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.


Рис. 5. Визуализация силовых линий магнитного поля (а) вблизи тонкой пластины с размагничивающим фактором D=0 и (b) вблизи шара с D=1/3. Магнитное поле на экваторе шара в полтора раза больше внешнего

Рис. 6. Схема проникновения магнитного поля в тонкую пластину (D = 1) и последующего формирования промежуточного состояния в сверхпроводнике 1-го рода. В отличие от сверхпроводника 2-го рода нормальные области обладают макроскопическими размерами DN и содержат много флюксоидов — квантов магнитного потока внешнего поля

Природа этого притяжения носит сугубо квантовый характер. Спаривание возникает не между самими электронами, а между низкоэнергетическими возбуждениями в этой системе — квазичастицами. Они имеют тот же заряд, что и электрон, и некоторую эффективную массу, однако в металлической фазе их энергии могут быть сколь угодно малыми. Притяжение приводит к перестройке этого спектра и к “открытию” в нем так необходимой для выполнения критерия сверхтекучести энергетической щели Ландау. В качестве нестрогой аналогии можно привести пример двух резиновых шариков, лежащих на резиновом коврике. Если эти шарики далеки друг от друга, то каждый из них деформирует коврик, образуя вокруг себя лунку. Если же положить сначала один шарик, а затем невдалеке от него другой, то их лунки сольются в одну и шарики скатятся вместе на дно общей лунки. Часть квазичастиц (обычно, после введения в теорию, их снова называют электронами) при достаточно низких температурах как бы объединяются в связанные куперовские (по имени их первооткрывателя) пары, которые, пребывая в особом, квантовом состоянии, переносят электрический ток без потерь энергии. Размеры таких пар в атомном масштабе весьма велики — они могут достигать сотен и тысяч межатомных расстояний. Поэтому следует представлять их не как два электрона, связанных друг с другом наподобие двойной звезды, а, скорее, как двух партнеров, пришедших вместе в дискотеку, но танцующих, может быть, в разных концах зала, когда их разделяют десятки других танцоров. Это образное сравнение принадлежит одному из создателей теории сверхпроводимости Дж. Шрифферу. Таким образом, сверхпроводимость — не что иное, как макроскопическое квантовое явление.

В 1972 году мировое научное сообщество признало в качестве теории сверхпроводимости теорию, построенную Бардиным, Купером и Шриффером, присудив им Нобелевскую премию.

Главные характеристики

Когда говорят о сверхпроводнике, в первую очередь интересуются его критической температурой Тс — температурой перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Однако для сверхпроводника не менее важны следующие характеристики: λ0 — глубина проникновения магнитного поля; ξ0 — длина когерентности и Δ0 — энергетическая щель. Значения этих параметров берутся при абсолютном нуле температур и они имеют следующее физическое содержание.

Сверхпроводимость — это не только нулевое электрическое сопротивление материала, но и его идеальный диамагнетизм, выражающийся в эффекте Мейснера-Оксенфельда: сверхпроводник не пропускает внутрь себя внешнее магнитное поле, экранируя его токами в очень тонком приповерхностном слое. Глубина этого слоя при Т=0К обозначается как λ0. И хотя поле все же проникает в сверхпроводящий материал, оно очень быстро, экспоненциальным образом, в нем затухает, так что на глубине более λ0 от поверхности сверхпроводник уже можно считать идеальным диамагнетиком. Параметр λ0 часто называют лондоновской глубиной проникновения магнитного поля по имени братьев Х. и Ф. Лондонов, математически описавших эффект Мейснера-Оксенфельда.

Сверхпроводник представляет собой “резервуар” коллективизированных электронов проводимости, объединенных в куперовские пары и текущих без трения как единое целое сквозь кристаллическую решетку материала. Грубо говоря, расстояние между электронами в такой паре и есть длина когерентности ξ. Она, как и лондоновская глубина проникновения, зависит от температуры: с возрастанием температуры расстояние между электронами в куперовской паре увеличивается. При приближении температуры к критической это расстояние стремится к бесконечности, что означает температурное разрушение куперовской пары, а в макроскопическом масштабе — переход материала в нормальное (не сверхпроводящее) состояние.

Разрушить куперовскую пару можно не только путем повышения температуры, но и прикладывая к ней энергию — например, облучая инфракрасным светом. Энергия связи такой пары электронов (при нулевой температуре) равна 2Δ0 — удвоенное значение энергетической щели. С ростом температуры Δ (уже без индекса 0) уменьшается — до нуля по достижении Тс.

