Открытие двух новых сверхпроводников - диборида магния MgB₂ и органического политриофена недавно потрясло физическое сообщество, возродив уже почти забытую атмосферу конца восьмидесятых, когда всеобщий ажиотаж, вызванный открытием в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости, вынуждал ученых наперегонки публиковать свои результаты в газетах. Что же произошло? Новые сверхпроводники пока не бьют никаких рекордов и не являются чем - то экзотичным. Ну, разве что, политриофен - первый пластик среди сверхпроводников.

Дело в том, что новые сверхпроводники просты, дешевы и высокотехнологичны, и это открывает новые перспективы для научных и практических приложений. Сверхпроводники сегодня широко применяются в изготовлении сверхмощных магнитов и СКВИДов - сверхчувствительных датчиков магнитного поля. Благодаря им были созданы медицинские томографы, обеспечившие заметный прогресс последних лет в понимании работы мозга. Но потенциально главная область приложения сверхпроводников - передача электроэнергии без потерь, которые сегодня на пути от электростанции до вашего утюга достигают 20%, до сих пор остается неосвоенной. Не стали коммерчески доступны и другие приложения, вроде поездов на магнитной подушке и пылесосов. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос нужно знать свойства сверхпроводящего состояния вещества. Но сначала -

Впервые сверхпроводимость была открыта Камерлинг-Оннесом в 1911 году у ртути при температуре около 4^oК (-269^oС) выше абсолютного нуля (Нобелевская премия 1913 года). Вплоть до 1986 года сверхпроводимость наблюдалась лишь у некоторых металлов и их сплавов, а самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладал сплав ниобия и германия: 23^oК (-250^oС).

В 1986 году Беднорцем и Мюллером в исследовательском центре IBM у сложных соединений оксида меди La_2-xBa_xCuO₄ была обнаружена сверхпроводимость при необычно высокой температуре 30^oК (-243^oС) (Нобелевская премия 1987 года). Эти соединения были названы высокотемпературными сверхпроводниками. К 1993 году перебрав множество близких соединений путем замены атомов лантана и бария другими, ученые нашли целый ряд сверхпроводящих материалов на основе оксидов меди, из которых самыми высокотемпературными оказались соединения с иттрием и ртутью. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у них достигала 135-160^oК (-138 - - 113^oС).

Ажиотаж вокруг высокотемпературной сверхпроводимости был вызван тем, что теперь сверхпроводящего состояния можно было добиться путем охлаждения азотом, становящимся жидким при 77^oК (-196^oС), а не в сто раз более дорогим жидким гелием при 4^oК (-269^oС). Это сулило большие надежды на широком коммерческом применении сверхпроводников - надежды, которые до сих пор не оправдались.

Высокотемпературные сверхпроводники, содержащие редкоземельные металлы, оказались дороги и нестабильны, а создаваемые на их основе системы ненадежны. Поэтому достигаемая экономия пока не оправдывает затрат на создание и охлаждение сверхпроводящих систем.

Сверхпроводимость возникает только при охлаждении материала ниже определенной температуры, которая называется критической. В этой точке электрическое сопротивление скачком падает до нуля. Электрический ток начинает течь без потерь на нагрев проводника. В замкнутом сверхпроводящем кольце ток будет течь вечно.

Пожалуй, наиболее наглядным проявлением сверхпроводимости является левитация. Магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник. Поэтому он вопреки силе тяжести висит над магнитом.

Но слишком сильный ток или слишком сильное магнитное поле разрушают сверхпроводящее состояние. Критическая величина тока и магнитного поля уменьшается при повышении температуры и обращается в ноль при температуре перехода в сверхпроводящее состояние. Поэтому для нормальной эксплуатации температура сверхпроводника должна быть заметно ниже критической и чем она ниже, тем больший ток по нему можно пропустить и тем большее магнитное поле можно создать сверхпроводящим магнитом.

Холодный взрыв

Несколько лет назад в одном из крупных академических институтов Москвы прогремел взрыв. Остекление огромного цеха вылетело, крыша немного приподнялась, но к счастью, опустилась на место. Несколько рабочих отделались синяками и ссадинами. Взорвалась установка, на которой испытывался новый сверхпроводящий кабель.

Свойства сверхпроводников обуславливают потенциальную взрывоопасность сильноточных сверхпроводящих систем. Предположим, что в результате флуктуации температуры или тока небольшая область сверхпроводящего провода на мгновение перешла в нормальное состояние. Тогда текущий по проводу ток начнет нагревать эту область и выводить из сверхпроводящего состояния соседние, которые тоже начнут нагреваться. Процесс приобретает характер лавины, жидкий гелий в охлаждающей системе вскипает, разрывает теплоизолирующий кожух, соприкасается с окружающим воздухом и еще расширяется, нагреваясь… Так выглядит холодный взрыв. Это одна из причин, почему хрупкие и ненадежные сверхпроводники не нашли пока применений в энергетике.

Долгое время, вплоть до середины 50 годов, сверхпроводимость была совершенно непонятным явлением. Ее безуспешно пытались объяснить Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Лишь спустя двадцать лет после создания квантовой теории, в 1950 году Гинзбургом и Ландау была создана полумикроскопическая теория перехода в сверхпроводящее состояние. Ее созданию помогло открытие Петром Капицей сверхтекучести гелия, которое подсказало трактовку сверхпроводимости как сверхтекучести электронной жидкости.

Еще семь лет спустя, в 1957 году, Бардиным, Купером и Шриффером была создана общепринятая сейчас микроскопическая теория сверхпроводимости - «теория БКШ» (Нобелевская премия 1972 года). Согласно этой теории, часть обычно отталкивающихся друг от друга свободных электронов благодаря взаимодействию с фононами (квантами колебаний кристаллической решетки) объединяются в пары. Эти пары при охлаждении "конденсируются" в одно квантовое состояние с наименьшей энергией, образуя сверхтекучую электронную жидкость. Сверхтекучесть позволяет конденсированным электронам, которые фактически образуют одну гигантскую квантовую квазичастицу двигаться без столкновений с кристаллической решеткой и оставшимися электронами, а значит и без потерь энергии.

За много лет теория БКШ была сильно развита, многое объяснила, обросла многочисленными улучшениями и ответвлениями, но до сих пор ряд экспериментальных фактов, особенно по высокотемпературным сверхпроводникам, не находит своего объяснения. Полного понимания явления сверхпроводимости все еще нет, и новые сверхпроводники ищутся методом перебора таблицы Менделеева в погоне за голубой мечтой.

Голубая мечта физиков - создать материал, который будет сверхпроводящим при температуре хотя бы на несколько десятков градусов выше комнатной. В этом случае отпадет надобность в системе охлаждения, не будет взрывов и наступит эра энергетического благоденствия. Желательно, чтобы материал был дешевый, стабильный и технологичный. Пока нет признанных теоретических ограничений на максимально возможную температуру сверхпроводящего перехода, а значит, сохраняется надежда, что такой материал будет найден. Более того, в последнее время ходят упорные слухи, что уже создан материал, сверхпроводящий при 69^oС. Но подождем перепроверок и официальных публикаций в серьезных журналах. Слишком много уже было ошибок и мистификаций.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть - эти два физических явления знамениты тем, что только в них макроскопическая система из миллионов электронов или атомов гелия обладает сугубо квантовыми свойствами. На сверхпроводящем кольце с контактом Джозефсона прошлым летом была впервые реализована квантовая суперпозиция макроскопических объектов - сверхпроводящих токов, своеобразный квантовый кот Эрвина Шредингера. Оперирование с макроскопическими квантовыми объектами дает некоторую надежду обойти основную проблему, стоящую на пути создания квантовых компьютеров - разрушение квантовой информации внешним шумом в процессе вычислений.

1. Гинзбург В.Л. Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. Успехи физических наук, том 170, № 6, стр.619-630, 2000.

2. Максимов Е.Г. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние. Успехи физических наук, том 170, № 10, стр.1033-1062, 2000.