Сверхпроводящие металлы и сплавы

Обновлено: 19.05.2024

Сегодня увидел этот комментарий и обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) — температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La_2-xBa_xCuO₄ (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника — YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO, Y123) и Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение — ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии — более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными кусками сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее — высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело — ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл — до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А — в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У корейцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита — совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Сверхпроводящие металлы и сплавы

Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Тсв, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Tсв = 4,2 К) голландским физиком X. Каммерлинг-Оннесом.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения магнитного поля наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления материалов в сверхпроводящем состоянии. Его значение составило около 10–26 Ом · м, что в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.

Физическая природа сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека с момента открытия сущность этого явления оставалась неразгаданной из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Микроскопическая теория сверхпроводимости, объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ). Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н. Н. Боголюбова.

Согласно установившимся представлениям, явление сверхпроводимости возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут лишь те электроны, которые принимают участие в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением импульса и спина связываются в пары, называемые куперовскими.В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями решетки – фононами. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы. Мысленно представим себе следующий процесс: один из электронов, взаимодействуя с решеткой, переводит ее в возбужденное соcтояние и изменяет свой импульс; другой электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии – фононами.

Обменное фононное взаимодействиеи вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Обмен фононами при участии решетки происходит непрерывно.

В упрощенном виде обменное фононное взаимодействие проиллюстрировано схемой на рис. 4. Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку, т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, естественно, может притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2, возникают силы притяжения. Второй электрон становится партнером первого – образуется куперовская пара. Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10–7 м, т.е. охватывает тысячи элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но в целом все пары образуют электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных электронов. Вследствие этого в энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель 2D – область запрещенных энергетических состояний (рис. 5). Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Грубая оценка показывает, что количество таких электронов составляет около 10–4 от общего их числа. Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимального значения при абсолютном нуле и полностью исчезая при Т = Тсв. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели с критической температурой перехода:

Рис. 4. Схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле

Рис. 5. Распределение электронов по энергиям в металле в состоянии сверхпроводимости

Формула (1.1) достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10–4 – 10–3 эВ.

Как было показано, электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях. Однако при наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенностью куперовских пар является их импульсная упорядоченность, состоящая в том, что все пары имеют одинаковый импульс и не могут изменять свои состояния независимо друг от друга. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковые длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры. Такая согласованность в поведении пар обусловлена высокой мобильностью электронного конденсата: непрерывно меняются наборы пар, происходит постоянная смена партнеров.

При абсолютном нуле все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. С повышением температуры за счет тепловой энергии происходит разрыв некоторой части электронных пар, вследствие чего уменьшается ширина щели. Движение неспаренных электронов, переходящих с основных уровней на возбужденные, затрудняется рассеянием на дефектах решетки. При температуре Т= Тсвпроисходит полный разрыв всех пар, ширина щели обращается в нуль, сверхпроводимость исчезает.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса). Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, пластической деформацией и т.п., не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое. Электроны, ответственные за создание сверхпроводимости, не обмениваются энергией с решеткой. Поэтому при температуре ниже критической наблюдается существенное уменьшение теплопроводности металлов.

Магнитные свойства сверхпроводников. Важнейшая особенность сверхпроводников состоит в том, что внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10–7 – 10–8 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен настолько сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи (опыт В. К. Аркадьева).

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Hсв. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю Hсв1 и верхнюю Hсв2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода. Однако материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.

Сверхпроводящие материалы. Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I-го рода можно превратить в сверхпроводник II-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не нужен внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидро–динамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5–7 раз их масса и габаритные размеры при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Большое внимание в разных странах уделяется разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью. Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Широкие перспективы применения сверхпроводников открывает измерительная техника. Дополняя возможности имеющихся измерительных средств, сверхпроводящие элементы позволяют регистрировать очень тонкие физические эффекты, измерять с высокой точностью и обрабатывать большое количество информации.

Уже сейчас на основе сверхпроводимости созданы высокочувствительные болометры для регистрации ИК-излучения, магнитометры для измерения слабых магнитных потоков, индикаторы сверхмалых напряжений и токов. Количество этих приборов непрерывно растет.

Сверхпроводимость это состояние вещества, характеризуемое отсутствием электрического сопротивления. Сверхпроводимость наблюдается у ряда металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической температурой сверхпроводимости Тсв.

