Текст книги "Штурм абсолютного нуля"

Автор книги: Генрих Бурмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)

7. История с почти детективным началом. Загадка века. Ионы и электроны. Невидимка находит напарника. Строем сквозь кристалл. Вопросы без ответа.

Многие занимательные детективные истории начинаются с… исчезновения. Поиски пропажи, будь это человек, документ или драгоценный камень, служат основой остросюжетного повествования.

На этот раз речь идет о необычной пропаже. Как читатель уже знает, исчезло электрическое сопротивление.

Приступая к следствию по такому необыкновен – ному делу, мы должны прежде всего уяснить себе, что такое электрическое сопротивление вообще.

Напомним, что металл представляет собой сложную систему, состоящую из положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, и электронов, находящихся в свободном состоянии. Эти свободные электроны, или, как их называют, электроны проводимости, и являются носителями электрического тока.

В идеальном кристалле ионы расположены в строгом порядке, каждый на своем месте. Они находятся в узлах пространственной решетки, так называемой кристаллической решетки.

Для того чтобы представить себе размеры этого микромира, достаточно сказать, что для измерения расстояния между соседними ионами, самая маленькая мера длины, применяемая в технике, – микрометр, равная, как вытекает из ее названия, одной миллионной доли метра, оказалась слишком большой. Расстояние между ионами в кристаллической решетке измеряется в нанометрах (один нанометр равен одной миллиардной доли метра).

Напомним еще раз, что поведение «невидимок» (микрочастиц) подчиняется особым квантовым законам.

В идеальном кристалле электрон ведет себя как волна. Он свободно проходит сквозь кристаллическую решетку, подобно тому как световая волна распространяется в прозрачной среде.

Поэтому в идеальном кристалле сопротивление электрическому току отсутствует.

При температуре выше абсолютного куля ионы совершают тепловые колебания. Порядок в кристалле нарушается.

Такая среда перестает быть прозрачной для электронов. Происходит, как говорят физики, рассеивание электронов, подобно тому как морская волна рассеивается, встретив препятствие. Электроны рассеиваются также на атомах примесей, хаотично расположенных в кристалле.

Возникает сопротивление прохождению электрического тока, или, короче, электрическое сопротивление.

Но вот в 1950 году при исследовании сверхпроводимости ртути оказалось, что критическая температура образцов ртути зависит от их изотопного состава. Она возрастает при уменьшении среднего атомного веса исследуемого образца.

Это явление, обнаруженное впоследствии также на олове, галлие и некоторых других сверхпроводящих элементах, получило название изотопического эффекта.

Изотопический эффект – чудесный ключ, с помощью которого ученые получили воз можность открыть дверь в замечательный мир сверхпроводимости.

Известно, что масса ионов кристаллической решетки в тысячи раз больше массы свободных электронов.

Поэтому масса изотопа является характеристикой кристаллической решетки и главным образом влияет на ее свойства.

После открытия изотопического эффекта стало ясно, что сверхпроводимость, которая вообще является свойством системы электронов, каким‑то образом связана с состоянием кристаллической решетки.

А значит, и возникновение эффекта сверхпроводимости обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла. Это взаимодействие ответственно за появление электрического сопротивления, а при определенных условиях оно должно привести к отсутствию электрического сопротивления, то есть к сверхпроводимости.

Прошло всего несколько лет после открытия изотопического эффекта, и в 1957 году американские исследователи Дж. Бардин, Л. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (этот триумвират принято сокращенно называть БКШ – по первым буквам их фамилий) и советский ученый Николай Николаевич Боголюбов создали теорию, объясняющую явления, происходящие в мире сверхпроводимости.

На «живом серебре» (такое образное название носит ртуть на украинском и немецком языках) была впервые открыта сверхпроводимость. Именно на ртути был обнаружен изотопический эффект, создавший важную предпосылку для разработки современной теории сверхпроводимости.

На страницах этой книги мы лишены возможности пользоваться сложными математическими уравнениями, описывающими законы квантовой механики. Поэтому дается лишь упрощенное представление о природе сверхпроводимости.

В обычном проводнике каждый электрон ведет себя как индивидуалист. Между электронами проводимости отсутствует, образно говоря, чувство локтя. Более того, по закону Кулона электрон отталкивает соседа.

В сверхпроводниках происходит объединение электронов в пары. Участники таких пар притягиваются друг к другу.

У читателя, твердо усвоившего из элементарного курса физики, что между электронами существуют кулоновские силы отталкивания, это последнее утверждение не может не вызвать недоумения.

Но возможность электронов при определенных услових притягиваться друг к другу не противоречит законам физики.

Свободный электрон, двигаясь через кристаллическую решетку, притягивает к себе положительные ионы металла, вызывая тем самым деформацию решетки. Это приводит к появлению в решетке области избыточного положительного заряда, образующейся благодаря высокой плотности ионов там, где решетка деформировалась.

Второй электрон притягивается избытком положительного заряда и тем самым косвенно взаимодействует с первым электроном (то есть притягивается к нему).

При достаточно низких температурах у ряда металлов такое притяжение преобладает над кулоновским отталкиванием. Тогда электроны могут объединяться попарно.

Такие пары электронов получили название куперовских пар, по имени Л. Купера, одного из создателей теории сверхпроводимости.

Невидимка находит напарника. I – жидкий гелий. А – в обычном проводнике электроны перемещаются в одиночку, каждый из них отталкивает соседа. Б – в сверхпроводнике электроны объединяются в пары. Строй куперовских пар свободно перемещается по кристаллу. Электрическое сопротивление равно нулю.

Казалось, электрону легче всего выбрать себе напарника из ближайших соседей. Но это не так. Напарник электрона должен находиться от него на относительно большом расстоянии, с тем чтобы ку– лоновская сила отталкивания была достаточно мала.

Электроны куперовской пары находятся друг от друга на расстоянии один микрометр. В обыденной жизни это, разумеется, мизерная величина. Но не забывайте, что мы с вами сейчас находимся в микромире, где счет идет на доли нанометра.

Электрон должен «чувствовать» своего напарника, находящегося от него на расстоянии, в десятки тысяч раз превышающем расстояние до его ближайшего соседа.

Если мы мысленно построим шар радиусом в один микрометр, в центре которого один из электронов куперовской пары, то его партнер должен находиться где‑то на поверхности шара. Между тем внутри этого шара находятся мириады электронов.

Каким‑то удивительным для нас, жителей макромира, способом электрон в таких условиях выбирает себе напарника. И не ошибается в своем выборе! Расчеты показывают, что образование сформированных таким образом куперозских пар энергетически наиболее выгодно.

Спаривание двух электронов возникает только тогда, когда большое число других электронов находится в этом же состоянии.

Такой коллектив электронов в кристалле можно уподобить строю солдат, совершающих марш по местности, пересеченной завалами и рытвинами. Здесь каждый подстраховывает своего товарища, не давая ему оступиться или попасть в яму.

Точно так же «строй» куперовских пар легко «марширует» по сверхпроводнику. Электрическое сопротивление исчезает.

Однако с ростом температуры интенсивность тепловых колебаний увеличивается, и при температуре выше критической куперовские пары распадаются. Сверхпроводник превращается в обычный проводник.

В сверхпроводнике, при температуре отличной от абсолютного нуля, не все электроны объединяются в куперовские пары. Наряду со спаренными электронами там имеются и обычные электроны, которые могут рассеиваться и испытывать сопротивление так же, как электроны проводимости в нормальном кристалле.

Количество куперовских пар уменьшается при повышении температуры и приближении ее к критической. Наоборот, при абсолютном нуле все электроны должны образовать пары.

Из рассказанного в предыдущей главе читатель уже знает, что электроны проводимости в металле ведут себя как Ферми – жидкость.

Электронная жидкость движется под действием электрического поля в кристаллической решетке, как обычная жидкость по трубопроводу под действием перепада давления. Взаимодействуя с кристаллической решеткой и всевозможными примесями, электроны рассеиваются, испытывая сопротивление движению.

«Трение» электронной жидкости о кристалл, то есть ее «вязкость», мы наблюдаем как сопротивление электрическому току.

