Спасибо, что вы с нами!

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

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

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

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

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