При температуре ниже Тсв электрический ток, наведенный в

сверхпроводящем контуре, будет циркулировать бесконечно долго,

не убывая, при условии поддержания низкой температуры. Удельное сопротивление материала в сверхпроводящем состоянии составляет порядка 10-25 Ом·м, что в 1017 раз меньше, чем у меди.

Физическая природа сверхпроводимости. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути (Тсв = 4,2 К) голландским физиком Камерлинком-Онессом в 1911 г. Современная теория сверхпроводимости, основанная на квантовых представлениях, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н.Боголюбова.

В металле свободные электроны, движущиеся в среде положительно заряженных ионов, взаимодействуют с тепловыми колебаниями решетки, обмениваясь с ней квантами тепловой энергии фононами, при этом электроны могут поглощать или отдавать энергию, т.е. изменять свой импульс. Обмен фононами между электронами при участии решетки происходит непрерывно. В результате обменного фононного взаимодействия пара электронов с разными импульсами и антипараллельными спинами испытывают взаимное притяжение и образуют так называемую куперовскую пару.

Рассмотрим упрощенную схему (рис. 9). Электрон 1, движущийся между ионами, притягивает ближайшие ионы, создавая по траектории движения локальную зону повышенной плотности положительного заряда. Электрон 2, движущийся вслед за первым, притягивается этой зоной. В результате, косвенным образом, через решетку, между электронами возникают силы притяжения. Силы притяжения невелики, парные образования слабо локализованы в пространстве, они постоянно распадаются и создаются, образуя электронный конденсат.

«обтекает» дефекты структуры.

Рис. 9. Схема образования электронных пар в сверхпроводнике

При температуре абсолютного нуля все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. При повышении температуры часть электронных пар распадается. Неспаренные электроны переходят с основных уровней на возбужденные, и их движение затрудняется рассеянием на дефектах структуры. При температуре Тсв происходит полный разрыв всех куперовских пар, и состояние сверхпроводимости исчезает.

Сверхпроводники обладают специфическими магнитными свойствами. Поскольку электроны с противоположно направленными спинами связаны в пары, результирующий спиновый момент пары равен нулю, и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. Внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщину образца, затухая в тончайшем поверхностном слое (10-7…10-8 м). Эффект выталкивания выражен столь сильно, что с помощью магнитного поля можно удерживать постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала. Однако состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность

магнитного поля превысит некоторое критическое значение Нсв.

В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов представлены в табл. 5.

Без всякого сопротивления

Физиков конца XIX века очень интересовало, как ведет себя электропроводность металлов при сверхнизких температурах. На этот счет существовали разные теории, но применимость их вблизи абсолютного нуля выглядела сомнительной. В декабре 1910 года Камерлинг-Оннес вместе с Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Холстом приступили к экспериментам. Первым делом они измерили температурную зависимость сопротивления платиновой проволоки, охлажденной жидким гелием. Оказалось, что оно понижается вместе с температурой, но ниже 4,25 К становится постоянным. Камерлинг-Оннес считал, что химически чистый металл вблизи абсолютного нуля обязан свободно пропускать ток, и объяснял остаточное сопротивление влиянием примесей. В дальнейшем он решил воспользоваться ртутью, которую можно очистить многократной перегонкой в вакууме. Жидкую ртуть при комнатной температуре заливали в тонкие капилляры и охлаждали их в гелиевом криостате, после чего измеряли ее сопротивление. В знаменательный день 8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес всего лишь убедился, что при охлаждении от 4,3 до 3 К сопротивление ртути падает практически до нуля. В повторном эксперименте 11 мая он обнаружил, что ртуть теряет сопротивление при охлаждении до 4,2 К (на самом деле его температурная шкала была не совсем корректна, в действительности чистая ртуть становится сверхпроводником при 4,15 К).

Камерлинг-Оннес понял, что скачкообразное исчезновение электрического сопротивления ртути (или, как минимум, его падение до не поддающихся измерению значений) не имеет теоретического объяснения. Он пришел к выводу, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим (температуру такого перехода сейчас называют критической, Tc).

