Сверхпроводимость

Пнд, 09/09/2013 - 18:00

Рис.1. Эксперимент столетней давности

Рис. 2. Эффект Майснера-Оксенфельда

Рис. 3. У сверхпроводников при низких температурах отсутствует электрическое сопротивление и они отталкивают от себя магнитное поле. Именно на этом основан демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует над сверхпроводником

Рис. 4


В 2011 году физики во всем мире будут отмечать 100-летие открытия сверхпроводимости. Перспективы практического применения одного из самых завораживающих и загадочных явлений природы необычайно заманчивы: линии электропередачи без потерь, транспорт на магнитной подушке, компьютеры нового типа и так далее.

Эксперимент столетней давности

В 1908 году голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в Лейденском университете перевел в жидкое состояние последний из инертных газов — гелий и открыл для физиков область температур близкую к абсолютному нулю. Это позволило ученому экспериментально исследовать температурную зависимость электропроводности металлов при 0К. Проведя эксперименты на платине и золоте и не удовлетворившись полученными результатами, физик провел эксперименты с ртутью, которые показали, что сопротивление ее при 4,2К (температура кипения гелия) становится столь малым, что его не удавалось измерить имеющимися приборами. Был проведен эксперимент с более совершенным оборудованием, и 28 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил об обнаруженном им удивительном явлении — полном исчезновении электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием до температур 4,15К. В это время шла оживленная дискуссия — обращается ли в ноль или остается конечным сопротивление чистого металла в абсолютном нуле температуры. Будучи сторонником первой точки зрения, Камерлинг-Оннес с удовлетворением воспринял полученный на ртути результат, однако вскоре осознал, что обращение сопротивления в ноль при низкой температуре является совсем иным эффектом. А мировая научная общественность осознала важность и фундаментальность сделанного открытия, и уже в 1913 году Каммерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Полвека для теории

Следующим фундаментальным свойством сверхпроводящего состояния, обнаруженным в 1933 году, оказался так называемый эффект Майснера-Оксенфельда: полное “выталкивание” массивным сверхпроводником магнитного поля из своего объема.

Сущность феномена сверхпроводимости оставалась совершенно необъяснимой с точки зрения классической теории металлов, а квантовая теория в то время лишь начинала создаваться. Была предложена так называемая феноменологическая двухжидкостная модель, в которой принималось сосуществование в сверхпроводящем металле двух сортов электронов: обычных, взаимодействующих с решеткой, и особых, сверхпроводящих, с решеткой по каким-то причинам не взаимодействующих. Это позволило братьям Х. и Ф. Лондонам написать уравнения электродинамики, описывающие эффект Мейснера-Оксенфельда и некоторые другие свойства, однако микроскопическая природа сверхпроводимости оставалась загадкой.

Открытие в 1938 году П.Л. Капицей явления сверхтекучести — протекания жидкого гелия без какой-либо вязкости через сколь угодно тонкие капилляры при температуре ниже 2,18К — и последующее объяснение этого явления Л.Д. Ландау породили надежды на скорое понимание феномена сверхпроводимости. Оказалось, что при низких температурах в системе атомов гелия, являющихся квантовыми частицами с целым спином, происходит их накапливание на самом низком энергетическом уровне. Ландау показал, что при этом в энергетическом спектре возбуждений появляется характерная щель, приводящая к возможности сверхтекучего состояния. Но механически перенести ту же идеологию на сверхпроводимость не удалось.

В 1950 году был открыт так называемый изотопический эффект, который впервые указал на связь явления сверхпроводимости с кристаллической решеткой металла. При измерении критической температуры свинца обнаружилось, что она зависит от массового числа исследуемого изотопа. Чуть позже Х. Ферлих и Дж. Бардин независимо показали, что взаимодействие электронов с колебаниями решетки — фононами — может приводить к их притяжению. Это притяжение в принципе может даже эффективно превышать кулоновское отталкивание между электронами.

В 1957 году американскими учеными Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером была сформулирована теория сверхпроводимости (БКШ). Явление сверхпроводимости действительно оказалось связанным с возникновением в металлах притяжения между электронами.

Другие материалы рубрики


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.