Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

5. Магнитоэнцефалографический сканер, состоящий из 306 СКВИД, которые регистрируют даже чрезвычайно слабые магнитные поля, генерируемые нейронной активностью. В верхней части сканера содержится необходимый для охлаждения устройства жидкий гелий. Нейронная активность человека выявляется посредством зрительных и слуховых стимуляций (черный окулометр дополняет аппарат)

Тернистый путь к рекордам

Как это с самого начала предполагал Камерлинг-Оннес (см. главу 24), создание сильных магнитных полей является очевидным применением замечательных свойств сверхпроводников. В самом деле, магнитные поля для промышленного использования обычно получают с помощью электромагнитов, то есть катушек, через которые проходит электрический ток. Поле тем сильнее, чем сильнее протекающий в катушке ток и чем больше число витков провода в ней (см. главу 16, «Электромагнитная индукция»). Однако катушка из обычного проводящего материала обладает сопротивлением, и в ней при протекании тока благодаря эффекту Джоуля – Ленца выделяется тепло. На это расходуется значительная энергия, а чтобы провода не расплавились, необходимо их интенсивно охлаждать! Например, в 1937 году впервые было произведено поле в 10 Тл, при этом потребление электроэнергии было таким, что производить эксперименты было возможно только ночью, когда ее расходование другими пользователями было достаточно низким: охлаждающая система катушки требовала потока воды 5 л в секунду…

Для сверхпроводника эти ограничения не существуют! На первый взгляд, достаточно изготовить катушку из сверхпроводящего провода и создать в ней достаточно сильный ток: поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, тепла он выделять не будет. А когда ток установится, то не нужно будет и подавать питание в цепь! Казалось бы, игра стоит свеч, несмотря на то что катушка должна постоянно находиться при температуре жидкого гелия. Но, к сожалению, сверхпроводники I рода не выдерживают сколь-нибудь значимых для практических применений магнитных полей (см. главу 24, «Эффект Мейснера – Оксенфельда»).

6. Электронно-микроскопическое изображение сверхпроводящей пленки нитрида ниобия NbN, полученное путем напыления металла на стеклянную пластину. Ясно видна столбчатая структура материала. Перескочить через границу таких зерен абрикосовским вихрям довольно сложно

Решением проблемы стали сверхпроводники II рода, которые, как мы уже знаем, могут оставаться в сверхпроводящем состоянии вплоть до очень высоких магнитных полей. Магнитное поле проникает в их объем в форме вихрей с нормальной сердцевиной, однако между вихрями остается сверхпроводящая фаза, по которой сверхпроводящий ток может протекать без сопротивления.

Однако не все оказалось так просто. Дело в том, что при протекании тока на вихри, сквозь которые в сверхпроводник проникает магнитное поле, действует сила Ампера в направлении, перпендикулярном и магнитному полю, и току. В результате вся решетка вихрей Абрикосова начинает двигаться. Произведение вектора силы Ампера на вектор перемещения вихря дает работу. Таким образом, движение решетки вихрей происходит с рассеиванием энергии, и снова электрическое сопротивление, уже сверхпроводящей катушки, становится отличным от нуля!

К счастью, движению вихрей можно препятствовать. Для этого достаточно, чтобы в сверхпроводнике содержались микроскопические дефекты. Как правило, они спонтанно возникают в результате термической обработки, при изготовлении сверхпроводящего сплава (илл. 7). Одиночные вихри «зацепляются» за эти дефекты, и вместе с ними останавливается движение всей решетки абрикосовских вихрей. Понятно, что такой механизм не может противостоять любой по величине силе Ампера, однако, пока сила тока не превышает определенного критического значения, электрическое сопротивление сверхпроводящего провода остается равным нулю. Это явление называют пиннингом (от англ. pinning – «закрепление», «пришпиливание»): вихри как бы оказываются «закрепленными» на дефектах. Обычно дефекты вредят, но в данном случае они помогают! Тем не менее наличие дефектов, как будет показано далее, играет и отрицательную роль.

Благодаря явлению пиннинга многие сверхпроводники II рода используются для создания сильных магнитных полей. Это, например, олово-ниобиевый сплав, в котором можно достигать плотности тока вплоть до 10⁵A∙см^–2 (сравните эту величину с несколькими сотнями ампер на квадратный сантиметр для меди). При этом верхнее критическое поле B_к2 для этого сплава при низких температурах составляет 25 Тл.

7. Олово-ниобиевый кабель (Nb₃Sn), состоящий из множества сверхпроводящих нитей, помещенных в медную матрицу. Его диаметр составляет около 4 см. Через полое пространство в центре кабеля проходит охлаждающий его жидкий гелий. По кабелю передается ток 68 кА

Технология сверхпроводящих кабелей