Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

7. Усеченный икосаэдр, изученный Пьеро делла Франческой и нарисованный Леонардо да Винчи для книги Луки Пачоли

Углерод также способен скручиваться, формируя трубки. Они бывают самых разных форм и размеров, диаметром от одного до нескольких десятков нанометров (илл. 8). Углеродные нанотрубки создают в лабораториях различными способами: отрывая кусочки от углеродного блока при помощи лазера или электрической дуги или путем осаждения подходящего углеродного пара. На самом деле мы, сами того не зная, производили их на протяжении веков, но только с появлением усовершенствованных инструментов сумели обнаружить эти нанообъекты (см. главу 28, «Взгляд в наномир»).

Зачем они нужны? Нанотрубки, фуллерены и другие производные графена обладают электрическими и оптическими свойствами, которые будоражат умы физиков и в перспективе могут найти уникальные применения, скажем, в фотоэлементах (см. главу 28, «От компьютера к квантовому компьютеру»). Графеновая электроника также обещает продлить действие закона Мура, позволив создавать транзисторы еще меньшего размера, чем используемые сегодня кремниевые (см. главу 28).

Нанотрубки имеют также замечательные механические свойства: они чрезвычайно устойчивы к растяжениям. Поэтому вскоре мы сможем увидим легкие и прочные велосипеды и теннисные ракетки, созданные из композитных материалов, армированных углеродными нанотрубками диаметром в несколько микрон. Еще одна метаморфоза этого «особого элемента», воспетого Примо Леви!

8. Две разновидности углеродных нанотрубок. a. Конструкция «кресла» имеет связи, перпендикулярные оси трубки. b.«Зигзагообразная» структура обладает связями, параллельными ее оси

В некоторых материалах ниже некоторой, характерной для каждого из них температуры происходит удивительное явление: их электрическое сопротивление полностью исчезает. Это явление впервые было обнаружено в 1911 году на образцах, изготовленных из ртути, критическая температура которой составляет всего T к= 4,15 K. В последующие несколько лет сверхпроводимость была обнаружена и в других материалах, однако везде при очень низких температурах. Явление казалось необъяснимым… Прежде чем была разработана первая теория, удовлетворительно его объясняющая, прошло несколько десятилетий. Как мы увидим, и сегодня, более века спустя, все новые и новые сверхпроводники подкидывают исследователям удивительные загадки.

В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) сумел получить жидкий гелий, который при обычном давлении имеет точку кипения при температуре 4,2 К (см. главу 26). Это замечательное техническое достижение открыло перед ученым возможность изучать сопротивление металлов при очень низких температурах (см. главу 24, врезку «Природа электрического сопротивления»). Результат не заставил себя ждать: 28 апреля 1911 года на заседании Королевской академии наук в Амстердаме было объявлено о фундаментальном открытии: при температуре ниже 4,15 К электрическое сопротивление ртути полностью исчезает (илл. 1).

1. Электрическое сопротивление R (в омах) образца ртути в зависимости от температуры T (в кельвинах). Ниже критической температуры T к = 4,15 K сопротивление образца исчезает. Это явление, названное сверхпроводимостью, было обнаружено 8 апреля 1911 года. Отметим, что далеко не все металлы даже при самых низких температурах переходят в сверхпроводящее состояние. К примеру, являющееся прекрасным проводником золото не обладает подобным свойством

Отсутствие электрического сопротивления означает, что приведенные в движение заряды в замкнутой цепи будут двигаться вечно (илл. 2). И действительно, исследователи в Англии сумели заставить ток циркулировать в сверхпроводнике в течение нескольких лет без малейшего затухания; эксперимент был прерван, только когда охлаждение устройства было нарушено из-за забастовки на электростанции.

В то время как теоретическое объяснение сверхпроводимости заставило себя ждать долгое время, экспериментальные исследования шли вперед. Помимо ртути, сверхпроводимость была обнаружена и в других металлах, например, таких как свинец и олово. Сверхпроводимость проявлялась в них также привесьма низких температурах: самую высокую критическую температуру среди чистых металлов, как оказалось, имеет ниобий ( T к = 9,2 K, то есть –264,15 °C!). Ученым были понятны заманчивые перспективы практических применений этого явления, такие как передача энергии без потерь или создание сверхмощных электромагнитов (см. главу 25). Однако на этом пути возникло два серьезных препятствия. Во-первых, необходимость экстремально низких температур требовала постоянного охлаждения устройства. Второе препятствие, с которым вскоре столкнулся Камерлинг-Оннес, заключалось во внезапном исчезновении сверхпроводящего состояния, когда протекающий по образцу ток становился слишком сильным. Такой же разрушающий эффект производило и превышающее определенный порог магнитное поле. Наблюдаемая на эксперименте величина этого разрушающего поля, называемого критическим, была невелика. Так, для ртути критическое магнитное поле составляет 0,03 Тл (сравните эту величину с полем, создаваемым обычными стержневыми магнитами: от 0,1 до 1 Тл).

2. Опыт Камерлинг-Оннеса, доказывающий отсутствие затухания тока в сверхпроводнике. Электрическая батарея создает в цепи ток (постоянный), при этом верхний ключ остается замкнут. Затем его размыкают, отключив тем самым батарею, и одновременно замыкают нижний ключ. Наличие тока в сверхпроводящей катушке проявляется его воздействием на магнитную стрелку, которая ориентируется по линиям магнитного поля

В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд, изучая влияние внешнего магнитного поля на сверхпроводник, обнаружили, что внутрь помещенного в магнитное поле сверхпроводника оно не проникает. Это явление, называемое эффектом Мейснера – Оксенфельда, связано с возникновением на поверхности сверхпроводника бездиссипативных токов, которые, создавая в объеме сверхпроводника свое магнитное поле, компенсируют внешнее поле (илл. 3). Все происходит так, как будто сверхпроводник «вытесняет» магнитное поле из своего объема наружу.