Позднее под руководством Камерлинг-Оннеса в Лейдене были обнаружены еще четыре сверхпроводника – олово и свинец (1912), таллий (1919) и индий (1923). Но самые интересные открытия его лаборатории состояли не в этом. Еще осенью 1911 года было замечено, что сверхпроводимость ртути разрушается при увеличении плотности тока выше определенного предела, который растет по мере снижения температуры. Дальнейшие эксперименты показали, что при сворачивании сверхпроводящего провода в спираль этот порог снижается в несколько раз. Катушки из оловянной и свинцовой проволоки, сделанные для этих опытов, стали первыми в мире сверхпроводящими магнитами.

Эти результаты позволяли предположить, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем (которое при одинаковой силе тока внутри соленоида куда сильнее, нежели в линейном проводнике). Как ни странно, Камерлинг-Оннес не подумал об этой возможности, объясняя исчезновение сверхпроводимости плохим охлаждением катушек. Однако его весьма интересовало влияние внешнего магнитного поля на поведение сверхпроводника. Начав эти исследования в 1914 году, он вскоре убедился, что поле напряженностью всего в несколько сотен эрстед приводит к таким же последствиям, как и нагревание, то есть ликвидирует сверхпроводимость. Хотя Камерлинг-Оннес однозначно сформулировал этот вывод и показал, что пороговое значение магнитного поля (в современной терминологии критическое поле Hc) возрастает с уменьшением температуры подобно пороговому значению плотности тока, он не усмотрел связи между этими явлениями. И только в 1916 году американский физик Фрэнсис Бригг Сильсби высказал гипотезу, что в обоих случаях сверхпроводимость разрушается магнитным полем независимо от его источника.

В 1914 году Камерлинг-Оннес по-новому продемонстрировал возникновение сверхпроводящего тока. При комнатной температуре катушку из свинцовой проволоки охладили в магнитном поле приблизительно до 2 К, после чего отключили поле, создаваемое электромагнитом. В катушке возник индукционный ток, который удерживал своим магнитным полем подвешенную над катушкой намагниченную иглу. Согласно наблюдениям, за те полтора часа, в течение которых катушку держали в криостате, сила тока практически не уменьшилась. Не будь она сверхпроводящей, ток, разумеется, затух бы за ничтожные доли секунды.

Сверхпроводимость и магнетизм

После Камерлинг-Оннеса лабораторию возглавили Виллем Кеезом и Вандер де Хааз. В конце 1920-х они выяснили, что сверхпроводниками становятся не только металлы, но и биметаллические соединения, причем их пороговые магнитные поля могут составлять многие тысячи эрстед, что в десятки раз выше, чем у чистых металлов. Они же доказали, что наложение внешнего магнитного поля понижает критическую температуру.

К тому времени исследованием сверхпроводимости занимались не только в Голландии. Второй комплекс по ожижению гелия запустили в Университете Торонто в 1923 году, третий — спустя два года в криогенной лаборатории Имперского физико-технического центра в берлинском пригороде Шарлоттенбурге. С 1928 по 1930 год там выявили сверхпроводимость тантала, тория и ниобия. А в 1933-м директор лаборатории Вальтер Мейсснер и его ассистент Роберт Оксенфельд нашли у сверхпроводников парадоксальную особенность, которую ныне почитают более фундаментальной, чем способность без помех пропускать электрический ток.

Эффект Мейсснера–Оксенфельда, как и сверхпроводимость, был открыт случайно. В те времена сверхпроводники воспринимали лишь как идеальные проводники с нулевым сопротивлением. В 1925 году Гертруда де Хааз-Лоренц (жена Вандера де Хааза и дочь великого голландского физика Хендрика Лоренца) теоретически вывела, что в подобных материалах электрические токи текут лишь в поверхностном слое толщиной порядка 50 нм (оценка оказалась чрезвычайно точной — к примеру, для свинца этот показатель составляет 40 нм). Через несколько лет сходные результаты получили и немецкие физики. Мейсснер пожелал проверить эту теорию экспериментом. Поскольку внутрь сверхпроводника заглянуть невозможно, он решил изучить магнитные поля, порождаемые сверхпроводящими токами. Здесь его ожидал сюрприз. Оказалось, что сверхпроводники взаимодействуют с магнитным полем совсем не так, как должны взаимодействовать с ним идеальные проводники (см. врезку). Эксперименты Мейсснера и Оксенфельда показали, что внутри сверхпроводника магнитное поле становится нулевым, то есть переход в сверхпроводящее состояние порождает идеальный диамагнетизм (вещества, внутри которых внешнее магнитное поле ослабляется, называют диамагнетиками). Эти результаты выглядели совершенно парадоксальными. Неоднократные повторные эксперименты подтверждали, что слабые магнитные поля не проникают внутрь сплошных сверхпроводников, хотя проходят сквозь кольца и полые цилиндры.