Температурный марафон

В соответствии с теорией БКШ наибольшая возможная температура сверхпроводимости не может превышать 30К, а такие температуры хотя и выше температуры кипения гелия, все равно представляют собой серьезное препятствие на пути столь заманчивого практического применения сверхпроводимости.


Рис. 7. Проникновение магнитного поля в сверхпроводник II рода происходит в виде квантовых “ниток” — абрикосовских вихрей, несущих один флюксоид. Отталкиваясь друг от друга, эти мезоскопические образования формируют в сверхпроводнике II рода треугольную вихревую решетку

Рис. 8. Треугольная вихревая решетка в монокристалле MgB2, находящемся во внешнем магнитном поле напряженностью 4 эрстеда (соответствует индукции 0,0004 Тл)

Физики с азартом включились в борьбу “за градусы” и разработку технических приложений сверхпроводимости, в результате чего были достигнуты выдающиеся успехи, например, появилось совершенно новое и перспективное для микроэлектроники направление — сверхпроводниковые электронные приборы со слабой связью (сквиды). В 1964 году физиками Литтлом и Гинзбургом были высказаны такие идеи: раз ограничением возможности повышения критической температуры является сама природа фононного механизма сверхпроводимости, то следует каким-то способом изменить это механизм притяжения электронов, т.е. заставить электроны образовывать куперовские пары с помощью не фононного, а какого-то другого притяжения.
Лучшим результатом этих поисков стал сплав с критической температурой 23,2К — рекорд был достигнут в 1973 году и продержался долгих тринадцать лет, вплоть до 1986 года критическую температуру не удалось повысить ни на один градус.

Бомба взорвалась в 1986 году. Редакция престижного журнала “Physical Review Letters” до сих пор кусает локти, сожалея о том, что она отвергла статью мало кому известных сотрудников швейцарского отделения фирмы IBM И.Г.Беднорца и К.А.Мюллера, которые утверждали, что керамический диэлектрик La-Ba-Cu-O является сверхпроводником, и не просто сверхпроводником, а еще и с “запредельной” температурой перехода Тс=35К! Статью авторы переадресовали в менее престижный “Zeitschrift fur Physik” — и она вышла в свет в октябре 1986 года. Нобелевская премия за открытие высокотемпературной сверхпроводимости была присуждена Беднорцу и Мюллеру уже в 1987 году — это самый короткий срок от открытия до его нобелевского увенчания!

В начале 1987 года весь мир охватила лихорадка поиска, в результате которой сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных сверхпроводников. Критическая температура быстро повышалась: для соединения La-Sr-Cu-O она составила уже 45К, для La-Ba-Cu-O поднялась до 52К и, наконец, в феврале 1987 года, когда американец Пол Чу догадался сымитировать действие внешнего давления заменой атомов лантана соседними по столбцу таблицы Менделеева, но меньшими по размеру атомами иридия Y. Критическая температура синтезированного соединения YBa2Cu3O7 перевалила через заветный “азотный рубеж”, достигнув 93К. Это был долгожданный триумф, однако еще не конец истории.

Сегодня, когда сверхпроводящий бум действительно разразился и даже уже успел несколько угаснуть, а исследования высокотемпературных сверхпроводников ведутся в сотнях лабораторий, почти каждая из тысяч статей, посвященных исследованию нового явления, начинается со ссылки на эту знаменитую теперь публикацию Беднорца и Мюллера. Сегодняшний мировой рекорд температур, как сообщает сайт http: //www.superconductors.org, равен 233К и он получен на материале с химической формулой Tl5Ba4Ca2Cu9Ox. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых сверхпроводников с Тс выше комнатной температуры.

Два основных рода

В соответствии с поведением сверхпроводников в магнитном поле их стали делить на сверхпроводники первого и второго рода.

Внешнее магнитное поле, индукция которого не превышает критического значения Вс, не проникает в сверхпроводник первого рода, оставляя вещество сверхпроводящим. Когда В достигает Bc, силовые линии пронизывают сверхпроводник, переводя его в нормальное состояние.


