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

Через полвека после открытия явления сверхпроводимости было предсказано, что возможен и другой сценарий поведения сверхпроводника в магнитном поле. Приведенное выше наблюдение верно только для так называемых сверхпроводников I типа, таких как ртуть, свинец, алюминий и т. д. Советский физик-теоретик Алексей Абрикосов в своей, ставшей впоследствии знаменитой, работе 1957 года показал, что для некоторых сверхпроводников, которые он назвал сверхпроводниками II типа (сегодня их часто называют сверхпроводниками II рода), существует и третья возможность. А именно, если внешнее магнитное поле B →достаточно сильно, то в такие сверхпроводники оно может проникать в виде очень тонких, параллельных ему и пронизывающих сверхпроводник трубок. Вокруг этих трубок текут сверхпроводящие бездиссипативные токи, которые образуют своеобразные вихри. Последние обычно обозначают английским словом vortex . На удалении от трубок поле равно нулю – сверхпроводящие токи экранируют его своими полями. При этом свойство сверхпроводимости не исчезает, хотя сами трубки и не являются сверхпроводящими: в результате часть объема образца остается сверхпроводящей, а в другую проникает магнитное поле.

6. a.Решетка вихрей Абрикосова в сверхпроводнике II рода, визуализированная посредством декорации его поверхности частицами кобальта, 1967 год. Частицы собираются на входах линий магнитного поля в сверхпроводник, то есть у выходов вихрей на поверхность. Вихри отталкиваются друг от друга и образуют предсказанную Абрикосовым более-менее регулярную решетку. b.Фазовая диаграмма индие-висмутового сплава InBi (с 4 % Bi) в координатах температуры T и магнитного поля B . Пунктирная кривая определяет температурную зависимость критического поля чистого индия, который является сверхпроводником I рода

Экспериментальное наблюдение вихрей Абрикосова оказалось довольно легким, хотя и было проведено лишь через десять лет после публикации его теоретической работы. Самый простой способ – посыпать поверхность сверхпроводника железными опилками или частицами другого ферромагнитного материала. Тогда эти частицы станут скапливаться у начала трубок (илл. 6a). Можно также использовать и метод дифракции нейтронов: решетка вихрей на самом деле аналогична кристаллической решетке (см. главу 9). Таким образом можно удостовериться, что трубки пронизывают объем сверхпроводника.

Поведение сверхпроводника II рода в магнитном поле зависит от интенсивности поля. При увеличении действующего на сверхпроводник магнитного поля от нуля вихрей сначала не наблюдается, магнитное поле B →благодаря возникающим поверхностным токам полностью выталкивается из образца, точно так же как и в случае сверхпроводника I рода. Таким образом, в достаточно слабых полях имеет место полный эффект Мейснера. Начиная с некоторого критического поля B к1 в объеме сверхпроводника возникают первые вихри, сначала в небольшом количестве. Посредством их магнитное поле начинает проникать в сверхпроводник. С ростом интенсивности поля возрастает и число вихрей. В конечном итоге при поле B к2 (илл. 6b) вихри заполняют весь объем образца и сверхпроводимость исчезает.

Заметим, что большинство сверхпроводников I рода (которые не имеют промежуточной вихревой фазы) могут быть превращены в сверхпроводники II рода путем добавления примесей. Например, чистый индий, серебристый металл, является сверхпроводником I рода, но при добавлении к нему всего лишь 4 % висмута он становится сверхпроводником II рода.

За свое выдающееся открытие Алексей Абрикосов получил Нобелевскую премию по физике 2003 года (он разделил ее с Виталием Гинзбургом и Энтони Леггетом). Как уже говорилось выше, его теоретическое предсказание на десяток лет опередило экспериментальное подтверждение существования сверхпроводников II рода. А ведь сегодня преимущественно они находят применение в медицине, транспорте, передаче энергии на расстояния, создании сверхмощных магнитных полей. Впервые в истории сверхпроводимости теория опередила эксперимент. Тем не менее вплоть до 1957 года она по-прежнему не могла объяснить происхождение этого загадочного явления…

В 1938 году советский физик Петр Леонидович Капица (1894–1984) обнаружил, что при температуре ниже 2,18 К поток жидкого гелия не испытывает никакого трения при прохождении очень узких капиллярных трубок. Это явление, получившее название «сверхтекучесть», дало ученым надежду на понимание природы сверхпроводимости: ведь сходство между протекающим без сопротивления электрическим током и не обладающим вязкостью гидродинамическим потоком очевидно. Давайте рассмотрим последний более внимательно.

Как мы видели, гелий при атмосферном давлении не затвердевает даже при самых низких температурах (см. главу 22, «Контроль реакции в ядерном реакторе»): мы объяснили это нулевыми колебаниями его атомов, масса которых мала, а взаимодействие между ними слабо. Проще говоря, сверхтекучее состояние можно рассматривать как некоторый компромисс между «желанием» атомов сконденсироваться в кристалл и их квантовой «необходимостью» двигаться. В результате действия сил притяжения между атомами гелия при низких температурах последние переходят в некоторое конденсированное состояние, однако, в отличие от атомов других элементов, они не образуют кристалл.

Что же характеризует эту конденсированную фазу? Состояние частиц в ней квантовое, так что и характеризовать их следует по законам квантового мира – волновой функцией Ψ ( x, y, z, t ) (см. главу 22, «Исследование твердых тел с помощью дифрактометрии»). Оказывается, что при температурах ниже 2,18 К макроскопическое количество атомов гелия накапливается в одном и том же квантовом состоянии и описывается одной и той же волновой функцией. Эти атомы образуют так называемый сверхтекучий конденсат. Когда он течет со скоростью v →, то его волновая функция соответствует волновой функции некоторой квантовой частицы, движущейся с такой же скоростью v →. В нормальной жидкости частица замедляется из-за вязкости, то есть взаимодействия с окружающей средой, стенками трубки; в сверхтекучем гелии, напротив, все атомы конденсата связаны между собой в единое целое и при не слишком больших скоростях не взаимодействуют с окружающей средой, а следовательно, и замедлиться не могут! Поток сверхтекучего гелия – это явление коллективное: атомы движутся в нем все вместе, как овцы в стаде. Даже если овца захочет вернуться назад, она не сможет этого сделать!