Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

И все же Мюллер и Беднорц стали искать сверхпроводимость в соединении La_{2 – x}Ba_xCuO_{4 – δ} именно потому, что благодаря их интуиции и некоторым смутным соображениям они ожидали, что здесь критическая температура будет особенно велика! Многие считают, что Мюллеру и Беднорцу просто повезло: они обнаружили сверхпроводимость именно там, где ее искали, но привела их к этому замечательному открытию ошибочная мотивация. Тем не менее некоторые недавние эксперименты показывают, что они, возможно, не ошибались. Для теоретической физики открытие высокотемпературных сверхпроводников представляет собой загадку, сравнимую с тем, чем являлось в свое время открытие сверхпроводимости ртути.

Мечта о вечном движении

В заключение вернемся к замечательному следствию сверхпроводимости. Как мы уже видели, установившийся в сверхпроводнике ток не затухает. Этот факт возвращает нас к концепции perpetuum mobile – вечного движения, некого святого Грааля, который многие века искали алхимики, изобретатели и ученые и который тем не менее согласно законам классической физики невозможен! Без поступления энергии извне малейшее трение в конечном итоге останавливает любое движение. Является ли сверхпроводимость проявлением вечного движения электронов?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим два различных случая. Состояние сверхпроводника, по которому протекает постоянный ток при отсутствии внешнего магнитного поля, даже в наиболее благоприятных условиях, при самых низких температурах, формально является метастабильным – ведь его энергия выше, чем в состоянии без тока. Это означает, что такой ток должен был бы в конце концов затухнуть, подобно тому как кристалл алмаза в конечном итоге должен превратиться в графит (см. главу 23, «Метаморфозы углерода»). Как это может произойти? В обсуждении этой проблемы приняли участие такие классики, как Бор и Маттисен. Проблема оказалось в том, что ввиду квантовой природы сверхпроводимости подобное затухание не может происходить понемножку, сверхпроводящий ток должен уменьшаться макроскопическими скачками, а ждать такого события придется довольно долго, возможно, даже время, превышающее время жизни нашей Вселенной.

Во втором случае рассмотрим сверхпроводник в мейснеровском состоянии, то есть помещенный в магнитное поле ниже первого критического. Здесь возбужденный в сверхпроводнике постоянный ток действительно окажется вечным. Неужели это и есть то вечное движение, о котором мечтали ученые прошлых веков? В некотором смысле да, ведь с током в классической физике связано движение заряженных частиц. Однако в квантовой механике это явление имеет смысл, существенно отличающийся от своего классического толкования. В классической механике наблюдаемые величины хорошо определены – например, положение частиц, которое зависят от времени. Поэтому при наличии тока здесь можно уверенно говорить о перемещении зарядов в пространстве. Сверхпроводящий же ток в условиях приложенного магнитного поля – это реакция всего конденсата на внешнее воздействие, которая спасает сверхпроводящее состояние от разрушения. Сверхпроводник в таком токовом состоянии находится в термодинамическом равновесии и может пребывать в нем бесконечно долго.

Таким образом, сверхпроводимость – это редкий случай проявления законов квантовой механики в окружающем нас макроскопическом мире.

Глава 25

Применение сверхпроводников

В предыдущей главе мы в общих чертах рассказали о явлении сверхпроводимости как таковом и о долгом пути ученых к пониманию его квантовой природы. В этой главе мы продолжим наш рассказ о необычных свойствах сверхпроводников и остановимся на способах их применения, которые мало знакомы широкой публике.

Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце

Как мы уже видели, Нильсу Бору удалось объяснить многие свойства атома, предположив, что скорость v электрона на круговой орбите радиуса R удовлетворяет отношению mνR = nħ, где n – целое число, m – масса электрона и ħ – постоянная Планка (см. главу 22). Замечательно, что это правило может быть обобщено для описания движения любой частицы, совершающей круговое движение в определенном квантовом состоянии. Отметим, что как раз к движению электрона в атоме постулат Бора применим не очень хорошо, поскольку электрон четко определенную орбиту не описывает (иначе нарушались бы соотношения неопределенности (см. главу 22, «Спектр излучения атомов – ключ к атомной структуре»)). С другой стороны, как показал Фриц Лондон (1900–1954) в 1948 году, он может быть успешно применен к сверхпроводящему току, текущему в круговом кольце радиуса R (илл. 1).