Сегодня мы поговорим о сверхпроводимости, о том, что это такое, истории ее открытия и изучения, применении в технике.
Сеидали Сеидов
Научный сотрудник в Научно-учебной лаборатории квантовой наноэлектроники МИЭМ ВШЭ, а также Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС
С одной стороны, она интересна с теоретической точки зрения: это существенное квантовое явление, понимание которого расширяет наше понимание всей физики в целом и позволяет разработать новые теоретические методы. Если помните, в начале десятых годов был очень популярен Большой Адронный Коллайдер, в котором был открыт бозон Хиггса. Оказывается, так называемый механизм Хиггса, который придает массу элементарным частицам, берет свое начало из результатов, полученных в теории сверхпроводимости. С другой стороны, на практике сверхпроводники обладают рядом очень необычных электрических и магнитных свойств, поэтому широко применяются при создании квантовых компьютеров, участвуют в разработках альтернативной электроники. И особенно полезно было бы добиться сверхпроводимости при нормальных условиях, но пока этого сделать не удается.
Открытие сверхпроводимости
Сверхпроводимость — это исчезновение электрического сопротивления у некоторых веществ при достаточно низких температурах. Она была открыта в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Онессом. Ему удалось создать криогенную установку на жидком гелии, которая позволяла достигать температуры 1 градус Кельвина, то есть -272 градуса Цельсия. На этой установке он измерял зависимость сопротивления металлов от температуры и обнаружил, что при температуре около 4 градусов Кельвина у ртути электрическое сопротивление полностью пропадает.
Позднее была открыта сверхпроводимость и в других металлах: олове, свинце, алюминии. Сейчас же известно большое количество очень разных по своему составу и структуре сверхпроводников. Кроме металлов, подобных тем, что уже названы, сверхпроводящие свойства возникают у керамических веществ, купратов, гидридов и гидроксидов. Сверхпроводящими при высоких давлениях могут оказаться вещества, которые при нормальных условиях являются газами, известный пример это сероводород.
Надо сказать, что не всякий металл является сверхпроводником. Например, железо не сверхпроводит ни при каких температурах. Вообще, сверхпроводимость и магнетизм (а железо – это магнетик) – враги. Хотя ферромагнитные сверхпроводники, в том числе на основе железа, тем не менее, существуют. Понимание их природы один из больших открытых вопросов современной физики твердого тела.
Теоретическое описание
Физика того времени объяснить исчезновение сопротивления не могла. Классическая, то есть не квантовая, теория предсказывала, что сопротивление действительно уменьшается с температурой, но всегда остается конечным. И уж тем более не становится резко нулевым при некоторой критической температуре.
Первая попытка описания сверхпроводимости была предпринята братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами в 1935 году. Их достаточно простая теория основывалась на классических (не квантовых) уравнениях электродинамики. Они были составлены таким образом, чтобы объяснить эффект Мейснера: полное выталкивание магнитного поля из сверхпроводника. Благодаря нему сверхпроводник может левитировать над магнитом, опираясь на магнитное поле, как на подушку. В интернете много демонстрирующих эффект видео. Хотя уравнения Лондонов и описывали корректно свойства сверхпроводника, они не объясняли природу сверхпроводимости.
В 1950 году Виталием Гинзбургом и Львом Ландау была предложена феноменологическая теория сверхпроводимости. Они записали энергию сверхпроводника, как функцию от некоторой величины, называемой сверхпроводящим параметром порядка. Далее они руководствовались принципом, согласно которому физическая система стремится оказаться в состоянии с минимальной энергией. Математическое выражение для энергии было устроено так, чтобы при температуре выше критической минимальная энергия достигалась при нулевом параметре порядка, то есть сверхпроводимость отсутствовала. Если же температура была ниже критической, то минимум энергии достигался при некотором конечном значении параметра порядка – возникала сверхпроводимость. Это была феноменологическая теория, которая описывала сверхпроводящий переход, но все так же не объясняла почему сверхпроводимость возникает, почему существует сверхпроводящий параметр порядка.