Рис. 9. Изображения вихревых структур в сверхпроводниках при
T= 4,2 K (температура жидкого гелия) во внешнем магнитном поле напряженностью 1 эрстед (соответствует индукции 0,0001 Тл). Вихри в монокристалле MgB2 (a) распределены неравномерно, тогда как в монокристалле NbSe2 (b) они образуют абрикосовскую треугольную решетку. Длина масштабной линейки 10 мкм

Однако такая картина перехода вещества из сверхпроводящего в нормальное состояние несколько идеализирована. Она будет наблюдаться, только если в нашем распоряжении находится тонкая пластина или длинный цилиндр, а внешнее поле прикладывается параллельно их осям (на рисунке 5а). В реальности образец не всегда пластина или цилиндр, да и магнитное поле может прикладываться “неправильно”. Например, на рисунке 5b видно, что плотность силовых линий у экватора шара больше, чем у полюсов, а это означает, что и поле там сильнее. Поэтому может случиться так, что значение В внешнего поля будет несколько меньше Вс, но за счет локального уплотнения силовых линий вблизи экватора индукция превысит критическое значение и сверхпроводимость исчезнет, в результате чего в экваториальной области шара образуется резистивный участок.

Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности).

Проникновение магнитного поля в сверхпроводник происходит в виде вихревых “ниток” (рис. 6). Каждая такая нитка имеет вытянутое вдоль направления магнитного поля нормальное (т. е. не сверхпроводящее) ядро цилиндрической формы с диаметром порядка длины когерентности ξ. Через это ядро проходит магнитное поле, поэтому вокруг него возникает кольцо незатухающих вихревых токов (с шириной, приблизительно равной лондоновской глубине λ). Одна вихревая нитка в сверхпроводнике 1-го рода может включать большое количество флюксоидов — квантов магнитного потока, каждый из которых несет в себе поток Φ0 = 2,068•10–15 Вб. Вихри притягиваются друг к другу, и чем меньше расстояние между ними, тем сильнее притяжение. За счет этого они “слипаются”, образуя нормальные домены (как показано на рисунке) макроскопических размеров и не обязательно цилиндрической формы.

Понятие сверхпроводников II рода ввел физик А.А. Абрикосов еще в 1950 г., а в 2003 г. совместно с В.Л. Гинзбургом и Э. Леггетом он получил Нобелевскую премию “За создание теории сверхпроводимости второго рода и теории сверхтекучести жидкого гелия-3”. Эти сверхпроводники характеризуются наличием так называемого смешанного состояния (или шубниковской фазы), в котором внутри сверхпроводника имеется частично проникшее в него магнитное поле. В сверхпроводники 2-го рода магнитное поле также проникает в виде вихревых “ниток”. Но есть существенные отличия от сверхпроводников 1-го рода. Первое: каждый вихрь несет в себе только один флюксоид (см. рис. 7) . Второе: вихри отталкиваются друг от друга (чем ближе, тем сильнее), образуя т. н. вихревую треугольную решетку, которую еще называют абрикосовской (соответственно, и вихри получили название абрикосовских). И третье: у сверхпроводников 2-го рода критических значений индукции внешнего поля два. Проникновение вихрей происходит тогда, когда значение индукции магнитного поля заключено в диапазоне (1–D)Вc1 < В < Вc2.

При В = Вc1(1–D) вихри начинают проникать в материал, а когда В достигает второй критической величины, Вc2 (которая может быть во много раз больше, чем Вc1), они полностью заполняют сверхпроводник, переводя его в нормальное состояние. Важно понимать, что, несмотря на наличие абрикосовских вихрей, в интервале (1–D)Вc1 < В < Вc2 вещество по-прежнему сверхпроводящее, хоть и содержит нормальные области. Такое состояние сверхпроводника 2-го рода называется смешанным.

“Полуторный” род

В 2001 году была открыта сверхпроводимость в дибориде магния, характеризующаяся аномально высокой критической температурой — около 39 К. Как выяснилось, в MgB2 существует сразу два “сорта” куперовских пар (и, соответственно, две энергетические щели), которые взаимодействуют между собой и за счет этого создают столь высокую критическую температуру.

Каждой из двух энергетических щелей Δ1 и Δ2 соответствует своя длина когерентности ξ1, ξ2 и лондоновская глубина проникновения λ1, λ2. Если применить критерий Абрикосова для MgB2, то получится, что для первой щели κ = λ11 ≈ 0,66 < 1/√2, а для второй — κ = λ22 ≈ 3,68 > 1/√2. Получается, что в дибориде магния одновременно “живут” две сверхпроводимости — первого и второго рода.

