Квант. Путеводитель для запутавшихся

Одним из многих применений сверхпроводимости, как в случае с циклотроном Университета штата Мичиган, является создание мощных магнитов. (Моя история, таким образом, представляет собой пример того, как квантовую странность применили для разработки аппарата для изучения еще большей квантовой странности, обнаруживаемой в экзотических атомных ядрах!) Обычный электромагнит предполагает прохождение тока по катушке, которая генерирует магнитное поле. Чем больше у катушки витков, тем мощнее поле. Однако тем сильнее и сопротивление, которое ослабляет ток, из-за чего для компенсации требуется более высокий вольтаж. Эта проблема исчезает при использовании катушки из сверхпроводимого материала. На практике большие классические электромагниты имеют железный сердечник, заключенный в электрическую катушку, поскольку без него количество необходимого тока делает такой магнит безнадежно дорогим. Однако с железным сердечником мощность магнитного поля достигает максимума, и единственным способом получить большую мощность остается создание большего магнита (с большим количеством железа). Чтобы такой магнит справлялся с задачей сверхпроводящего магнита Университета штата Мичиган, он должен быть размером со средний многоквартирный дом!

Сегодня сверхпроводящим магнитам нашлось множество применений. К примеру, они используются в качестве магнитных разделителей в добывающей промышленности и в качестве магнитных навигационных систем в медицине, где они позволяют хирургам проводить катетеры сквозь тело, вводить препараты и осуществлять биопсию.

Подобно тому как фотоны в лазере действуют в гармонии друг с другом, чтобы усилить квантовый эффект до макроскопических уровней, куперовские пары в сверхпроводниках тоже могут работать вместе как группа бозонов. Это немного напоминает большие косяки рыб, которые движутся, как единая сущность, – их часто показывают по телевидению в программах о живой природе. Такое поведение среди прочего нашло применение в устройстве под названием СКВИД (акроним от англ. Superconducting Quantum Interference Device – сверхпроводящий квантовый интерферометр). В СКВИДах используются компоненты, называемые джозефсоновскими контактами, которые немного напоминают туннельные диоды. Но вместо двух полупроводниковых полосок джозефсоновский контакт состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим слоем. Куперовские пары могут с легкостью проходить сквозь этот слой, благодаря чему СКВИД становится невероятно чувствительным к мельчайшим изменениям магнитных полей. Это устройство используется в том числе в медицине, где при помощи него изучается активность мозга, для чего ведется наблюдение за магнитными полями, создаваемыми мельчайшими электротоками, соответствующими отдельным нейронам.

Наконец, одной из самых оживленных областей физических исследований в последние пятнадцать лет была сфера высокотемпературной сверхпроводимости. Иметь сверхпроводящий материал очень выгодно, однако его температуру нужно поддерживать на таком низком уровне, зачастую с использованием жидкого гелия[71], что для практического применения он часто становится неудобен. В 1986 году был обнаружен определенный тип керамики, который обладает сверхпроводящими свойствами при температурах до 100 К. (Это все еще на 173° градуса ниже температуры замерзания воды!) Текущие исследования в этой области затрагивают три проблемы: существуют ли материалы, характеризующиеся сверхпроводимостью при комнатной температуре, являются ли эти материалы ковкими металлами, так как керамика слишком хрупкая, чтобы ее можно было растянуть в проводящие электричество провода, и, наконец, что именно заставляет эти материалы вести себя таким образом при таких (относительно) высоких температурах.

Если нам когда-либо удастся сделать электрические провода их сверхпроводящего при комнатной температуре материала, цена электричества резко упадет. В настоящее время электричество характеризуется достаточно низкой энергоэффективностью, что отчасти объясняется энергетическими потерями в форме тепла, отдаваемого при сопротивлении кабелями передачи, которые опутывают землю. Используя сверхпроводящие кабели, мы могли бы с гораздо большей эффективностью передавать в пять раз большее напряжение, а следовательно, могли бы позволить существенно сократить потребление ископаемых источников топлива.

Энергия из ядер