Первой микроскопической теорией сверхпроводимости является теория БКШ: Бардина-Купера-Шриффера, разработанная в 1957 году. Про нее сейчас поговорим подробнее.
Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ)
Итак, надо начать с того, что все элементарные частицы делятся на два больших класса: бозоны и фермионы. Они отличаются друг от друга значением некоторой величины, которая называется спин. Подробное обсуждение его свойств и природы выходит за рамки нашего разговора и для дальнейшего понимания несущественно. Пока что важно знать, что у бозонов спин является целым числом: 0, 1, 2. Пример бозона – это фотон, квант света. У фермионов спин полуцелый, в частности, у всех элементарных частиц фермионов спин равен 1/2. Примеры фермионов это протоны, нейтроны и главное, что нас интересует, – электроны.
Для фермионов выполняется принцип запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии, то есть, иметь одинаковую энергию и спин. Бозоны же напротив могут все оказаться в одном состоянии, образовать бозонный конденсат, и даже стремятся к этому. Сверхпроводимость требует, чтобы носители заряда в веществе объединялись в одном квантовом состоянии, вели себя как бозоны. Это следует из теории Гинзбурга-Ландау. Но как такое возможно, если мы знаем, что носителями заряда являются фермионы-электроны, для которых это запрещено?
На вопрос ответил Леон Купер. Он показал, что электроны в металле могут образовывать пары, если между ними существует сколь угодно малое притяжение. Пары электронов называются куперовскими парами, а возможность их образования при сколь угодно малом притяжении – нестабильностью Купера. Тем не менее, проблема до конца не решена, ведь электроны имеют одинаковый электрический заряд и по закону Кулона должны друг от друга отталкиваться, откуда возьмется притягивающее взаимодействие? Оно происходит из взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металла. Когда электрон пролетает мимо атома в веществе, благодаря электрическому взаимодействию между ними атом начинает колебаться. Затем эти колебания могут быть «пойманы» другим электроном. Это процесс обмена фононами.
Пара двух фермионов с полуцелым спином имеет целый спин и является бозоном. То есть, в сверхпроводнике спаренные электроны образуют частицы с целым спином – бозоны, которые образуют конденсат куперовских пар и приводят к возникновению сверхпроводимости. Из теории БКШ можно получить теорию Гинзбурга-Ландау при температуре, близкой к температуре сверхпроводящего перехода. Оказывается, что загадочным параметром порядка является, скажем так, «размер» конденсата куперовских пар.
Открытые проблемы
Несмотря на существование перечисленных ранее теорий, в сверхпроводимости остаются открытые вопросы.
Так, до сих пор не создана теория, описывающая вообще все сверхпроводники. Теория БКШ корректна только применительно к в некотором смысле «простым» сверхпроводникам. Но существуют сверхпроводники, в которых куперовские пары имеют структуру, отличную от структуры куперовских пар в теории БКШ. Кроме того, неясен механизм их формирования. Часть из них является высокотемпературными сверхпроводниками – сверхпроводимость в них возникает при температурах выше 30 градусов Кельвина. В начале разговора я упоминал о сверхпроводниках на основе магнетиков, они тоже не описываются теорией БКШ. Построение описывающей данные материалы теории это одна из важнейших задач современной физики твердого тела.
Вторая большая область – это сверхпроводимость при комнатной температуре. Ее надо не путать с высокотемпературной сверхпроводимостью. Последняя возникает, как я говорил, при температурах выше 30 градусов Кельвина, а это все еще примерно -240 по Цельсию.
Получение же сверхпроводимости при нормальных условиях, то есть комнатной температуре и атмосферном давлении, представляет не только фундаментальный интерес, но и имеет широкие практические применения. Так, например, благодаря отсутствию электрического сопротивления, электрический ток по сверхпроводнику течет без тепловых потерь, а значит энергию по сверхпроводящим линиям электропередач можно будет передавать без потерь. Эффект Мейснера, напомню это выталкивание магнитного поля из сверхпроводника, благодаря которому он в нем зависает, будет применим в поездах на магнитной подушке. Если к такому поезду приделать снизу сверхпроводник, то он зависнет над электромагнитным рельсом. На данный момент сверхпроводников при нормальных условиях не существует. Даже если удается добиться сверхпроводимости при комнатной температуре, то ценой очень высоких давлений.
