Текст уведомления здесь

Сверхпроводники: теория, практика и дальше

К юбилею физика Алексея Абрикосова

90 лет назад родился Алексей Абрикосов, советский и американский физик, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике 2003 года за свои работы по сверхпроводимости. «Чердак» коротко рассказывает о том, что собой представляют сверхпроводники в теории и на практике и что в них до сих пор остается для нас неизвестным.
Добавить в закладки
Комментарии

Алексей Алексеевич Абрикосов родился в известной московской семье, биография которой прослеживается до XVIII столетия, когда Степан Николаевич, один из крепостных крестьян в Пензенской губернии, получил такую фамилию за умение делать сладости из абрикосов. Двое сыновей Степана Абрикосова занялись купеческим делом в Москве, но неудачно. Один из внуков, Алексей Абрикосов (самый старший, в роду потом будут еще два получивших широкую известность тёзки), основал «Фабрично-торговое товарищество А. И. Абрикосова сыновей». То самое, которое в 1918 году национализировали и в 1922-м переименовали в честь председателя райисполкома в Сокольниках, так что сегодня его мы знаем как концерн «Бабаевский».

Прабабушка физика учредила один из первых в Москве роддомов (в 1889-м, задолго до открытия первых государственных заведений такого рода), а отец Абрикосова-физика, Алексей Иванович, вместо купеческого дела выбрал медицину, точнее паталогоанатомию. Доктор медицинских наук, преподаватель и автор более сотни работ по туберкулезу смог избежать репрессий как «классово чуждый» потомок фабрикантов и руководил вскрытием Ленина с последующим бальзамированием его тела.

Алексей Абрикосов-младший не пошел по стопам родителей (в отличие от родившейся годом позже сестры). В 1943 году, в 15 лет, он поступил в МЭИ, в 1945-м перевелся в МГУ и скоро показал себя в качестве талантливого физика. Уже в 27 лет он защитил докторскую диссертацию по квантовой электродинамике и тогда же принял активное участие в разработке теории сверхпроводимости, которую до сих пор называют либо теорией Гинзбурга — Ландау, либо, более полно, ГЛАГ: Гинзбурга — Ландау — Абрикосова — Горькова. Не вдаваясь в дебри квантовой механики, можно сказать, что из этой теории следовало существование внутри сверхпроводников особых токовых вихрей, называемых сегодня вихрями Абрикосова.

Алексей Абрикосов, 1966 год. Фото: Николай Ситников / ТАСС

Алексей Абрикосов, 1966 год. Фото: Николай Ситников / ТАСС

Сверхпроводники — теория

Сверхпроводники были открыты еще в те годы, когда семейство Абрикосовых владело фабрикой, а родители будущего физика даже не были женаты. В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес измерял электрическое сопротивление охлажденной жидким гелием ртути (при такой температуре — твердой, разумеется), и внезапно сопротивление просто обнулилось: перепроверка показала, что дело не в поломке оборудования, а в неком совершенно новом и необъяснимом эффекте.

Объяснить этот эффект с позиции классической физики оказалось невозможно в принципе. Согласно «классике» металлы должны были либо плавно снижать сопротивление до какой-то конечной величины, либо, напротив, переставать проводить ток из-за остановки движения электронов при снижении температуры. Но скачкообразное исчезновение электрического сопротивления как такового было слишком удивительно, и вплоть до тридцатых годов XX века физики не имели вообще никакой теории сверхпроводимости: им приходилось довольствоваться констатацией фактов вида «ртуть превращается в сверхпроводник при 4 кельвинах» или «сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле, и магниты повисают над ними в воздухе безо всякой опоры».

Эффект Мейснера, он же эксперимент «Гроб Магомета»: сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле и, если поле достаточно сильное, сам магнит может тоже вытолкнуться в воздух. Фото: Mai-Linh Doan / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Эффект Мейснера, он же эксперимент «Гроб Магомета»: сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле и, если поле достаточно сильное, сам магнит может тоже вытолкнуться в воздух. Фото: Mai-Linh Doan / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

В 1950-е годы были созданы первые квантовые теории сверхпроводников, и Абрикосов внес в это следующий вклад: в его статье 1957 года «О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы» было показано, что внутри некоторых подобных материалов возникают кольцевые вихри из текущего без всякого сопротивления электрического тока. Эти вихри возникают под действием внешнего магнитного поля и выстраиваются в периодическую решетку: чем больше поле, тем больше плотность этих вихрей, и при переходе некоторого критического значения вихри соприкасаются друг с другом, и эффект сверхпроводимости исчезает.

