Сопротивление бесполезно: что такое сверхпроводимость

СВОЙСТВО, КОНЕЧНО, НЕПРИЯТНОЕ, но со времен открытия электричества оно воспринималось как нечто неизбежное. Но чуть более ста лет назад научная общественность была потрясена открытием Хейке Камерлинг-Оннеса, голландского физика-экспериментатора, который обнаружил, что многие материалы вовсе перестают «сопротивляться» при температурах, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C).

НА САМОМ ДЕЛЕ, ДЛЯ НАЧАЛА ХХ ВЕКА добраться до столь низких температур уже само по себе было научным достижением. Именно за него Камерлинг-Оннесу и присудили Нобелевскую премию, а точнее, «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». На тот момент гелий был единственным газом, который не удавалось привести к жидкому состоянию, так как его температура кипения очень низкая: 4,2 Кельвина (−268,9 °C). Камерлинг-Оннес подошел к проблеме серьезно: он был одним из первых ученых, осознавших, что для прорывных достижений в науке требуется мощная техническая база, поэтому в 1904 году создал крупнейшую на тот момент криогенную лабораторию при Лейденском университете. Там он научился добывать жидкий гелий в больших объемах, и перед ним открылся совершенно неизведанный мир сверхнизких температур, а коллеги и знакомые прозвали ученого Господин Абсолютный Нуль. 

Криогеника – наука, изучающая свойства материалов при низких температурах.
ИССЛЕДУЯ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ при температурах, близких к абсолютному нулю, Камерлинг-Оннес сосредоточился на электрическом сопротивлении. Одна из гипотез предполагала, что при низких температурах оно должно стать минимальным. По другой версии – наоборот, бесконечно большим, так как электроны проводимости при отсутствии избытка энергии должны крепко привязаться к положительным ионам и уже не отрываться от них. Сам ученый склонялся к последнему варианту и ставил свои эксперименты, чтобы доказать, что с приближением к абсолютному нулю материалы становятся диэлектриками, то есть не способными проводить ток вообще. Однако, как это часто бывает в науке, доказал ровно противоположное!

СНАЧАЛА ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПРОВОДИЛИСЬ на платине. Было установлено, что при постепенном понижении температуры сопротивление уменьшается, как и предсказывала первая гипотеза. Но дальше наступает момент, когда оно резко принимает постоянное значение. Причем это значение оказывалось тем ниже, чем меньше было в металле посторонних примесей. Так Камерлинг-Оннес понял, что, если совсем избавиться от примесей, сопротивление исчезнет. Осталось только подобрать проводник, который легче всего очистить от посторонних веществ. Им стала ртуть. Решающим свойством оказалось то, что это единственный металл, находящийся в жидком состоянии при нормальной температуре, и его легко очистить путем давно известной вакуумной дистилляции, то есть кипячением с последующей конденсацией паров.

САМ ОПЫТ ВЫГЛЯДЕЛ ДОВОЛЬНО ПРОСТО. В сосуд Дьюара (или, проще говоря, термос) с жидким гелием Камерлинг-Оннес поместил катушку с обмоткой из ртутной проволоки и пустил по ней ток. Как известно, ток порождает магнитное поле – оно и появилось с подачей напряжения. После коммутации (переключения) ключей и отключения источника тока магнитное поле сохранялось неограниченно долго. Это и свидетельствовало о беспрепятственной циркуляции тока, а значит, и об отсутствии сопротивления.
8 АПРЕЛЯ 1911 ГОДА Камерлинг-Оннес сделал запись в своем лабораторном дневнике: «…В интервале температур 4,21−4,19 Кельвина сопротивление ртути уменьшилось очень резко и при 4,19 Кельвина вообще исчезло». 28 апреля он сообщил о своем эксперименте Нидерландской Королевской академии и назвал открытое им явление сверхпроводимостью.

ПОСЛЕ ЭКСПЕРИМЕНТА Камерлинг-Оннеса стало понятно, что сверхпроводники – это ключ к созданию сверхсильных магнитных полей. Ведь ничто не мешает сделать те самые магнитные поля, по которым ученый определял наличие тока в ртути, в сотни раз больше. Нужно только обмотать сверхпроводником катушку, сделав побольше витков, и пустить по нему ток. Сверхпроводящие магниты и правда работают по подобной схеме, а самый мощный из них используется сегодня в Большом адронном коллайдере (БАК). Его мощности хватает, чтобы удерживать частицы, летящие со скоростями, близкими к скорости света! Так что всем разгаданным в БАК загадкам Вселенной мы отчасти обязаны сверхпроводникам. 

НО ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ используется не только в научно-исследовательских центрах. В 2015 году в Японии был построен экспериментальный участок путей для поезда на магнитной подушке. Сверхпроводники, размещенные в его подвесках, отталкиваются от магнитного поля рельсов и позволяют поезду буквально лететь над землей на высоте около 10 см. Развив скорость до 600 км/ч, поезд показал, что уже сегодня мы можем создавать наземный транспорт, конкурирующий по скорости с воздушным. К 2027 году между Токио и Нагоей планируется запустить целую линию поездов на магнитной подушке. 

В ЭТИХ ПОЕЗДАХ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ так называемые высокотемпературные сверхпроводники, то есть материалы, которые становятся сверхпроводниками при температуре примерно −200 °C. Звучит как каламбур, но сейчас основные силы в области физики низких температур брошены на поиск материалов, способных стать сверхпроводниками при максимально высоких температурах (на данный момент рекорд составляет −23 °C). Но преуспеть в этом, не понимая механизма сверхпроводимости, едва ли возможно. А исчерпывающе объяснить сверхпроводимость сегодня не может никто, хотя над этой загадкой ломали головы лучшие умы прошлого столетия, включая Эйнштейна. Самой удовлетворительной мировым научным сообществом признана гипотеза, предложенная в 1950-х тремя американскими физиками, – теория Бардина–Купера–Шриффера (БКШ). Чтобы понять, о чем пойдет речь, нам нужно снова мысленно спуститься в метро. Наверняка вы задавались вопросом, почему в подземке возникают заторы, из-за которых поток людей движется так медленно. Дело в том, что, хотя каждый человек и пытается двигаться быстро наравне с остальными, все же скорость у всех немного различается (а иногда и сильно, если перед вами идет бабушка с тележкой). А поскольку скорость каждого человека зависит от скорости впереди идущего, скорость общего потока «выравнивается» по самому медленному пассажиру. У электронов в проводнике похожие проблемы. Казалось бы, если бы они передвигались с одной скоростью и единым целым, то никаких заторов (читай – сопротивления) и не было бы. Если не вдаваться в детали, такое объяснение и предлагает теория БКШ. Сегодня на ее основе во многих научных лабораториях пытаются создать многослойные сверхпроводники, в которых электроны будут входить в состояние слаженного потока при комнатных температурах. Будем надеяться, что в ближайшем будущем у кого-то из ученых это получится.