Практическое применение
Однако сверхпроводники применяются в технике и лабораторных установках уже сейчас.
Сверхпроводники широко применяются в квантовых вычислениях, квантовой связи и криптографии, для создания квантовых компьютеров. Связано это с существенно квантовой природой сверхпроводников, благодаря которой они имеют выраженное квантовое поведение. На основе сверхпроводников делаются квантовые биты (кубиты) для квантовых компьютеров. Так как квантовые вычисления сами по себе требуют низкие температуры для устойчивости квантового состояния, необходимость низких температур для возникновения сверхпроводимости не является проблемой.
Квантовые свойства сверхпроводников позволяют создавать на их основе устройства, измеряющие очень слабые магнитные поля – квантовые сверхпроводящие интерферометры. Их английская аббревиатура SQUID – superconducting quantum interferometer device. В русский язык название так и перешло, их называют СКВИДами. В частности, они имеют применения в медицине для проведения магнитно-резонансной томографии. Аппарат МРТ измеряет магнитный отклик биологических тканей нашего тела. Он слабый и для получения хорошего сигнала создаются высокие возбуждающие поля. Аппарат же, в котором для измерения отклика используются СКВИДы, может работать при гораздо меньших возбуждающих полях, так как чувствительность позволит зарегистрировать более слабый сигнал. По аналогичным причинам СКВИДы используют при проведении магнитоэнцефелографии, когда требуется зарегистрировать очень слабые поля, создаваемые мозгом. Причем, если МРТ можно проводить и без СКВИДов, то для магнитоэнцефалографии использование СКВИДов является безальтернативным.
Из сверхпроводников производятся сильные электромагниты для применений, в которых требуются большие магнитные поля. На Большом Адронном Коллайдере, а также в проекте ИТЭР применяются электромагниты на основе созданных в России сверхпроводников. Я в студенчестве проходил практику на НПП «Квант», видел эти сверхпроводники своими глазами.
Перспективы применения
Кроме квантовых вычислений, сверхпроводники перспективны в качестве элементной базы для не квантовой альтернативной электроники. Это электроника, которая подобна нашей привычной кремниевой полупроводниковой электроника, но для организации логических вентилей использует другие принципы. Например, я упоминал, что сверхпроводимость и магнетизм – это враги. Поэтому с помощью магнитных материалов можно открывать и запирать прохождение тока через сверхпроводник, создав таким образом логический вентиль.
На самом деле, зачастую речь идет не об электрическом, а о спиновом токе, когда переносится не электрический заряд, а спин электронов. Потенциально такая электроника сможет работать на гораздо более высоких частотах, чем сегодняшняя полупроводниковая.
Также из сверхпроводников можно делать так называемые нелинейные элементы для электрических цепей. Линейным элементом является, например, обычный резистор, у которого ток от напряжения зависит линейно: если напряжение увеличить в два раза, то и ток увеличится в два раза. У нелинейных элементов зависимость более сложная, возможны даже колебания. А нелинейный отклик – это как раз то, что требуется от искусственного нейрона, кто занимается нейросетями, тот понимает, о чем я. По этой причине сверхпроводники пытаются применить для создания искусственных нейронных сетей, что называется, «в железе», а не программно.
***
Для тех, кто интересуется тем, как внедрить нейрсети в производство и бизнес, представляем новую программу дополнительного образования «Современные технологии искусственного интеллекта: внедрения и эффекты». Она направлена на развитие способностей проведения системного анализа производственных процессов с целью внедрения технологий искусственного интеллекта, оценки качества моделей машинного обучения и анализа данных для прикладных задач из различных областей.