Непосредственно на практике в те годы этот эффект применить не получалось, но сам сдвиг от разрозненных фактов к теории будет позже отмечен Нобелевской премией. Эту награду часто делят на нескольких ученых, и приз 2003 года по физике получили Абрикосов, Виталий Гинзбург и Энтони Леггетт.

Сверхпроводники — практика

Как можно использовать материал, передающий электричество без потерь? Самое очевидное применение — в электроэнергетике, но как раз там сверхпроводники особо не востребованы и по сей день. Охлаждать жидким гелием (литр которого стоит как бутылка коньяка и требует охлаждения до -269 градусов Цельсия) протяженные линии электропередач или хотя бы генераторы на электростанциях оказалось слишком хлопотно — дальше отдельных экспериментов дело не продвинулось.

А вот при производстве особо мощных электромагнитов сверхпроводники оказались незаменимы. Там сложности в производстве с дороговизной оказались не столь критичны, поскольку ускорители заряженных частиц и медицинские томографы достаточно сложны и дороги сами по себе. Магнит, стоящий в магнитно-резонансном томографе, использует сверхпроводники, равно как и все коллайдеры направляют пучки частиц в нужную сторону именно сверхпроводящими электромагнитами.

Экспонаты в музее ЦЕРН: сверху — медные кабели, по которым можно пропускать ток в 12 500 ампер, снизу — сверхпроводящий кабель. Фото: Rama / wikimedia commons / CC BY-SA 2.0 FR
Экспонаты в музее ЦЕРН: сверху — медные кабели, по которым можно пропускать ток в 12 500 ампер, снизу — сверхпроводящий кабель. Фото: Rama / wikimedia commons / CC BY-SA 2.0 FR

Через пять лет после работы Абрикосова с описанием сверхпроводящих токовых вихрей другим ученым, молодым американским физиком Брайаном Джозефсоном, был предсказан эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкие прослойки изоляторов. Изолятор, согласно классической физике, не мог пропускать ток в принципе, но в квантовой теории джозефсоновский контакт (та самая тонкая прослойка непроводящего материала) оказался вовсе не препятствием.

Экспериментальное обнаружение этого явления вкупе с квантовой теорией взаимодействия сверхпроводников и магнитного поля позволили создать сверхчувствительные датчики магнитных полей. А еще позже на основе джозефсоновских контактов придумали и вычислительные элементы для квантовых компьютеров, и массу важных с точки зрения техники эксперимента устройств. Так, именно сверхпроводниковая схема позволяет создать сверхточный эталон единицы напряжения — вольта.

Матрица из джозефсоновских контактов, разработанная Национальным институтом стандартов (США) для воспроизведения стандартного вольта. Фото: NIST

Матрица из джозефсоновских контактов, разработанная Национальным институтом стандартов (США) для воспроизведения стандартного вольта. Фото: NIST

Сверхпроводники — дальше?

Всплеск интереса к сверхпроводникам пришелся на 1980-е годы, когда были обнаружены вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние уже при охлаждении жидким азотом с его температурой кипения в 77 кельвин (-195 градусов Цельсия). С точки зрения удобства работы это был переход от охлаждения образцов коньяком к поливу их газировкой: азот получается легко из обычного воздуха и им к этому моменту даже замораживали грунт при строительстве метрополитена в питерских плывунах.

Но, несмотря на интенсивные поиски экспериментаторов и напряженную работу теоретиков, ни «комнатный» сверхпроводник, ни единая теория сверхпроводимости вообще так и не появились. Более того, если на теорию еще можно надеяться, принципиального ответа на вопрос, возможна ли сверхпроводимость при нормальных условиях, физика дать на сегодня не в состоянии. Это один из тех вопросов, которые еще ждут ответа.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Жужжащий прессинг

Что за мошкара атаковала гостей Волгограда в разгар ЧМ-2018 и почему это было неизбежно

Тучи противных кусающихся мошек каждое лето заполняют многие российские города, но в этом году привлекли к себе особое внимание в Волгограде, где они атаковали участников и гостей чемпионата мира по футболу и озадачили иностранных журналистов. Корреспондент «Чердака» разобралась, откуда берутся мошки и почему большинство методов борьбы с насекомыми против них не помогает.
Добавить в закладки
Комментарии

Тысячи их

«Они меня облепили. Я их чувствую в волосах, и в горле, и в ушах. Это ужасно! Вчера был ветер, и мошки улетели. Так что, пожалуйста, ветер, подуй откуда-нибудь!» — жаловался британский репортер Герант Хьюз во время прямого включения из Волгограда. Другие корреспонденты тоже отметили этот досадный феномен. Мошки любят жаркую безветренную погоду — как раз такую, которая установилась в Волгограде во время проведения чемпионата.

