Квант

Непрерывное электричество

Причина, по которой все проводники демонстрируют электрическое сопротивление, заключается в том, что проводящие электроны постоянно натыкаются на вибрирующие атомы металла. Эти вибрации усиливаются при нагревании металла, тем самым увеличивая сопротивление. Конечно же, охлаждая металл, мы понижаем атомные вибрации, а следовательно, и сопротивление. Но в 1911 году был открыт очень неожиданный эффект.
При охлаждении ртути до температуры ниже 4,2 Кельвина ее электрическое сопротивление вдруг падает до нуля, и она становится сверхпроводником. Теперь мы знаем, что это характерно для многих металлов и металлических сплавов при охлаждении ниже их критической температуры, которая обычно бывает на несколько градусов выше абсолютного ноля. Это означает, что идущий сквозь сверхпроводник ток никогда не уменьшается и не требует постоянного источника напряжения. Хотя мы не можем утверждать наверняка, что сопротивление сверхпроводника равняется именно нулю, оно настолько близко к нулю, что уже не представляет проблемы.
Истоки этого эффекта лежат в квантовой механике. В 1957 году трое ученых – Джон Бардин, уже становившийся лауреатом Нобелевской премии за свой вклад в изобретение транзистора, Леон Купер и Роберт Шриффер – объяснили механизм его работы и получили Нобелевскую премию за это открытие. При определенной температуре электроны со сходными волновыми функциями стремятся к объединению в названные в честь одного из их первооткрывателей «куперовские пары», что объясняется очень слабой силой притяжения. Чтобы понять это, нужно посмотреть, как присутствие каждого электрона влияет на окружающую среду. (Не буду перегружать вас техническими деталями.)
Каждая куперовская пара затем начинает вести себя как единичный бозон (два фермиона вместе всегда составляют бозон). Само собой, вам простительно думать, что электроны в этих куперовских парах движутся исключительно вместе, как сиамские близнецы. В конце концов, если они формируют бозон, он явно должен представлять собой нечто вроде новой «частицы». Однако не стоит забывать уроки квантовой физики. Двум электронам необязательно находиться в непосредственной близости друг к другу. В действительности расстояние между членами такой пары в тысячу раз больше среднего расстояния между двумя любыми отдельными электронами в материале! Мы считаем куперовскую пару запутанным состоянием, описываемым одной волновой функцией. Ее поведение в качестве единого бозона объясняется нелокальной связью электронов. Два электрона куперовской пары находятся в постоянном взаимодействии, как подростки, которые стоят в разных концах школьной площадки и болтают друг с другом по мобильным телефонам, что не является квантовым эффектом, но точно весьма странно!
Наконец, электрического сопротивления нет, поскольку для его наличия одному из двух электронов нужно столкнуться с атомом и отскочить от него с достаточной силой, чтобы разбить пару. Следовательно, такое рассеяние должно быть весьма сильным. При очень низких температурах связь куперовских пар достаточно сильна, чтобы выдержать слабое атомное рассеяние, поэтому электроны пары просто не сталкиваются с атомами и электрического сопротивления не возникает.
Одним из многих применений сверхпроводимости, как в случае с циклотроном Университета штата Мичиган, является создание мощных магнитов. (Моя история, таким образом, представляет собой пример того, как квантовую странность применили для разработки аппарата для изучения еще большей квантовой странности, обнаруживаемой в экзотических атомных ядрах!) Обычный электромагнит предполагает прохождение тока по катушке, которая генерирует магнитное поле. Чем больше у катушки витков, тем мощнее поле. Однако тем сильнее и сопротивление, которое ослабляет ток, из-за чего для компенсации требуется более высокий вольтаж. Эта проблема исчезает при использовании катушки из сверхпроводимого материала. На практике большие классические электромагниты имеют железный сердечник, заключенный в электрическую катушку, поскольку без него количество необходимого тока делает такой магнит безнадежно дорогим. Однако с железным сердечником мощность магнитного поля достигает максимума, и единственным способом получить большую мощность остается создание большего магнита (с большим количеством железа). Чтобы такой магнит справлялся с задачей сверхпроводящего магнита Университета штата Мичиган, он должен быть размером со средний многоквартирный дом!
Сегодня сверхпроводящим магнитам нашлось множество применений. К примеру, они используются в качестве магнитных разделителей в добывающей промышленности и в качестве магнитных навигационных систем в медицине, где они позволяют хирургам проводить катетеры сквозь тело, вводить препараты и осуществлять биопсию.
Подобно тому как фотоны в лазере действуют в гармонии друг с другом, чтобы усилить квантовый эффект до макроскопических уровней, куперовские пары в сверхпроводниках тоже могут работать вместе как группа бозонов. Это немного напоминает большие косяки рыб, которые движутся, как единая сущность, – их часто показывают по телевидению в программах о живой природе. Такое поведение среди прочего нашло применение в устройстве под названием СКВИД (акроним от англ. Superconducting Quantum Interference Device – сверхпроводящий квантовый интерферометр). В СКВИДах используются компоненты, называемые джозефсоновскими контактами, которые немного напоминают туннельные диоды. Но вместо двух полупроводниковых полосок джозефсоновский контакт состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим слоем. Куперовские пары могут с легкостью проходить сквозь этот слой, благодаря чему СКВИД становится невероятно чувствительным к мельчайшим изменениям магнитных полей. Это устройство используется в том числе в медицине, где при помощи него изучается активность мозга, для чего ведется наблюдение за магнитными полями, создаваемыми мельчайшими электротоками, соответствующими отдельным нейронам.
Наконец, одной из самых оживленных областей физических исследований в последние пятнадцать лет была сфера высокотемпературной сверхпроводимости. Иметь сверхпроводящий материал очень выгодно, однако его температуру нужно поддерживать на таком низком уровне, зачастую с использованием жидкого гелия, что для практического применения он часто становится неудобен. В 1986 году был обнаружен определенный тип керамики, который обладает сверхпроводящими свойствами при температурах до 100 К. (Это все еще на 173° градуса ниже температуры замерзания воды!) Текущие исследования в этой области затрагивают три проблемы: существуют ли материалы, характеризующиеся сверхпроводимостью при комнатной температуре, являются ли эти материалы ковкими металлами, так как керамика слишком хрупкая, чтобы ее можно было растянуть в проводящие электричество провода, и, наконец, что именно заставляет эти материалы вести себя таким образом при таких (относительно) высоких температурах.
Если нам когда-либо удастся сделать электрические провода их сверхпроводящего при комнатной температуре материала, цена электричества резко упадет. В настоящее время электричество характеризуется достаточно низкой энергоэффективностью, что отчасти объясняется энергетическими потерями в форме тепла, отдаваемого при сопротивлении кабелями передачи, которые опутывают землю. Используя сверхпроводящие кабели, мы могли бы с гораздо большей эффективностью передавать в пять раз большее напряжение, а следовательно, могли бы позволить существенно сократить потребление ископаемых источников топлива.
Показать оглавление

Комментариев: 0

Оставить комментарий