Посвящается 100-летию открытия эффекта сверхпроводимости
Наша газета регулярно публикует статьи о людях, событиях, открытиях, изобретениях и теориях, оказавших решающее воздействие на ускорение научно-технического прогресса. Они стали этапами научно-технической революции, коренным образом изменившей человеческую жизнь. Достаточно назвать, например, открытия и формулировки фундаментальных явлений и законов природы Ньютоном, Коперником, Кеплером, Менделеевым, изобретение радио Поповым, открытие электрона Дж. Томсоном, разработку принципов квантовой физики Планком, Эйнштейном и многими другими учёными - физиками, приведших к зарождению квантовой электроники, изобретению мазеров, лазеров и др. Для нас особенно близки открытие транзисторного эффекта, изобретения в области полупроводниковой электроники, создание микросхем, микропроцессоров и микрокомпютеров, открытие и практическое использование туннельного эффекта, а также разработки в областях нанотехнологий и наноэлектроники. Многие открытия и изобретения отмечаются патентами (привилегиями, авторскими свидетельствами или другими документами), премиями и почётными званиями, которые присваиваются научной общественностью авторам прорывных решений, открывающих пути к новым достижениям. Это осуществляется как на международном, так и на национальных уровнях. Всем известны Нобелевские и другие родственные им международные премии, премии, присваиваемые академиями наук и научными обществами ведущих вузов различных стран. В нашей стране национальной премией является Государственная премия. Есть и другие премии, например, премия имени А.С. Попова. В советский период присуждались также Ленинские и Сталинские премии. Перелистывая страницы нашей газеты в архиве библиотеки или на сайте ПГУТИ, любознательный читатель может найти обо всём этом весьма полезную для себя информацию. Кроме, того, для пополнения багажа своих знаний полезно чаще заходить в музей ПГУТИ, находящийся на 1-м этаже 2-го корпуса по адресу Московское шоссе, 77.
В данной статье в краткой и доступной форме приводятся сведения о явлении сверхпроводимости, его открытии, сущности и применении в энергетике, электронике, на транспорте и в медицине. Для лучшего усвоения материала статьи можно изучить соответствующие разделы справочной и учебной литературы, а также пройти по ссылкам на сайты Интернета, приведённым в списке использованных источников.
1. Сверхпроводимость: определение, объяснение
Сверхпроводимость- это свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк, характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников и полимеров.
Ныне известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал перехода T в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, и поэтому имеет смысл определённое значение Тк - температура перехода в сверхпроводящее состояние. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь - от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тк изменяются в пределах от 0,0005 K (Mg) до 23,2 К (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2).
Известны два вида сверхпроводимости: низко- (характерная для проводников из чистых элементов) и высокотемпературная (для материалов на основе сложных соединений)
Рис 2. Начальные участки зависимости (T) для сверхпроводников первого рода (а) и 2-го рода (б, в)
Исследования, выполненные в 1933 г. группой В. Мейсснера, показали, что температуры перехода проводников из нормального состояния в сверхпроводящее и, наоборот, из сверхпроводящего в нормальное могут не совпадать. Поэтому мы различаем критические режимы двух видов: режим перехода проводника из нормального состояния в сверхпроводящее, для которого полагаем критическую температуру Тк=Т'к, и режим перехода проводника из сверхпроводящего состояния в нормальное, критическую температуру которого принимаем Тк=Т''к. Нормальное и сверхпроводящее состояния проводника по существу являются двумя разными фазовыми состояниями материала проводника с одинаковыми структурами кристаллической решётки, но с разными квантово-механическими системами облака электронов проводимости. В нормальном состоянии проводника электронное облако - это система фермионов, т.е. отдельных электронов с зарядами, равными - е и полуцелыми спинами s=1/2. В сверхпроводящем состоянии электронное облако - это система бозонов, т.е. куперовских электронных пар с зарядами, равными - 2е и спинами s=0. Как известно из курса физики [2], системы фермионов и бозонов описываются разными статистическими законами и проявляются по-разному в термодинамических системах. По-разному также осуществляется тепловой энергообмен между электронным газом и кристаллической решёткой, являющийся причиной трения при прохождении тока через проводник проводника.
В нормальном состоянии проводника фермионное облако электронов интенсивно обменивается фононами (частицами тепла) с узлами кристаллической решётки, что приводит к пропорциональной зависимости сил трения и, следовательно, электрического сопротивления от температуры. Это подтверждается выражениями (3,4) и графиками рис.1.(а,б). В сверхпроводящем состоянии бозоновое облако, образованное системой куперовсих пар, оказывается как бы сжатым в самом себе и изолированным от решётки. Силы трения и электрическое сопротивление обращаются в нуль.
