существенный прогресс, непонятого и неисследованного в этой области еще очень много.

  • [1] 34 Минерал с химической формулой СаТЮ. (титанат кальция). Кристаллы перов-скита имеют кубическую форму и часто спаяны по граням кубов. В зависимостиот примесей имеет разнообразный цвет: большей частью серовато-черный, железо-черный и красновато-бурый, реже светлый — гиацинтово-красный, померан-цево- и медово-желтый. Перовскит светлых цветов прозрачен.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >