Как работают сверхпроводники?

Содержание

1 Как сопротивление изменяется в зависимости от температуры
2 Смотри, никакого магнетизма!
3 Какие материалы обладают сверхпроводимостью?
4 Высокотемпературные сверхпроводники
5 Использование сверхпроводников
- 5.1 Магнитные приложения
- 5.2 Электрические приложения
6 Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать
7 Узнать больше
8 Рекомендации

Плавающие поезда, более быстрые компьютеры
, способные хранить больше данных, и электроэнергия
, которая попадает в ваш дом, тратя меньше энергии, —
вот лишь некоторые из преимуществ, которые обещают сверхпроводники — материалы, которые оказывают небольшое или
нулевое сопротивление электричеству.
Вы, вероятно, привыкли к мысли, что проводники (например, металлы) хорошо проводят электричество, в то время как
изоляторы (например, пластик) едва ли вообще пропускают его через себя.
Но что вы знаете о сверхпроводниках, которые
практически полностью устраняют сопротивление, если охладить их до очень низких
температур? Давайте рассмотрим их поближе!

Фото: Эффект Мейснера: этот крошечный магнит
«плавает» на сверхпроводнике, охлажденном до −196°C (−320°F).
Ниже мы более подробно объясним, как это работает. Фото предоставлено Аргоннской национальной лабораторией
и Министерством энергетики США (Flickr).

Как сопротивление изменяется в зависимости от температуры

Немного неверно делить материалы на проводники и
изоляторы. Гораздо точнее сказать, что все материалы проводят электричество
при правильных условиях, но некоторые проводят легче, чем
другие. Когда мы говорим, что металл хорошо проводит электричество, мы на самом деле имеем в виду,
что он оказывает небольшое или нулевое сопротивление, когда вы пытаетесь заставить ток течь
через него; когда мы говорим, что пластик
хорошо изолирует, мы на самом деле говорим
, что он оказывает высокое сопротивление
электрическому току. Сопротивление
часто является гораздо более полезной концепцией, чем попытка разделить материалы на
«проводники» и «изоляторы».

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу: Как работают блоки? | Как блоки увеличивают подъемную силу?

Одна из интересных вещей о сопротивлении — это то, как оно меняется при
изменении температуры. Предположим, у вас есть кусок золотой
проволоки в электрической цепи. Золото — один из лучших проводников: оно оказывает очень
малое сопротивление электричеству. Но повысьте его температуру, и оно
будет оказывать гораздо большее сопротивление. Почему? В общем, чем выше температура
, тем больше тепловых колебаний внутри кристаллической структуры золота
и тем более жесткие электроны (отрицательно заряженные частицы внутри атомов, переносящие электрический ток) найдут, через что течь. И наоборот, если вы охладите золото, вы уменьшите вибрации
и облегчите электронам движение.

Диаграмма: Сопротивление золота напрямую связано с температурой: чем оно горячее, тем больше оно сопротивляется электричеству. По мере приближения к абсолютному нулю (0К) сопротивление падает почти до нуля, что приводит нас к идее сверхпроводимости. Диаграмма построена с использованием данных, цитируемых в Resistivity of Gold,
с оригинальными данными из «Handbook of Chemistry and Physics» (75th Edition) Дэвида Р. Лида. Нью-Йорк: CRC Press, 1996–1997.

Теперь это несколько упрощенное объяснение, потому что несколько различных механизмов
вызывают сопротивление, и они становятся более (или менее) важными при
разных температурах. Например, при низких температурах примеси
и дефекты в материале вызывают большую часть сопротивления. Довольно
сложное математическое уравнение, называемое правилом Маттиссена,
позволяет вам вычислить общее сопротивление материала при любой заданной температуре,
суммируя различные эффекты. Но это гораздо больше подробностей, чем большинство
из нас хочет или должно знать. Я выжил, получив степень по физике, не
изучив правило Маттиссена, и вы почти наверняка сможете обойтись
без него.

Если сопротивление увеличивается при нагревании металлов и падает при
их охлаждении, любой
уважающий себя ученый немедленно задастся вопросом, что
произойдет, если вы действительно — и я имею в виду серьезно — охладите
металл.
Многие обдумывали это, но первым человеком, который действительно исследовал этот
вопрос в 1911 году, был голландский физик по имени
Хайке Камерлинг-Оннес
(1853–1926). Когда он охладил провод из ртути до температуры покалывания пальцев ног в -269 °C
(-452 °F или 4 К), Оннес обнаружил, что
его электрическое сопротивление внезапно исчезло. Другими словами, он
открыл сверхпроводимость. Но это был
довольно мимолетный эффект. Оннес обнаружил, что если он приложил сильное магнитное поле к своей
ртути, сверхпроводимость исчезла так же быстро, как и появилась.
[1]

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу: Как работают подводные лодки?