Исчезновение сопротивления в сверхпроводнике можно трактовать как исчезновение вязкости элек тронной жидкости. Таким образом, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронной жидкости. Сверхпроводимость, как мы уже знаем, осуществляется благодаря спариванию электронов. Иными словами, в момент перехода в сверхпроводящее состояние Ферми – жидкость переходит в Бозе – жидкость.

Так как при переходе в сверхпроводящее состояние не все электроны спариваются, мы можем представить себе сверхпроводник как бы пропитанным двумя электронными жидкостями. Одна из них, состоящая из нормальных электронов, обладает свойством обычной жидкости, другая, состоящая из куперовских пар, – сверхтекуча.

В сверхпроводнике ток может переноситься как нормальными, так и спаренными электронами.

Постоянный ток весь переносится куперовскими парами. В этом случае сверхпроводящий металл подобен двум параллельным проводникам: один из которых с нормальным сопротивлением, другой с сопротивлением равным нулю; причем проводник с нулевым сопротивлением шунтирует проводник с нормальным сопротивлением, а следовательно, общее сопротивление равно нулю.

Если ток переменный, то часть тока в сверхпроводнике может переноситься нормальными электронами. Однако при относительно небольших частотах эта часть невелика.

Читателя, наверное, интересует судьба и другой Ферми – жидкости – гелия 3.

После того как стал ясным механизм спаривания электронов в металле, напрашивалась мысль, что похожий процесс может произойти и в гелии 3.

Расчеты показали, что при достаточно сильном охлаждении здесь неминуемо должны спариваться атомы гелия.

Штурм абсолютного нуля продолжался.

Наконец в 1972 году при температуре 0,00265К гелий 3 был получен в сверхпроводящем состоянии.

Завершая рассказ о гелии 3, уместно остановиться еще на одном интересном свойстве этой квантовой жидкости.

Оказывается, гелий 3 сохраняет конечную растворимость (около 6 %) в жидком гелии 4 вплоть до абсолютного нуля температуры.

Возникла идея использовать это свойство для того, чтобы заставить гелий 3 и гелий 4 «работать» совместно.

Действительно, при соприкосновении почти чистого жидкого гелия 3 с разбавленным раствором гелия 3 в гелии 4 атомы гелия 3 должны перейти в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается.

Растворение осуществляется в одной части прибора – в камере растворения, а удаление атомов гелия 3 из раствора путем откачки в камере испарения.

Непрерывная циркуляция гелия 3 осуществляется системой насосов и теплообменников. При этом в камере растворения можно неограниченно долго поддерживать температуру 10–20 милликельвинов.

Другими способами можно достигнуть и еще более низких температур – в миллиардные доли кельвина.

Современная теория сверхпроводимости позволяет объяснить ряд явлений, долгое время считавшихся загадочными.

Стало ясным, например, почему различные аллотропические модификации одного и того же металла, отличающиеся друг от друга различной структурой кристаллической решетки, имеют разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Кристаллическая решетка, как читатель уже знает, играет важную роль в процессе сверхпроводимости.

Для того чтобы понять суть другого удивительного явления – квантования магнитного потока в сверхпроводящем контуре, – уместно привести следующую аналогию.

В 1911 году Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца. Движущиеся с центростремительным ускорением электроны должны непрерывно излучать электромагнитную энергию. В соответствии с законами классической физики они должны были потерять всю свою энергию и упасть на ядро. Между тем давно известно, что атом представляет собой устойчивую систему частиц.

Разрешить это противоречие удалось в 1913 году датскому физику Нильсу Бору, заложившему основы современной квантовой теории атома.

Согласно постулатам Бора, энергия электрона в атоме и ряд других величин не могут изменяться непрерывно. Допустимы только определенные значения физических величин, а следовательно, только определенные орбиты. Двигаясь вокруг ядра по своим «разрешенным» орбитам, электроны не излучают электромагнитные волны.

Представьте себе сверхпроводящее кольцо, по которому течет ток. Электроны в сверхпроводящем кольце как бы движутся по гигантским боровским орбитам. Поэтому к их движению применимы правила квантования Бора.