Следовательно при охлаждении проводника ослабляются теплообмен между фермионовым электронным облаком и кристаллической решёткой, уменьшаются силы трения между электронным облаком и кристаллической решёткой и пропорционально Т уменьшаются удельное сопротивлениеи сопротивление образца проводника R. При достижении критического режима Тк (рис.1.а) или Тк=Тк1 (рис.1.б) фермионное электронное облако преобразуется в бозонное. Отключается механизм теплообмена электронного облака с узлами кристаллической структуры. Исчезают силы трения и как следствие =0 и R=0. При увеличении температуры, начиная с температур, близких к 0 К, наблюдается обратная картина. При температурах вплоть до Т=Тк (рис.1.а) или Т=Тк2 (рис.1.б) облако электронов проводимости в кристалле является бозоновым, а проводник соответственно сверхпроводящим. При превышении указанных границ температуры облако электронов проводимости преобразуется к фермионному виду, и проводник переходит в нормальное состояние. Описанные выше фазовые превращения в токопроводящих материалах поясняются на рис.1 стрелками. Отметим, что построения на рис.1 помогают разобраться в следующей классификации сверхпроводников. Сверхпроводники, у которых Т'к=Т''к (рис.1.а), получили название свехпроводников 1-го рода. Сверхпроводники, у которых это условие не выполняется (например, рис.1.б) относят к сверхпроводникам 2-го рода. У материалов, обладающих свойством сверхпроводимости 2-го рода, на зависимостях рис.1 наблюдаются характерные гистерезисные участки, которые пока не нашли своего объяснения.
Сказанное означает, что на диаграммах, отражающих фазовое состояние токопроводящих материалов, должны быть указаны области нормальной проводимости, сверхпроводимости, а также границы или области раздела между ними. [1,4],
Рис. 3. Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода. На рис. 3 приведена фазовая диаграмма на плоскости (Н, Т). Заштрихованная область, ограниченная кривой Нк(Т), соответствует сверхпроводящему состоянию. По измеренной зависимости Нк (Т) могут быть рассчитаны все термодинамические характеристики сверхпроводника 1-го рода. В частности, из ф-лы (1) непосредственно получается (при дифференцировании по температуре) выражение для теплоты фазового перехода Q в сверхпроводящее состояние:
Впервые газ гелий был сжижен в 1908 г. исследователем Хейке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, и с того времени стало возможным изучать физические явления при температурах лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (точка кипения гелия при атмосферном давлении 4,2 К). Одно из направлений исследований касалось зависимости сопротивления металлов от температуры. Камерлинг-Оннес уже проводил подобные исследования при температурах, уменьшающихся вплоть до температуры жидкого воздуха (около 80 К).
Для нескольких чистых металлов он обнаружил примерно линейную зависимость, однако он установил, что подобная зависимость не может продолжаться беспредельно, так как в противном случае при абсолютном нуле сопротивление стало бы отрицательным. Сэр Джеймс Дьюар продолжил изыскания Камерлинг-Оннеса и достиг температуры жидкого водорода (20 К), при этом выяснилось, что сопротивление действительно начинает уменьшаться медленнее.
Именно этого и следовало ожидать, причем не только по уже названной причине, но также исходя из принятых в то время представлений о металлах и их свойствах.
Считалось, что электрическая проводимость осуществляется путем переноса электронов, а сопротивление возникает в результате соударений электронов с атомами металлов. Линейный характер уменьшения сопротивления вполне согласовывался с предполагаемым изменением движения электронов при понижении температуры вплоть до нуля. Однако оказалось, что наблюдаемое в действительности поведение металлов резко отличалось от предполагаемого. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры сопротивление большинства металлов стремится к постоянной величине, тогда как у некоторых металлов оно полностью исчезает при определенной, характеристической, температуре, которая, как выяснилось, зависит от напряженности магнитного поля. Эти эксперименты относятся к числу работ, за которые Камерлинг-Оннес был удостоен в 1913 г. Нобелевской премии по физике. В течение более двух десятилетий именно исчезновение сопротивления считалось главной, отличительной чертой сверхпроводимости. Однако некоторые особенности этого явления приводили ученых в замешательство.
Так, если магнитное поле приложить к обычному проводнику (только не ферромагнетику), часть магнитного потока проходит через толщу проводника. Если же приложить его к идеальному проводнику, в последнем индуцируются поверхностные токи, которые создают внутри проводника магнитное поле, полностью компенсирующее приложенное внешнее поле, и тем самым поддерживают внутри проводника нулевое значение магнитного потока.
Это означало, что состояние проводника в магнитном поле зависит от того, каким способом это состояние было достигнуто - ситуация в высшей степени неприятная.
Позднее, в 1933 г., В. Мейсснер, Р. Оксенфельд и Ф. Хайденрейх показали, что металл, становясь сверхпроводником, в действительности выталкивает магнитный поток, если температура понижается ниже критического значения, когда образец находится в магнитном поле.
Следующий этап исследования заключался в изучении вновь открытого состояния при больших значениях тока. Необходимость такого исследования была продиктована следующим обстоятельством: если бы сопротивление в действительности не равнялось нулю, то больший ток должен был бы приводить к большему, а следовательно, и легче регистрируемому значению разности потенциалов.
Однако полученные результаты лишь еще более запутали ситуацию, так как наблюдалось «особое явление: при любой температуре ниже 4,18 К для ртутной нити, заключенной в стеклянный капилляр, существовало некое пороговое значение плотности тока, при превышении которого характер явления резко изменялся. При плотностях тока ниже пороговой электрический ток проходит без сколько-нибудь заметных разностей потенциалов, приложенных к концам нити. Это говорило о том, что нить не обладает сопротивлением. Как только плотность тока превосходила пороговое значение, появлялась и разность потенциалов, которая к тому же росла быстрее, чем сам ток. Затем была поставлена серия экспериментов с целью найти объяснение новому эффекту. Было замечено, что пороговая плотность тока возрастала с понижением температуры - примерно пропорционально отклонению от температуры перехода в сверхпроводящее состояние (до тех пор, пока разность между температурами была не слишком велика). Естественно напрашивалось предположение, что из-за нагрева, обусловленного каким-то эффектом, температура ртути поднималась выше точки перехода. Была поставлена задача - найти этот источник тепла. Используя различные конфигурации ртутной нити, удалось установить, что тепло не подводилось снаружи. Рассматривалось влияние примесей в ртути, хотя в процессе перегонки они должны были быть удалены. Опыты показали, что эффект нагревания не связан с примесями, специально добавленными в нужных количествах. Далее было высказано предположение, что, возможно, контакт ртутной нити с обычным проводником способен аннулировать сверхпроводящие свойства ртути. Для проверки был взят стальной капилляр, но это не привело к каким-либо определенным результатам, и лишь в дальнейшем в результате опытов того же типа на олове это предположение было исключено. В целом эксперименты с ртутью не дали ответа на поставленный вопрос. Однако, как установил Камерлинг-Оннес, ртуть являлась не вполне подходящим объектом для систематических исследований. Совместное действие многих обстоятельств приводило к трудностям при работе с ртутью в капиллярах.
Лаборатория Камерлинг-Оннеса
День эксперимента с жидким гелием требовал огромной подготовки, и, когда дело доходило непосредственно до описанных выше экспериментов, на них оставалось лишь несколько часов. Чтобы при этих условиях проводить точные измерения с жидким гелием, необходимо заранее наметить программу и быстро и методично выполнять ее в день эксперимента. Изменения в постановке эксперимента, необходимость которых вызывалась наблюдаемыми явлениями, приходилось обычно вносить на следующий день. Зачастую, в связи с задержкой, обусловленной трудоемкостью процесса изготовления сопротивлений, гелиевая установка использовалась для каких-либо других целей. Когда жеудавалось снова заняться экспериментом, случалось, что приготовленные сопротивления оказывались бесполезными, так как при замораживании ртути нить разрывалась, и все усилия экспериментаторов становились напрасными. В этих условиях для того, чтобы обнаружить и исключить источники неожиданных и вводящих в заблуждение помех, требовалось очень большое время. Кроме того, желательно было охлаждать образец не через стенку капилляра, а путем его прямого контакта с жидким гелием. Поэтому, когда Камерлинг-Оннес обнаружил, что олово и свинец обладают свойствами, сходными со свойствами ртути, он продолжил эксперименты с этими двумя металлами. Именно тогда поставленная проблема и была решена. По существу надежда на ее решение возникла уже при проведении опытов, в которых была обнаружена сверхпроводимость свинца. Из него можно было легко изготовить проволоку, и было сделано довольно большое количество провода с поперечным сечением 70 мм2. Для одиночного проводника такого размера пороговое значение тока при 4,25 К составляло 8 А. Далее этим проводом на сердечнике диаметром 1 см была намотана катушка длиной 1 см содержащая 1000 витков. Обмотка имела шелковую изоляцию, которая смачивалась жидким гелием. Как оказалось, пороговое значение тока составляло лишь 0,8 А. В 1913 г. интерес к получению сильных магнитных полей уже был достаточно велик, причем не вызывало сомнений, что основная проблема связана с рассеянием мощности в обмотке. Например, Перрен предложил использовать для охлаждения жидкий воздух. Ожидалось, что благодаря уменьшению сопротивления обмотки с понижением температуры уменьшится количество выделяемого в ней тепла, что даст определенный выигрыш. Однако расчеты показали, что выигрыша таким путем не достичь, так как трудно добиться требуемой теплопередачи между катушкой и охладителем. Камерлииг-Ониес правильно оценил возможности использования с этой целью сверхпроводников, обратив внимание на то, что в них тепло вообще не должно выделяться. Говоря об этом, он допускал возможность того, что магнитное поле может привести к возникновению сопротивления в сверхпроводнике. Были причины предполагать, что этот эффект окажется слабым. Прямое доказательство того, что в сверхпроводниках под действием магнитного поля возникает лишь незначительное сопротивление, было получено, когда оказалось, что описанная выше катушка остается сверхпроводящей, если через нее проходит ток 0,8 А. Магнитное поле катушки достигало в этом случае нескольких сотен гаусс, и в этом поле находилась большая часть витков, однако никакого сопротивления не наблюдалось. Поэтому Камерлинг-Оннес создал такую установку для проведения экспериментов, которая позволила бы изучать явления, наблюдаемые лишь в полях порядка килогаусс. Результаты вновь оказались неожиданными. Сверхпроводящую свинцовую катушку помещали в криостат так, что плоскость витков была параллельна магнитному полю. Катушка стала сверхпроводящей в точке кипения гелия, она оставалась сверхпроводящей и тогда, когда через нее пропускали ток 0,4 А, хотя витки находились в заметном магнитном поле, создаваемом протекающим в них током. Затем было приложено внешнее магнитное поле. При величине поля 10 кГс существовало значительное сопротивление, при 5 кГс оно было несколько меньше. Эти опыты достаточно убедительно показали, что магнитное поле большой интенсивности вызывает появление сопротивления в сверхпроводниках, а при малой интенсивности - нет. В ходе дальнейших исследований была получена зависимость сопротивления от поля. Камерлинг-Оннес еще не был готов к тому, чтобы связать критический ток с критическим значением магнитного поля. Он не имел никаких сомнений в том, что открытое явление связано с внезапным возникновением при определенной температуре обычного сопротивления в сверхпроводниках - эту связь выяснили другие исследователи.
С течением времени описанный выше парадокс стал весьма очевидным. Если вещество, находясь в магнитном поле, должно было переходить в идеально проводящее состояние при понижении температуры, то пронизывающий образец магнитный поток в момент перехода должен был бы остаться «вмороженным» в него и сохраниться при последующем выключении поля (если температура при этом поддерживается неизменной). Приготовив подобным образом различные образцы, можно было бы создать множество (в принципе бесконечное) различных состояний, существующих при одинаковых внешних условиях, которые, возможно, могли бы даже находиться в тепловом контакте друг с другом, т. е. в состоянии равновесия.
Вплоть до 1933 г. подобная возможность не была опровергнута экспериментально, а некоторые эксперименты, казалось, даже подтверждали ее. Существовали даже и теоретические соображения в ее пользу. И в этот момент Мейсснер, изучая переход в сверхпроводящее состояние, был поражен появлением своеобразного гистерезиса: возврат монокристалла олова в нормальное состояние происходил при температуре, слегка превышающей температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Этот эффект наблюдался даже тогда, когда сопротивление в каждой точке измерялось при двух направлениях тока методом, специально разработанным для исключения термоэлектрических явлений, если направление тока не изменялось, эффект усиливался. Гистерезис наводил на мысль о том, что явление связано с изменением проницаемости образца.
Мейсснер писал об этом так: «Если бы распределение измеряемого тока и созданного им магнитного поля не изменялось, не было бы основания для возникновения гистерезисных явлений». Поэтому он вместе со своими сотрудниками высказал предположение, что его проницаемость падает до нуля. Если бы это вообще имело место, то ни одна силовая линия поля не могла бы кончаться на внутренней поверхности полости сверхпроводника, тогда как эксперименты с очевидностью показывают, что ситуация именно такова. Прошло немало лет, прежде чем удалось создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости. Однако открытие Мейсснера позволило дать по крайней мере удовлетворительную макроскопическую трактовку наблюдаемых явлений.