Сверхпроводник: что это, виды и применение

Что такое сверхпроводник

Сверхпроводник — это материал, который при понижении температуры до определённого значения (так называемой критической температуры, обозначаемой T_c) полностью утрачивает электрическое сопротивление. Если в обычном проводнике электроны сталкиваются с атомами кристаллической решётки и теряют энергию, то в сверхпроводнике они движутся без потерь, образуя так называемые куперовские пары. Это квантовое явление, открытое более века назад, до сих пор остаётся одной из самых интригующих областей физики.

Проще говоря, если по сверхпроводнику один раз пропустить электрический ток, он будет циркулировать в нём практически вечно — без источника питания. Именно поэтому сверхпроводники называют «идеальными проводниками». Однако достичь такого состояния непросто: большинство материалов требуют экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C).

Как работает сверхпроводимость

Чтобы понять, почему сверхпроводник теряет сопротивление, нужно заглянуть в микромир. В обычном металле (например, в меди или алюминии) свободные электроны движутся хаотично и сталкиваются с ионами решётки, что создаёт сопротивление. При охлаждении металла сопротивление постепенно уменьшается, но остаётся конечным.

В сверхпроводнике при температуре ниже T_c электроны объединяются в пары благодаря колебаниям решётки (фононам). Эти пары ведут себя как единая квантовая частица — конденсат, который течёт без трения. Разрушить такое состояние можно тремя способами: повысить температуру выше критической, приложить слишком сильное магнитное поле или пропустить чрезмерно большой ток. Поэтому у каждого сверхпроводника есть три критических параметра: температура, магнитное поле и плотность тока.

Виды сверхпроводников

Сверхпроводники принято делить на два основных типа — по их поведению в магнитном поле и по механизму спаривания электронов.

По реакции на магнитное поле

• Сверхпроводники I рода — это чистые металлы (ртуть, алюминий, свинец, олово). Они полностью выталкивают магнитное поле из своего объёма (эффект Мейснера) и переходят в нормальное состояние скачком, когда поле превышает критическое значение. Такие материалы имеют низкую T_c (обычно ниже 10 К) и редко применяются на практике.
• Сверхпроводники II рода — это сплавы и соединения (например, ниобий-титан, ниобий-олово, керамики на основе иттрия-бария-меди-кислорода, YBCO). Они пропускают магнитное поле частично, в виде вихрей, и выдерживают гораздо более сильные поля и токи. Именно они используются в технике — от магнитов МРТ до ускорителей частиц.

По природе сверхпроводимости

Здесь ключевое различие — между классическими и высокотемпературными сверхпроводниками.

• Низкотемпературные (классические) — описываются теорией БКШ (Бардина – Купера – Шриффера). Их T_c не превышает 30 К (−243 °C). Примеры: ртуть (4,2 К), ниобий (9,3 К), сплав NbTi (около 10 К).
• Высокотемпературные — открыты в 1986 году Беднорцем и Мюллером. Это керамики на основе оксидов меди, например YBa₂Cu₃O₇ с T_c около 93 К (−180 °C), что уже позволяет охлаждать их жидким азотом (температура кипения −196 °C) вместо дорогого жидкого гелия. Механизм их сверхпроводимости до конца не ясен, но активно исследуется.

Существуют также экзотические виды: органические сверхпроводники, железосодержащие соединения, сверхпроводники с тяжёлыми фермионами. В 2015 году в газообразном сероводороде под давлением наблюдали сверхпроводимость при рекордных −70 °C, но это состояние требует огромного давления и пока не имеет практического применения.

Где применяются сверхпроводники

Несмотря на сложность охлаждения, сверхпроводники уже используются в ряде высокотехнологичных областей.

Медицина и наука

Самый массовый пример — магнитно-резонансные томографы (МРТ). В них установлены сверхпроводящие магниты из ниобий-титана, создающие сильное и стабильное магнитное поле. Без сверхпроводников такие устройства были бы слишком громоздкими и энергозатратными.

В физике элементарных частиц сверхпроводящие магниты используются в ускорителях — например, в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Тысячи магнитов удерживают пучки протонов на орбите.

Энергетика и транспорт

Сверхпроводящие кабели позволяют передавать электроэнергию без потерь. В некоторых городах (например, в Эссене, Германия) уже проложены опытные линии из высокотемпературных сверхпроводников. Также создаются сверхпроводящие накопители энергии (SMES), которые могут мгновенно отдавать запасённую энергию в сеть.

В Японии и Китае испытывают поезда на магнитной подушке (маглев) со сверхпроводящими магнитами. Они позволяют поездам парить над путями и развивать скорость более 600 км/ч.

Электроника

Сверхпроводники применяются в сверхчувствительных датчиках — СКВИДах (SQUID), которые улавливают сверхслабые магнитные поля. Их используют для измерения активности мозга, поиска полезных ископаемых и в квантовых компьютерах. Кубиты в квантовых процессорах от IBM и Google — это сверхпроводящие цепи на основе алюминия, охлаждаемые до милликельвинов.

Перспективы и вызовы

Главная мечта физиков — создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и нормальном давлении. Это позволило бы революционизировать энергетику, транспорт и электронику. Однако пока все известные материалы требуют либо экстремального холода, либо огромного давления. В 2023 году сообщалось о скандальном «открытии» LK-99 в Южной Корее, но оно не подтвердилось. Тем не менее исследования продолжаются — и каждый год приносит новые данные о высокотемпературных сверхпроводниках.

Сверхпроводимость — одно из немногих макроскопических квантовых явлений, которое мы наблюдаем в лаборатории. Она уже изменила медицину и науку, а в будущем может изменить всю нашу цивилизацию.

Частые вопросы по теме

Что такое критическая температура сверхпроводника?

Критическая температура T_c — это температура, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние. Для каждого вещества она своя: у ртути около 4,2 К, у ниобия — 9,3 К, у керамики YBCO — около 93 К. Чем выше T_c, тем легче и дешевле охлаждать материал.

Чем сверхпроводник отличается от обычного проводника?

У обычного проводника (медь, алюминий) сопротивление всегда больше нуля и растёт с температурой. У сверхпроводника сопротивление в сверхпроводящем состоянии равно нулю — ток течёт без потерь. Кроме того, сверхпроводник обладает эффектом Мейснера — выталкивает магнитное поле, чего обычные проводники не делают.

Какие материалы являются сверхпроводниками?

Классические сверхпроводники — это чистые металлы (ртуть, свинец, алюминий, олово) и сплавы (ниобий-титан, ниобий-олово). Высокотемпературные сверхпроводники — это керамики на основе оксидов меди, например YBa₂Cu₃O₇. Существуют также органические и железосодержащие сверхпроводники.

Где используются сверхпроводники в повседневной жизни?

Самый распространённый пример — аппараты МРТ в больницах. Также сверхпроводники применяются в квантовых компьютерах, в ускорителях частиц, в поездах на магнитной подушке, в сверхчувствительных датчиках и в экспериментальных линиях электропередач.