Поскольку сверхпроводники 1-го и 2-го рода различаются характером проникновения магнитного поля в вещество, хорошо было бы узнать, каким образом поглощает магнитное поле двухзонный сверхпроводник с куперовскими парами обоих родов. И вот здесь все оказалось не вполне однозначным.


Рис. 10. Распределение расстояний между соседними вихрями (а) для NbSe2 и MgB2, полученное в ходе эксперимента в магнитном поле напряженностью 1 эрстед (индукция 0,0001 Тл) и (b) полученное численным моделированием для гипотетических сверхпроводников второго и «полуторного» рода. На обоих графиках — и экспериментальном, и теоретическом — кривая распределения для сверхпроводника II рода имеет один пик (однородное гауссово распределение), а для сверхпроводника 1,5 рода — три пика, показанные стрелками

Рис. 11

В 2003 году в журнале “Physical Review B” появилась статья ученых из России, Швейцарии и США “Vortex structure in MgB2 single crystals observed by the Bitter decoration technique”, в которой они сообщали о наблюдении абрикосовской решетки в чистом монокристалле MgB2 в слабом магнитном поле. Эксперимент показал, что диборид магния, несмотря на наличие в нем двух энергетических щелей, можно отнести к сверхпроводникам второго рода. Результат подтверждался снимком треугольной вихревой решетки. Вихри распределены равномерно — что, по мнению исследователей, доказывает факт наличия в MgB2 сверхпроводимости второго рода.

Однако недавно группа исследователей из Бельгии и Швейцарии опубликовала в Архиве препринтов результаты своего эксперимента под говорящим заголовком “Сверхпроводники 1,5-го рода” (Type-1.5 Superconductors). Во внешнем магнитном поле напряженностью 1 эрстед (в 4 раза слабее, чем в эксперименте 2003 года) они получили для сверхпроводящего чистого монокристалла диборида магния необычную картину вихревой решетки — с неравномерным распределением вихрей (на рисунке 9а). Эта нерегулярность связана с тем, что, как предсказывает теория, взаимодействие магнитных вихрей должно напоминать поведение межмолекулярных сил: на близких расстояниях вихревые структуры отталкиваются, на далеких — начинают притягиваться. Такое поведение вихрей авторы статьи считают главной особенностью сверхпроводимости “полуторного” рода.

Чтобы не быть голословными, ученые количественно оценили обнаруженную неоднородность. Они применили для экспериментальных снимков, визуализирующих вихревые решетки диборида магния и диселенида ниобия NbSe2 (сверхпроводник 2-го рода), триангуляцию Делоне и рассчитали распределение расстояний между соседними вихрями (результаты см. на рис. 10а). На рисунке 10b — аналогичные данные, полученные в результате численного моделирования на основе теоретических расчетов для сверхпроводников второго и “полуторного” рода.

Очень похожие кривые распределения получаются, если провести теоретический расчет вихревой структуры для обычного однозонного сверхпроводника 2-го рода и для двухзонной сверхпроводимости — иными словами, для сверхпроводника 1,5 рода (рис. 10b). Здесь “однопиковая”, т.е. однородная структура вихревой решетки для сверхпроводника второго рода и “трехпиковая”, а значит, неоднородная, — для сверхпроводника 1,5 рода. Сравнивая рисунки 10a и 10b, нетрудно заметить хорошее согласие между экспериментальными и теоретическими данными.

Поле напряженностью 1 эрстед (с индукцией 0,0001 тесла) — очень слабое. Дальнейшее увеличение напряженности, как показали эксперименты с MgB2 во внешнем поле 5 эрстед, радикально меняет вихревую решетку сверхпроводника полуторного рода: полосы с высокой и низкой плотностью вихрей чередуются (как белые и черные полоски у зебры). Если же поле увеличить до 10 эрстед, то различия в вихревых решетках между диборидом магния и диселенидом ниобия исчезают: вихри распределяются равномерно. В этом нет ничего удивительного — такое поведение сверхпроводника 1,5 рода теория также предсказывает.

По мнению ученых, “паутинную” вихревую решетку можно будет наблюдать и у других двухзонных сверхпроводников — в частности, недавно открытых сверхпроводящих соединений на основе железа, например Ba0,6K0,4Fe2As2.