Читать полностью

Как груша попадает в мозг

Лекция биолога Ильи Колмановского

В конце мая прошел фестиваль науки, искусства и технологий «Политех». На одной из лекций фестиваля Илья Колмановский, руководитель лаборатории биологии Политеха, рассказывал, как еда попадает к нам в мозг. «Чердак» публикует видеозапись его выступления.
Добавить в закладки
Комментарии

Илья КОЛМАНОВСКИЙ, руководитель лаборатории биологии Политеха, к.б.н., зоолог:

Любая еда, которая кажется нам прекрасной, очаровательной, очень вкусной и желанной, проникает в наш организм. Она нужна нам, чтобы мы могли жить, чтобы у нас была энергия.

В действительности происходит вот что: сейчас, когда я держу в руках эту грушу, мой мозг требует, чтобы я открыл рот, сомкнул на ней челюсти и начал её жевать. Это то, чего хочет мой мозг! Ему это нужно — чтобы я начал очень сложный процесс, при помощи которого в итоге груша попадёт в мозг. Если я просто просверлю в мозгу дырку, открою крышку черепа и положу туда грушу, и как следует потрясу, ты совершенно не наешься. А твой мозг не сможет работать. Ему вообще надо очень много энергии. Остальное тратят мои мышцы, которым нужна энергия, моё сердце, которое сокращается 100 000 раз в сутки. Ваши кости растут — на это уходит очень много энергии! Полиция — иммунитет — постоянно патрулирует миллионы километров ваших сосудов и ищет микробов. Ей тоже надо платить зарплату. Ей тоже нужно есть. Но никто из них не может есть грушу! — они все стоят, очень голодные, жадные и уже довольно злые. Они стоят в очереди в вашем организме, все части вашего тела, и ждут, когда к ним придёт еда. Но они не могут есть просто эту грушу. [ ... ]

Читать полностью

Тепло, теплее, горячо

О климатологе Джеймсе Хансене и том, каково быть человеком, который кричит «глобальное потепление»

Тридцать лет назад, 23 июня 1988 года, американский климатолог Джеймс Хансен сообщил американскому сенату, что глобальное потепление не просто реально — оно уже происходит. С этого момента средняя температура на планете продолжает брать все более высокие планки: три самых теплых года за всю историю наблюдений приходятся на период с 2015-го по 2017-й, а, казалось бы, чисто эмпирический вопрос о реальности изменения климата и его природе за эти годы перешел в ранг политического. Ольга Добровидова рассуждает о том, освобождает ли знание от ответственности.
Добавить в закладки
Комментарии

Сегодня мы знаем, что слова Хансена были не художественным преувеличением, а правдой, его правоту наглядно показывает как моделирование земного климата с учетом влияния на него человека и без такового, так и данные наблюдений за глобальной температурой.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Я родилась меньше чем через месяц после этого знакового события и, таким образом, прожила всю свою жизнь не просто при глобальном потеплении (оно, само собой, началось не с этого выступления), а еще и при всеобщем знании об этом. Советский климатолог Михаил Будыко говорил о том же за 15 лет до Хансена, но сам признавал, что верил ему примерно никто. Американский климатолог Уоллес Брокер в 1975 году писал о глобальном потеплении — считается, что это было первое упоминание термина в научной статье, хотя это не совсем так — с вопросительным знаком. Хансен стал первым, кто осмелился поставить в этой фразе (фигурально выражаясь) восклицательный знак.

Учитывая, что о походе ученого в сенат написали не только ведущие американские газеты, но даже ТАСС (а сразу после — о третьем съезде Коммунистического союза молодежи США), никто не может заявлять, что он болел и его не предупредили о крупнейшей глобальной экологической проблеме столетия. [ ... ]

Читать полностью