Смотри, никакого магнетизма!

Мы называем материалы сверхпроводниками из-за их «супер» способности
«проводить», но это, вероятно, не лучшее название, которое мы могли бы
им дать — сверхпроводимость — не единственное их особое свойство.
После удивительного открытия Оннеса прошло еще около 20 лет, прежде чем
два немецких физика, Карл Мейсснер и Роберт Оксенфельд,
обнаружили, что у сверхпроводников есть еще один удивительный трюк в рукаве.

Сверхпроводник диамагнитен: он не позволяет магнетизму проникать
внутрь себя. Как это работает? Поместите сверхпроводник в магнитное
поле, и вы заставите электрические токи течь по его поверхности.
Эти токи создают магнитное поле, которое в точности нейтрализует
исходное поле, пытающееся проникнуть внутрь сверхпроводника и отталкивающее магнитное поле снаружи.
Это известно как эффект Мейснера, и он объясняет, как можно заставить магнит
левитировать (парить) над сверхпроводником.

Анимация: Эффект Мейснера (также называемый эффектом Мейснера-Оксенфельда). Вы можете заставить
магнит (светло-серый, вверху) плавать и даже вращаться над охлажденным сверхпроводником (темно-серый, внизу). Сверхпроводник «отводит» (исключает) магнитное поле (красное) от магнита, поэтому он левитирует в воздухе.

Фото: Эффект Мейснера в действии. Фото предоставлено Жюльеном Боброффом,
Фредериком Буке, Джеффри Куиллиамом, LPS, Орсе, Франция, опубликовано на Wikimedia Commons по лицензии Creative Commons (CC BY-SA 3.0).

Какие материалы обладают сверхпроводимостью?

Не все материалы демонстрируют сверхпроводимость. Помимо ртути, изначального
сверхпроводника, этот эффект можно обнаружить примерно в 30 элементах (в основном металлах,
полуметаллах или полупроводниках) при атмосферном давлении, хотя он также был обнаружен в
других элементах при более высоких давлениях и в тысячах соединений и сплавов.
[2]

Каждый отдельный материал становится сверхпроводником при немного отличающейся температуре (известной как его
критическая температура или Tc). Проблема с большинством этих материалов
в том, что они сверхпроводят только в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля
(самая низкая теоретически возможная температура: −273,15 °C,
−459,67 °F или 0 K). Это означает, что какую бы выгоду вы ни получили от отсутствия у них
сопротивления, вы, вероятно, потеряете из-за необходимости охлаждать их в
первую очередь. Идея электростанции
, которая поставляет электричество в ваш
дом по сверхпроводящим проводам, звучит блестяще: это сэкономит огромное
количество энергии. Но если бы вам пришлось охлаждать большие части станции
и все провода передачи до абсолютного нуля, вы, вероятно,
потратили бы на это гораздо больше энергии, чем вы когда-либо сэкономили бы, не имея сопротивления
в кабелях. Во многом именно поэтому сверхпроводники до сих пор не оказали действительно большого влияния на
мир, несмотря на то, что были открыты почти столетие назад.

Высокотемпературные сверхпроводники

В течение многих лет ученые предполагали, что сверхпроводимость может происходить только при очень низких
температурах. Затем, в 1986 году, два европейских ученых, работавших в IBM,
немецкий физик Й. Георг Беднорц (1950–) и швейцарский физик
К. Алекс Мюллер (1927–), открыли керамический купрат (материал, содержащий
медь и кислород), который мог стать сверхпроводником при гораздо более высоких
температурах (−238°C, −396°F или 35K).

С тех пор другие ученые обнаружили материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость при еще более высоких
температурах, и в настоящее время рекорд принадлежит материалу под названием
оксид ртути, таллия, бария, кальция и меди
(Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O125),
который обладает сверхпроводимостью при температуре -135 °C (-211 °F или 138 К) и был
запатентован
корейскими учеными в 1996 году.

Открытие так называемых высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)
невероятно продвинуло исследования. Первоначальным сверхпроводникам требовались температуры в пределах
абсолютного нуля, а достичь их можно только путем охлаждения
материалов с помощью дорогостоящего охлаждающего газа, такого как жидкий гелий. Но
высокотемпературные сверхпроводники (это относительно высокие,
а не абсолютно высокие — помните, что мы все еще находимся примерно при минус 200 по Цельсию и
минус 300 по Фаренгейту!) можно охлаждать с помощью жидкого азота, который
примерно в 10 раз дешевле в производстве. Множество приложений, которые
не были экономически выгодными, внезапно стали намного более практичными, когда
были открыты высокотемпературные сверхпроводники.