Задачи будущего

Хотя в понимании свойств высокотемпературных сверхпроводников за последние годы достигнут значительный прогресс, природа самой высокотемпературной сверхпроводимости остается загадкой. Существует по крайней мере двадцать противоречащих друг другу теорий, претендующих на объяснение высокотемпературной сверхпроводимости, в то время как нужна одна, единственно правильная. Так, ряд физиков полагают, что куперовские пары в этих сверхпроводниках образуются за счет своего рода магнитного флуктуационного взаимодействия. Указанием на это служит тот факт, что в кристаллах YBa2Cu3O6+х с содержанием кислорода меньше номинального (х=1) падает критическая температура и концентрация свободных электронов. При х меньше 0,4 мы уже имеем дело с диэлектриком, в котором, однако, при достаточно низких температурах наблюдается магнитное упорядочение атомов меди. Магнитные моменты соседних атомов меди оказываются сориентированными антипараллельно, и результирующая намагниченность кристалла остается равной нулю. Такого рода магнитный порядок хорошо известен в физике магнетизма и называется антиферромагнитным (см. левую кривую на рисунке 11, где TN — так называемая температура Нееля, т.е. температура перехода в антиферромагнитное состояние).

Можно было бы подумать, что и в сверхпроводящей фазе атомы меди сохраняют флуктуирующий магнитный момент, который и ответственен в конечном счете за возникновение сверхпроводящего притяжения между электронами. Такого рода механизм связан с особыми свойствами атомов меди, которые могут пребывать в магнитном или немагнитном состоянии в зависимости от их валентности. Тот факт, что во всех высокотемпературных сверхпроводниках присутствуют слои Cu-O, казалось бы, является аргументом в пользу данной теории. Однако уже известно, что признаки сверхпроводимости имеют место при температуре 90 К в соединении W3ONa0,05, где атомов меди нет. В других теориях физики пытаются обобщить тем или иным образом классическую теорию сверхпроводимости, пересматривают сами основы теории металлического состояния, “скрещивают” сверхпроводимость с антиферромагнетизмом в пространстве высшего числа измерений, разделяют спин и заряд носителей, заготавливают куперовские пары загодя, еще выше критической температуры, а также предпринимают иные попытки объяснить необычные свойства высокотемпературных сверхпроводников единым образом. Вызов, брошенный природой, остается без ответа, правильная теория еще не сформулирована.

Отсутствие теоретического объяснения явления высокотемпературной сверхпроводимости, конечно, не останавливает поисков практических применений этих материалов. Основная трудность на этом пути заключается в “плохой технологичности” имеющихся высокотемпературных сверхпроводников: они оказались весьма хрупкими и непригодными для важнейшего технологического процесса обработки металлов — прокатки. Однако уже сейчас ряд кампаний поставляют на мировой рынок кабели из высокотемпературных сверхпроводников длиной в несколько километров. Их изготавливают, наполняя трубку из серебра или другого хорошего металла порошком высокотемпературного сверхпроводника, а затем прокатывая и отжигая ее. Сейчас в США и во Франции уже функционирует ряд опытных линий передач электроэнергии по подземному кабелю из высокотемпературных сверхпроводников. Созданы также первые моторы и генераторы на базе высокотемпературных сверхпроводников. Нет сомнения, что сфера применения этих материалов будет расширяться. И можно надеяться на открытие более совершенных высокотемпературных сверхпроводников.

А перспективы новых технологий поистине фантастичны. На повестку дня ставятся многие из предложенных ранее глобальных проектов — высокотемпературные сверхпроводники делают их рентабельными. Так, сейчас в линиях электропередачи теряется 20-30% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Применение высокотемпературных сверхпроводников для передачи электроэнергии сможет полностью эти потери исключить. Все проекты термоядерного синтеза базируются на использовании гигантских сверхпроводящих магнитов для удержания высокотемпературной плазмы от касания стенок камеры. Для поддержания их в сверхпроводящем состоянии расходуется если не реки, то ручьи жидкого гелия. В недалеком будущем их можно будет перевести на азотное охлаждение. Огромные сверхпроводящие катушки смогут служить накопителями электроэнергии, снимающими пиковые нагрузки в потреблении электроэнергии. Между городами со скоростью 400-500 километров в час помчатся экспрессы на магнитной подушке, создаваемой сверхпроводящими магнитами. Будет создано новое поколение сверхмощных компьютеров на сверхпроводниковой элементной базе, охлаждаемых жидким азотом.

Другие материалы рубрики


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • 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


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • 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.



  • 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.



  • 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


  • ...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


  • 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


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • 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