Сверхпроводящий ток создает вне сверхпроводника магнитное поле, а следовательно, и магнитный поток (вспомните, так называют произведение индукции магнитного поля на величину площади, охватываемой контуром). Оказывается, что эта величина может принимать только дискретный (прерывистый) ряд значений. Иными словами, магнитный поток квантуется.

Если при изучении свойств атома мы сталкиваемся с квантованием в микромире, которое мы не в состоянии непосредственно наблюдать, то сверхпроводимость дает нам пример квантования макроскопической величины – потока магнитного поля.

Здесь мы наблюдаем квантовый эффект, гигантский по своим масштабам.

Теоретически и экспериментально установлено, что величина минимальной порции – кванта магнитного потока – составляет две десятимиллионные доли гаусса [6]6
  1 гаусс= 0,0001 тесла.


[Закрыть]на квадратный сантиметр.

Эффект квантования магнитного потока послужил прекрасной основой для создания приборов, измеряющих электрические и магнитные величины с немыслимой ранее точностью.

Может ли современная теория сверхпроводимости дать исчерпывающее объяснение всех явлений, происходящих в этом удивительном мире?

Исследователи пока не могут теоретически рассчитать критическую температуру конкретных металлов и с полной достоверностью ответить на вопрос, способен ли тот или иной металл стать сверхпроводником. Осталось немало и других нерешенных проблем.

Напомним читателю, что явление сверхпроводимости впервые наблюдалось в 1911 году. Но только в 1957 году, спустя почти полвека, наука смогла дать ответ на вопрос, что такое сверхпроводимость.

В науке случается так, что теория отстает от экспериментальных исследований. Но другой пример такого большого отставания привести трудно. Это свидетельствует о сложности и необычности проблемы сверхпроводимости.

Наука не существует изолированно от материальной жизни общества. Наиболее интенсивно проводятся научные исследования, которые обещают практический выход.

Начало второй половины XX века ознаменовалось рядом открытий в области сверхпроводимости, завершившихся разработкой теории сверхпроводимости.

В 1957 году была опубликована работа молодого советского физика Алексея Алексеевича Абрикосова, в которой впервые изложена теория сверхпроводимости сплавов.

8. Вихри в сверхпроводнике. Металлы и сплавы. Медь становится изолятором. Нужно ли «дразнить» сверхпроводник. Как ученые закрыли энергетическую щель.

Студент третьего курса физического факультета Московского государственного университета Алексей Абрикосов был самым молодым на курсе и, пожалуй, одним из самых молодых на всем факультете. Досрочно освоив школьную программу, он уже в 15 лет поступил в высшее учебное заведение.

Каждый серьезный студент, подходя к экватору пребывания в учебном заведении, начинает задумываться о своей будущей деятельности, стремиться своевременно выбрать себе научного наставника. Так было с Абрикосовым.

Среди студентов шло много разговоров о профессоре Ландау. Было известно, что он нещадно «режет» на экзаменах. Рассказывали, что в бытность в Харькове он вывесил на двери своего служебного кабинета табличку с надписью: «Осторожно, кусается!» Нетерпимый к лодырям и студентам, скользившим по поверхности знаний, он сердечно и доброжелательно относился к людям, искренне стремившимся познать науку.

В то время Ландау не преподавал на физическом факультете. Однако говорили, что он не делает различий между «своими» и «чужими» студентами. Он был готов дать путевку в науку любому – были бы способности и призвание.

Как‑то не верилось, что рядовой студент мог бы запросто встретиться со всемирно известным ученым, до предела загруженным научной и преподавательской деятельностью.

Все же однажды, собравшись с духом, Алексей Абрикосов набрал номер домашнего телефона Ландау.

Терпеливо выслушав студента, профессор сказал:

– Приходите ко мне домой завтра в девять часов утра.

Так в один из осенних дней 1945 года Алексей Абрикосов очутился в квартире Ландау.

Продиктовав интеграл, профессор предложил студенту решить задачу. Затем он удалился.

Вернувшись через некоторое время, Ландау быстро просмотрел исписанный студентом лист бумаги и, по всей видимости, остался доволен. Он предложил Абрикосову сдать теоретический минимум.

– Но я хочу стать физиком – экспериментато– ром, – возразил студент.