Фото: Вы превращаете материалы в сверхпроводники, охлаждая их до чрезвычайно низких температур. Даже так называемые «высокотемпературные» сверхпроводники работают при очень низких температурах по обычным, повседневным стандартам.
На этой фотографии ученый НАСА выливает немного сверххолодного жидкого азота,
который кипит при температуре около −200 °C (77 К и −321 °F). Высокотемпературные сверхпроводники — это те, которые сверхпроводят выше этой очень холодной температуры! Фото Тома Чиды предоставлено НАСА.

Совсем недавно ученые совершили еще один рывок вперед, открыв
материалы, которые
сверхпроводят при обычных температурах, но есть
еще одна неловкая загвоздка: это происходит только при чрезвычайно высоких давлениях (примерно в 1–2 миллиона раз больше
атмосферного давления). Текущий рекорд в −23°C (−10°F или 250K)
принадлежит супергидриду лантана LaH10
и был достигнут в 2019 году.
Теперь задача состоит в том, чтобы найти материалы, которые сверхпроводят
при обычных температурах и давлениях.

Использование сверхпроводников

Сверхпроводимость звучит круто, простите за каламбур, но разве это не что-то большее, чем просто изящный
трюк на вечеринке физиков? Да, и по той простой причине, что большая часть
того, что заставляет наш современный мир вращаться, является либо электрическим,
либо магнитным, либо и тем, и другим, — и сверхпроводимость может, по
крайней мере теоретически, заставить практически любое электромагнитное устройство работать более эффективно.
За исключением нагревательных элементов, которые используют сопротивление провода
для превращения электрической энергии в тепло, большинство электрических вещей не получают
никакой выгоды от сопротивления. Оно нагревает компьютеры и замедляет их работу,
разряжает батареи, пережигает лампы, изнашивает электродвигатели
раньше времени и, в общем и целом, является одной из главных причин, по которым
наши счета за электроэнергию выше, чем должны быть. К счастью,
сверхпроводники начинают менять ситуацию к лучшему, хотя и
крайне медленно. Неудивительно, что низкотемпературные
сверхпроводники (НТС) в настоящее время используются гораздо чаще, чем
высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), просто потому, что они существуют
дольше, лучше изучены и (по разным причинам) их обычно
легче использовать на практике. Однако в будущем, когда ученые
найдут способ достижения сверхпроводимости при более высоких температурах
в более широком диапазоне материалов, ВТСП, вероятно, станет
все более захватывающей и прибыльной технологией. Но хватит
о завтрашнем дне — что происходит сегодня?

Фото: NASA изучает магнитные механизмы, использующие высокотемпературные сверхпроводники как способ снижения массы оборудования космических аппаратов. Фотография микрополосковой ВТСП
предоставлена Исследовательским центром Гленна NASA.

Магнитные приложения

Наиболее распространенное практическое применение сверхпроводников в настоящее
время — это сканеры тела, основанные на хитрой части науки под названием
ЯМР (ядерный магнитный резонанс). Когда мы направляем интенсивное магнитное
поле на атом, мы можем заставить его ядро резонировать (колебаться) и
испускать радиоволны, точно так же, как бокал для вина вибрирует и «поет»,
если вы поете рядом с ним на правильной частоте. В сканере тела
сверхпроводящие магниты создают мощное магнитное поле, которое
заставляет атомы внутри тела пациента испускать радиоволны. Когда
сканер вращается, он улавливает эти волны и превращает их в
изображение того, что происходит внутри тела пациента, во многом так же, как
радиотелескоп улавливает узоры радиоволн, чтобы нарисовать изображения
далеких галактик. Это называется магнитно-резонансной томографией (МРТ), и
в настоящее время она использует низкотемпературные сверхпроводники.

Иллюстрация: Как работает сканер МРТ. Пациент лежит на платформе (1), которая движется
в огромное кольцо, содержащее сканирующее оборудование. Сканер (2) излучает энергию в его
тело, заставляя атомы внутри него вибрировать и испускать радиоволны. Они улавливаются
сканером и преобразуются в изображение на экране компьютера (3).

