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

С помощью сложных устройств (генераторов, усилителей) СКВИД может измерить колебания потока, намного меньшие, чем квант Φ 0 . Он настолько чувствителен, что обнаруживает магнитные поля, возникающие в результате сердечной или мозговой активности! Эти поля в 100 000 раз слабее, чем магнитное поле Земли (величина которого около 5∙10 –5Тл на ее поверхности). Первые попытки применения СКВИД в медицине, например магнитокардиография и магнитоэнцефалография (илл. 5), относятся к 1970-м годам. Чтобы свести к минимуму влияние магнитного поля Земли на измерения, их выполняли в специальной комнате: стены состояли из трех слоев металла, образующих мощные магнитные экраны, разделенные еще и двумя слоями алюминия, препятствующими проникновению электрического поля. Таким образом, магнитное поле Земли, внутри объема, уменьшалось в 10 000 раз. Однако создание таких помещений обходилось очень дорого. Сегодня благодаря достижениям техники в области сверхпроводников магнитометры уже не требуют наличия магнитного экрана и способны измерять магнитные поля с точностью до 10 –15Тл! Единственное, что должен сделать пациент, – убрать все металлические предметы, например ключи из кармана.

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)

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 10 5A∙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 (Nb 3 Sn), 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

Для получения сильных магнитных полей создание сплава с подходящими критическими параметрами необходимо, но недостаточно. Из него еще нужно изготовить кабель! Олово-ниобиевый сплав хрупок, и сделанный из него кабель ломается при малейшем скручивании. Эта проблема была решена путем заполнения медной трубки порошкообразной смесью ниобия и олова. Затем эту трубку растягивают (проволакивают) таким образом, чтобы получить провод, который после этого нагревают. Порошок, плавясь, дает желаемый сплав олова и ниобия. Описанный процесс лежит в основе создания так называемых композитных сверхпроводников. Их получают, просверливая в медной матрице параллельные каналы и вставляя в них сверхпроводящие волокна. Матрица подвергается процедуре волочения, и полученный провод в свою очередь снова вставляется в отверстия следующей матрицы и т. д. Повторив эту процедуру несколько раз, получают кабель, содержащий миллионы сверхпроводящих волокон (илл. 8). Например, в катушке, используемой для международного экспериментального термоядерного реактора ITER (о котором будет рассказано ниже), каждый сверхпроводящий кабель состоит из 900 сверхпроводящих волокон, изготовленных из олово-ниобиевого сплава Nb 3 Sn и 522 медных нитей диаметром 0,8 мм, которые делятся на шесть «лепестков». Каждое из сверхпроводящих волокон состоит из примерно 9000 нитей Nb 3 Sn диаметром несколько микрометров, утопленных в медной матрице. Общее количество нитей в кабеле превышает 8 млн. Конечно, то же самое можно проделать с любым другим сплавом, например ниобиево-титановым сплавом NbTi, более распространенным и менее дорогостоящим, чем сплав Nb 3 Sn.