– Ну и что же. Теория во всяком случае вам не помешает.

Абрикосов попал в школу Ландау.

Такое название вы не встретите ни в одном официальном справочнике. Между тем школа Ландау воспитала немало талантливых физиков – теоретиков. Многие из них стали докторами наук. В их числе академики и члены – корреспонденты Академии наук СССР и республиканских академий. Лучшие представители школы Ландау являются создателями собственных научных школ. Можно сказать, что и по сей день школа Ландау играет выдающуюся роль в развитии советской и мировой теоретической физики.

Ландау готовил теоретиков еще со студенческой скамьи.

«Теоретическая физика начинается с математики», – говорил Ландау. Поэтому каждый пришедший к нему студент подвергался небольшому испытанию по математике. Студент, показавший, что он разбирается в этом предмете, приступал к изучению теоретической физики по составленной Ландау специальной программе, получившей название «теоретический минимум».

Эта программа состоит из семи разделов по теоретической физике и двух вспомогательных – по математике.

После изучения каждого раздела студент сдавал экзамен. Экзамены принимал чаще всего сам Ландау. Когда число экзаменующихся заметно увеличилось, ему стали помогать ученики.

Изучение курса и сдача экзаменов было делом добровольным. Никакого удостоверения или справки сдавший теоретический минимум не получал. Достаточно было, что после его фамилии Ландау делал в своей записной книжке соответствующую пометку.

Студенты, проявившие в процессе сдачи теоретического минимума достаточные способности, как правило, оставались в аспирантуре у Ландау либо у его учеников.

Составной частью школы Ландау был теоретический семинар.

На семинаре царила творческая, непринужденная обстановка. Обсуждались разнообразные проблемы теоретической физики, и каждый мог выбрать направление, которое ему больше по душе. Здесь всячески поощрялся свободный обмен мнений.

На семинаре Ландау Абрикосов окончательно встал на путь физика – теоретика. В 1948 году, по окончании университета, он поступил в возглавляемый Ландау теоретический отдел Института физических проблем.

«Ввиду краткости жизни мы не можем позволить себе роскошь тратить время на задачи, которые не ведут к новым результатам», – писал Ландау в одной из своих статей.

Существенно новые результаты Ландау получил и в области сверхпроводимости.

Он разработал теорию промежуточного состояния сверхпроводников, показал, что в этом состоянии сверхпроводник состоит из последовательности нормальных и сверхпроводящих слоев, определил влияние внешнего поля на размеры и форму слоев, ввел понятие о поверхностном натяжении между нормальной и сверхпроводящей фазами.

В 1950 году Л. Д. Ландау вместе с другим известным советским физиком В. Л. Гинзбургом создали теорию сверхпроводимости, основанную на теории Ландау фазовых переходов второго рода. Эта теория уже тогда, то есть за несколько лет до появления теории БКШ и работ Боголюбова, позволила объяснить ряд существенных свойств сверхпроводников.

Продолжить эти исследования выпало на долю ученика Ландау, Абрикосова. Основываясь на уравнениях Гинзбурга – Ландау и результатах собственных исследований, он построил в 1957 году теорию сверхпроводящих сплавов.

Несколько позже другой ученик Ландау, Л. П. Горьков (его портрет внизу), сумел вывести уравнения Гинзбурга – Ландау из теории БКШ и объяснить физический смысл некоторых величин, введенных в эти уравнения, природа которых оставалась не вполне ясной. Разработанная советскими учеными теория сверхпроводимости металлов и сплавов получила в науке название ГЛАГ (Гинзбург – Ландау – Абрикосов – Горьков).

В 1964 году А. А. Абрикосова избирают членом– корреспондентом Академии наук СССР, а в 1968 году ему совместно с В. Л. Гинзбургом и Л. П. Горьковым присуждают Ленинскую премию за разработку теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников. Л. Д. Ландау был удостоен этой высшей научной награды СССР в 1962 году.

С 1965 года Абрикосов работает в Институте теоретической физики Академии наук СССР. Одновременно он заведует кафедрой теоретической физики Московского института стали и сплавов.

В 1987 году А. А. Абрикосов избран действительным членом Академии наук СССР.

Нам предстоит рассмотреть, как теория Абрикосова объясняет «странное» поведение сверхпроводящих сплавов.

Понять эту проблему поможет следующий пример, взятый из другой области физики.

Две или большее количество небольших водяных капель легко соединяются в одну большую каплю. Однако обратного процесса самопроизвольного разделения одной капли на несколько мелких капель не происходит.

Это явление объясняется наличием поверхностного натяжения, вследствие которого при уменьшении общей поверхности освобождается энергия.

Единая сферическая капля имеет минимальную поверхность для данного количества воды, и процесс самопроизвольного разделения на капли не осуществляется, потому что он должен привести к большей поверхности, что требует затраты энергии.

Поверхность раздела между двумя жидкостями обладает положительной поверхностной энергией. Но возможно положение, при котором эта энергия становится отрицательной.

Если предположить, что самопроизвольное сокращение поверхности раздела при положительном поверхностном натяжении объясняется наличием на этой поверхности упругой растянутой пленки, то поверхность раздела с отрицательным поверхностным натяжением должна представлять собой упругую сжатую пленку, которая может самопроизвольно расширяться.

Абрикосов ввел понятие о двух группах (родах) сверхпроводников.

Сверхпроводники первого рода обладают положительной поверхностной энергией между нормальной и сверхпроводящей фазами, а сверхпроводники второго рода – отрицательной поверхностной энергией между фазами.

К сверхпроводникам первого рода относятся практически все чистые металлы, а к сверхпроводникам второго рода – сплавы, а также тонкие пленки.

При этом сверхпроводник первого рода можно перевести во второй род путем внедрения посторонних примесей либо какого‑нибудь другого нарушения периодичности кристаллической решетки.

Примечательно, что ниобий долгое время считался «отщепенцем» среди металлов. Его относили к сверхпроводникам второго рода. Однако, когда удалось получить особо чистый образец ниобия, он занял свое «законное» место среди сверхпроводников первого рода.

Эффект Мейснера обусловлен положительным поверхностным натяжением между сверхпроводящим и нормальным состояниями в металле. Магнитное поле выталкивается из толщи образца, так как для образования большей поверхности раздела между сверхпроводящей и нормальной областями понадобилась бы значительная энергия.

Наоборот, отсутствие эффекта Мейснера должно указывать на отрицательное поверхностное натяжение. При этом условии сверхпроводник может как угодно разделяться на сверхпроводящие и нормальные области.

Поведение в магнитном поле сверхпроводников второго рода оказалось удивительным.

При увеличении внешнего магнитного поля, начиная с нулевого значения, магнитное поле первоначально не проникает в толщу образца.

Достигнув некоторого значения Н _к1, называемого нижним критическим полем, сплав переходит в смешанное состояние. При этом магнитное поле проникает в сверхпроводник постепенно, в виде сгустков силовых линий, называемых абрикосовскими вихрями.

Внутри сгустка сверхпроводимость разрушается, но каждый сгусток окружен кольцевыми сверхпроводящими токами. Отсюда и название – вихри.

Эти вихри – квантовые. Магнитный поток, содержащийся в каждом вихре, строго равен одному кванту.

Итак, сверхпроводник оказывается пронизанным вихревыми нитями. Эти вихри, оси которых ориентированы в направлении силовых линий магнитного поля, образуют треугольную решетку. При этом в пространстве между вихрями вещество остается сверхпроводящим. Вместе с тем эффект Мейснера не проявляется. Магнитное поле в виде вихревых нитей проникает в толщу сверхпроводника.

При увеличении поля, начиная с нижнего критического поля, возрастает число вихревых нитей, и они сближаются. Соответственно увеличивается объем, занятый нормальными областями. Когда поле возрастает до величины Н _к2, называемой верхним критическим полем, сверхпроводимость полностью разрушается. Вещество переходит в нормальное состояние.

Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, с полной достоверностью подтвердили теорию Абрикосова.

Наиболее простой эксперимент, демонстрирующий образование магнитных вихрей при переходе сверхпроводника в промежуточное состояние, заключается в том, что плоская поверхность испытываемого образца покрывается ферромагнитным порошком.