Благодаря огромному мировому интересу к
Большому адронному
коллайдеру (БАК) ЦЕРНа сверхпроводящие магниты теперь хорошо известны своей
ролью в ускорителях частиц. Если заряженные частицы (например, кусочки
атомов) движутся через магнитное поле, они изгибаются по кривой. Мы
можем использовать это, чтобы разогнать их до невероятно высоких скоростей и
энергий, поэтому, когда они сталкиваются, они разбиваются и генерируют новые
частицы, которые помогают выявить более глубокие структуры, из которых
построены атомы. БАК, например, использует более 1000 магнитов, изготовленных из
сплава ниобия и титана (Nb-Ti), охлажденного почти до абсолютного нуля (также
типы низкотемпературных сверхпроводников). Магнитное поле, которое они
создают, измеряется 8,3 Т (тесла), что более чем в 100 000 раз больше
магнитного поля Земли.

Инженеры обещали нам парящие поезда, использующие магнитную
левитацию («маглев»), по крайней мере, с 1960-х годов. Одна из причин, по которой
они до сих пор не взлетели (в прямом и переносном смысле), заключается в том, что
создавать обычные электромагниты, которые могут
поднять поезд в воздух, дорого и сложно. Несмотря на ревностные исследования,
технология маглева пока что почти не оказала никакого влияния на железнодорожные перевозки. Исключением
является японская система SCMaglev, которая использует сверхпроводящие
магниты для плавания поездов и разгона их до 603 км/ч (375
миль/ч). Подробнее об этом можно прочитать в нашей основной статье о
линейных двигателях (включая врезку о маглеве).

Произведение искусства: Традиционные поезда (вверху) едут по рельсам на колесах; поезда на магнитной подвеске (внизу) парят над рельсами на магнитном поле (красном), создаваемом сверхпроводящими магнитами. Технология магнитной подвески была бы гораздо более практичной, если бы сверхпроводники работали при более высоких температурах.

Электрические приложения

Сопротивление, конечно, имеет свои преимущества, но когда дело доходит до производства,
транспортировки и использования электроэнергии, оно становится настоящим врагом: это
одна из причин, по которой всего лишь 20 процентов энергии в топливе, таком как
нефть или уголь, сжигаемом на электростанции, на самом деле делает полезные вещи
внутри вашего дома. Сопротивление объясняет, почему электричество должно передаваться
по линиям электропередач при таком высоком напряжении, что делает передачу
намного более сложной и опасной, чем она была бы в противном случае.
Все это может измениться. Основная технология, которую мы используем
для производства электроэнергии, практически такая же, как и со
времен Эдисона и Теслы в конце 19 века, но коммунальные
компании теперь экспериментируют как с низкотемпературными, так и с высокотемпературными
сверхпроводниками, чтобы создавать генераторы, линии электропередач, трансформаторы
и устройства для хранения энергии, такие как маховики, которые тратят значительно меньше энергии.

И не только генераторы и линии электропередач получат выгоду.
Электронные устройства используют гораздо меньшее количество электроэнергии, что
можно описать как более «вдумчивый» способ. Поток
электронов не предназначен для переноса энергии как таковой; скорее, он
управляет вещами, синхронизирует другие вещи, принимает решения или хранит
информацию. Здесь также сверхпроводники имеют свое применение.
Например, разработчики компьютеров давно экспериментируют с устройствами,
называемыми
джозефсоновскими переходами, основанными на эффекте, открытом в 1962 году физиком
Брайаном
Джозефсоном, где электроны «туннелируют» из одного
сверхпроводящего материала в другой через тонкий барьер, сделанный из
материала, который не является сверхпроводящим. Джозефсоновские переходы использовались
для создания сверхбыстрых логических вентилей и чрезвычайно чувствительных
детекторов магнетизма, называемых СКВИДами (сверхпроводящие квантовые интерференционные
устройства), которые находят свое применение во всех видах вещей, от
усовершенствованных сканеров мозга МРТ до сверхчувствительных подводных детекторов.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

Нагревать
Металлы
Холодильники

На других сайтах

Нобелевская премия по физике 1972 года: узнайте, как Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер получили премию «за совместно разработанную ими теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ».
Абсолютный ноль: у PBS Nova есть отличный сайт о стремлении достичь сверхнизких температур.

Книги

Научно-популярная

100 лет сверхпроводимости Хорста Рогаллы и Питера Х. Кеса (редакторы). CRC Press, 2011.
«Абсолютный ноль и покорение холода» Тома Шахтмана. Houghton Mifflin Harcourt, 2000.
Почему вещи таковы, каковы они есть, Б. С. Чандрасекар. Cambridge University Press, 1998. Глава XII «Сверхпроводники», стр. 216, дает гораздо более подробное (но все еще относительно доступное) объяснение физики сверхпроводимости, включая куперовские пары и эффект Джозефсона. Хорошее место, куда можно перейти после прочтения моей статьи.
Путь без сопротивления: история революции в сверхпроводимости Б. Шехтера. Саймон и Шустер, 1989.