Эффект Мейсснера–Оксенфельда

Как должны вести себя в магнитном поле идеальные проводники? Возьмем металлический образец с простой геометрией (шар или тонкий длинный цилиндр) и поместим его в постоянное однородное магнитное поле при комнатной температуре. Как известно из школьного курса физики, поле проникнет внутрь образца на всю его толщину. Снизим температуру ниже критической, чтобы образец перешел в состояние идеального проводника. Такой переход никоим образом не влияет на магнитное поле, которое по-прежнему пронизывает образец. После отключения поля внутри идеального проводника благодаря появлению индукционных токов сохраняется магнетизм (вспомним правило Ленца), но наружное поле, естественно, изменяется.

Теперь выполним аналогичные операции в обратном порядке: сначала охладим образец, а потом включим магнитное поле. Идеальный проводник полностью вытолкнет магнитные силовые линии и породит на своей поверхности экранирующие индукционные токи. Однако после того как мы поднимем температуру и превратим идеальный проводник в обычный металл, магнитное поле вновь проникнет внутрь образца.

Мейсснер и Оксенфельд в экспериментах с оловянными и свинцовыми цилиндрами обнаружили, что этот прогноз выполняется лишь наполовину. Во второй версии опыта сверхпроводник действительно ведет себя так, как положено идеальному проводнику. Однако первая версия (охлаждение в постоянном магнитном поле) приводит к совершенно неожиданному результату. После перехода в сверхпроводящее состояние образец полностью выталкивает магнитный поток, так что магнитная индукция внутри него оказывается равной нулю. Дело выглядит так, что и в этом случае на поверхности сверхпроводника возникают незатухающие токи, которые экранируют его внутреннюю часть от внешнего магнитного поля. Экспериментаторы обнаружили также, что при последующем отключении поля образец теряет свою намагниченность. Отсюда следует, что токи исчезают, хотя у идеального проводника они должны сохраниться.

Классический тупик

После смерти Оннеса была разработана квантовая теория металлов и сплавов, которая сулила надежду на объяснение сверхпроводимости. Его искали такие физики-теоретики мирового класса, как Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, Нильс Бор и Ганс Бете, Лев Ландау и Яков Френкель, Невилл Мотт и Хендрик Казимир, и это отнюдь не полный список. Однако сверхпроводимость долгое время оставалась неприступной загадкой. Один из создателей квантовой теории твердого тела Феликс Блох в начале 1930-х годов предсказал, что любая теория сверхпроводимости со временем будет опровергнута. Этот прогноз продержался 20 лет.

В 1932 году голландский теоретик Ральф Крониг предложил модель, в соответствии с которой электроны в сверхпроводнике формируют нечто вроде кристаллической решетки, где свободно скользят одномерные электронные цепочки, переносящие электрический ток. Еще через два года Корнелис Гортер и Хендрик Казимир развили эту идею в теорию. Она утверждает, что вблизи абсолютного нуля в сверхпроводниках почти все электроны проводимости конденсируются в «кристаллическую фазу», но небольшая их часть остается в виде свободного газа. «Кристаллизованные» электроны переносят транспортный ток без сопротивления, а «газовые» по-прежнему рассеиваются на тепловых колебаниях и дефектах кристаллической решетки. При нагревании «газовая» доля возрастает и при критической температуре достигает 100%. Модель Гортера и Казимира базировалась на классических термодинамике и электродинамике, квантовая механика в ней не использовалась. Эту модель даже можно было частично согласовать с результатами экспериментов, но все же выглядела она чрезвычайно искусственной.