Силовые линии магнитного поля пронизывают вихревые участки и выходят из образца в хех точках поверхности, которые соответствуют положениям вихревых нитей. Ферромагнитный порошок притягивается полем и скапливается в окрестностях этих точек. При этом четко просматривается треугольная решетка вихревых линий.

Что же происходит, когда через образец, содержащий вихревую структуру, пропускается электрический ток?

Известно, что магнитное поле действует на движущиеся заряды (токи) с силой Лоренца. С такой же силой ток действует и на вихревые нити, которые приходят в движение.

Вихри Абрикосова в сверхпроводнике второго рода. Покрыв поверхность сверхпроводника ферромагнитным порошком, можно наблюдать периодическую треугольную решетку вихревых нитей. Частички, порошка собираются в тех местах, где выходят силовые линии.

При этом нормальная фаза (напомним, что в области вихрей вещество находится не в сверхпроводящем состоянии) движется сквозь сверхпроводящие области. Возникает потеря энергии. Критический ток в таких сверхпроводниках второго рода, начиная с нижнего критического поля, становится равен нулю.

Можно ли остановить движение вихревых нитей?

Оказывается, для этого сверхпроводящий образец должен, например, содержать неоднородности. Вихревые нити притягиваются к таким неоднородностям и задерживаются на них.

Явление получило название – пиннинг (от английского: pinning – закрепление).

Отдельные вихреватые нити, закрепляясь на неоднородностях, взаимодействуют с другими вихревыми нитями и останавливают их движение.

С увеличением силы тока, протекающего через образец, увеличивается и сила, действующая на вихрь. Когда эта сила становится достаточной для того, чтобы преодолеть закрепление, вихревые нити приходят в движение.

В сверхпроводниках второго рода, содержащих неоднородности, образованные, например, в результате пластической деформации, критический ток относительно большой. Такие образцы получили название жестких сверхпроводников.

В современных сверхпроводящих установках преимущественно применяются жесткие сверхпроводники второго рода.

Из чистых металлов самое большое критическое магнитное поле (около 0,2 тесла) имеет ниобий. У сплава ниобий – титан или ниобий – цирконий верхнее критическое поле составляет 13 тесла, то есть величину в 65 раз большую, а критическая плотность тока достигает 500 тысяч ампер на квадратный сантиметр!

Критическая температура сплава ниобий – титан равна 10,ЗК, в то время как ни у одного из чистых металлов критическая температура не достигает 10К.

Уже получено свыше тысячи сверхпроводящих сплавов и химических соединений. Любопытно, что ни одна из составляющих, например, такого сверхпроводящего сплава, как золото – висмут, в чистом виде сверхпроводящими свойствами не обладает.

Исследователи стремятся получить сверхпроводящие металлы и сплавы с возможно высокой критической температурой и возможно большими критическим полем и критическим током.

У сверхпроводящего сплава ниобий – олово верхнее критическое поле и плотность тока вдвое больше, чем у упомянутых выше сплавов, а критическая температура равна 18,ЗК.

К сожалению, сплав ниобий – олово очень хрупкий. Намотать на катушку провод из такого сплава весьма трудно.

Поэтому сплав изготавливается чаще всего непосредственно на катушке соленоида. На нее наматываются образцы исходных материалов сплава: ниобия и оловянной бронзы. При нагревании до температуры 700 °C олово из бронзы диффундирует в ниобий. Получается искомый сплав.

Еще большее верхнее критическое поле – 35 тесла – имеет сплав ниобий – германий. Его критическая температура 23,4К до недавнего времени считалась рекордной.

Ученые и инженеры успешно освоили технологию изготовления проводов из сплавов ниобий – титан и ниобий – олово. Эти сплавы являются основными материалами для сверхпроводящих магнитных систем.

Сверхпроводящий соленоид представляет собой охлаждаемую жидким гелием катушку сверхпроводящего провода, оба конца которой замкнуты накоротко. Циркулирующий в катушке незатухающий электрический ток создает мощное магнитное поле. Сейчас уже часто используются сверхпроводящие соленоиды с магнитным полем 10 тесла.