Для младших школьников

Сверхпроводимость Виталия Лазаревича Гинзбурга и Е. А. Андрюшина.
World Scientific, 2004. Хороший вводный текст для школьников и студентов, а также для взрослых читателей с некоторой научной подготовкой.

Академические книги

Сверхпроводимость: Введение Райнхольда Кляйнера и Вернера Букеля. Wiley-VCH, 2016. (Предыдущие издания назывались «Сверхпроводимость: основы и приложения».)
Сверхпроводимость К. Х. Беннеманна. Springer, 2008. Полное двухтомное руководство с акцентом на высокотемпературные сверхпроводники.

Статьи

Новое исследование подтверждает заявление Кеннета Чанга о сверхпроводнике при комнатной температуре. The New York Times, 23 июня 2023 г. Ученые обсуждают, предлагает ли материал из лютеция-водорода-азота заманчивую перспективу сверхпроводимости при гораздо более высоких температурах.
Квантовая микроскопия проливает свет на высокотемпературную сверхпроводимость Изабель Дюме. Physics World, 9 ноября 2022 г. Как электроны объединяются в пары, чтобы уменьшить сопротивление? Микроскописты думают, что нашли ответ.
Сверхпроводники: материал вселяет надежду на энергетическую революцию Пола Ринкона. BBC News, 16 октября 2020 г. Ученые обнаружили сверхпроводимость при более высоких температурах, но только при высоких давлениях.
Квантовая запутанность встречается со сверхпроводимостью в новом эксперименте Марка Андерсона. IEEE Spectrum, 27 января 2020 г.
Какова связь между квантовой запутанностью и квантовой критичностью? Изучение этой связи может привести к интересному прогрессу в квантовых вычислениях и поиску более практичных сверхпроводников.
Инструмент раскрывает механизм, лежащий в основе высокотемпературной сверхпроводимости Декстера Джонсона. IEEE Spectrum, 6 июля 2017 г. Ученые Стэнфорда исследуют, может ли их новое понимание атомных колебаний привести к созданию сверхпроводников с более высокими температурами — возможно, даже когда-нибудь, при обычной комнатной температуре.
Физика. Нобелевская работа ведет к улучшению сверхпроводников Эндрю Сильвера. IEEE Spectrum, 7 октября 2016 г. Исследования, удостоенные Нобелевской премии, помогают пролить свет на высокотемпературную сверхпроводимость.
«Первый век сверхпроводимости» Прадипа Халдара и Пьера Абетти. IEEE Spectrum, 28 февраля 2011 г. Как сверхпроводимость произвела революцию в медицинской визуализации.
Замороженная шайба зависла над дорожкой с помощью «квантовой левитации»: Wired, 18 октября 2011 г. Впечатляющая новая демонстрация эффекта Мейснера физиками Тель-Авивского университета.
Сверхпроводники смотрят в будущее: LBL News, 10 сентября 2010 г. Рассматривается, как были разработаны сверхпроводящие магниты для Большого адронного коллайдера (LHC).
«Огромный потенциал» сверхпроводников: BBC News, 9 июля 2010 г. Аудиоинтервью с профессором Дэвидом Кардуэллом из Кембриджского университета описывает новое поколение высокотемпературных сверхпроводников, которые могут создавать гораздо более сильные магнитные поля.
Возвращение к расцвету физики Полом Грантом. BBC News, 5 марта 2007 г. Воспоминания о волнении среди физического сообщества после открытия высокотемпературной сверхпроводимости в 1980-х годах.
Оправдывая ажиотаж: Сверхпроводники: NASA Science News, 5 февраля 2003 г. Объясняет, как исследования NASA раскрывают удивительный потенциал высокотемпературных сверхпроводников.
«Они — головоломка, но они работают» Кенета Чанга. The New York Times, 29 мая 2001 г. Почему так сложно объяснить высокотемпературную сверхпроводимость?
Из морозильника в огонь Майкла Ганна и Джоанны Портер. New Scientist, 23 июня 1988 г. Простое объяснение высокотемпературных сверхпроводников с момента их открытия.
Сверхпроводники: ученые приветствуют новейшие материалы Джеймса Глика. The New York Times, 8 марта 1988 г. Эта старая статья из архива NYT передает волнение, которое испытал научный мир, когда в середине/конце 1980-х годов впервые были обнаружены высокотемпературные сверхпроводники.