Задача теоретиков и в самом деле была непростой. Для разумной интерпретации эффекта Мейсснера–Оксенфельда приходилось признать, что при переходе в сверхпроводящее состояние в постоянном магнитном поле в образце возникают незатухающие поверхностные токи. Но, согласно классическим уравнениям Максвелла, электрический ток индуцируют только изменения магнитного поля. Теория твердого тела утверждала, что это заключение вполне справедливо для электронов проводимости в нормальном металле. Оставалось предположить, что носители тока в сверхпроводниках пребывают в каком-то экзотическом состоянии, для описания которого нужны были новые модели.

Первые квантовые шаги

Первую такую модель в 1934 году разработали Фриц и Хайнц Лондоны, немецкие физики, эмигрировавшие в Англию после прихода к власти Гитлера. Братья Лондоны работали в Кларендоновской лаборатории Оксфордского университета, где к этому времени открылся первый британский криогенный центр с комплексом для ожижения гелия. Они постулировали два уравнения, описывающие связь между сверхпроводящим током, напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Из этих уравнений следовало, что внешнее магнитное поле распространяется внутри сверхпроводника лишь в пределах очень тонкого слоя, который называют лондоновской глубиной проникновения (50–500 нм).

Сверхпроводники I и II рода

Наиболее убедительные результаты в области взаимодействия сверхпроводников и магнитного поля были получены под руководством замечательного экспериментатора Льва Шубникова в криогенной лаборатории Украинского физико-технического института в Харькове, где в 1933 году был установлен ожижитель гелия. Шубников обнаружил, что, в отличие от чистых металлов, сверхпроводящие сплавы обладают не одним, а двумя критическими магнитными полями — нижним и верхним (сейчас их обозначают как H_c1 и H_c2). Внешние магнитные поля, меньшие, чем H_c1, вообще не проникают в толщу сплава, и поэтому он ведет себя как чистый сверхпроводящий металл. При дальнейшем повышении напряженности внешнее поле начинает проникать внутрь образца, однако его электрическое сопротивление остается нулевым. Когда поле становится равным H_c2, сплав перестает быть сверхпроводящим. В интервале внешних полей от нижнего критического до верхнего критического такой сверхпроводник находится в промежуточном состоянии, в котором эффект Мейсснера–Оксенфельда уже не работает. Подобным образом ведут себя и два чистых металла, ванадий и ниобий. Объяснить это удалось лишь спустя 20 лет. Такие сверхпроводники сейчас называют сверхпроводниками II рода, а чистые металлы (и некоторые сплавы), которые полностью подчиняются эффекту Мейсснера, относят к сверхпроводникам I рода.

Теория Лондонов стала вершиной понимания природы сверхпроводимости, достигнутой в первой половине XX века. Она хорошо описывает поведение сверхпроводника во внешнем магнитном поле, сильно уступающем по величине H_c (или H_c1). Уравнения Лондонов еще не содержат постоянной Планка и посему формально не связаны с квантовой физикой. Но в 1935 году Фриц Лондон пришел к выводу, что электроны в сверхпроводниках находятся в стационарных квантовых состояниях, до некоторой степени аналогичных состояниям электронов на внутриатомных орбитах. Он первым в мире увидел в сверхпроводимости чисто квантовое явление макроскопического масштаба, что для того времени было революционной идеей. В 1948 году он показал, что магнитный поток квантуется, то есть проникает внутрь сверхпроводящего кольца лишь конечными порциями, всегда равными целому числу элементарных квантов магнитного потока. Эксперименты подтвердили квантование магнитного потока лишь в 1961 году.

Вторая мировая война почти полностью прервала исследования сверхпроводимости. Кое-что делали и тогда — так, в 1941 году в Германии выявили сверхпроводимость нитрида ниобия с рекордно высокой по тому времени температурой 15 К. Но подлинный прорыв в этой области произошел в 1960-х, когда были выявлены вещества, которые становятся сверхпроводниками при значительно более высоких температурах. Но об этом, а также о высокотемпературных сверхпроводниках читайте в одном из следующих номеров «ПМ».

Адский холод, левитация и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости

Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.

Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).

Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.

При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.

Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.

Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка

В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.

Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons

В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.

Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.

Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.

Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School

Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит

В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.

Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.

Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.

Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.

Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.

В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.

Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».

Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания

В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.

Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba

Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.

Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.

Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.

Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba

Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников

Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.

Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.

Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.

Высокоскоростной транспорт

Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).

Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.

Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.

Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).

Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram

Термоядерные реакторы

Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.

Когда же потеплеет?

Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (LaH10). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.

Читайте также: