Сверхпроводимость и магнетизм

Фазовые переходы происходят не только из одного агрегатного состояния в другое. Скачкообразные изменения свойств можно наблюдать и в самих кристаллах. Одним из самых интересных в смысле технического применения явлений такого рода можно считать сверхпроводимость. Чтобы понять, что значит это «сверх-», следует сначала вспомнить о принципе передачи электрического тока (как по линии электропередачи, так и в бытовых электроприборах). Электрический ток в металлах представляет собой движение мельчайших заряженных частиц, электронов. Большинство металлов образуют кристаллическую решетку, внутри которой, подобно газу, движутся свободные электроны, постоянно сталкиваясь с атомами решетки и теряя при этом энергию (рис. 3.4); именно эта «потерянная» электронами энергия и переходит в неупорядоченную тепловую энергию атомов решетки. Таким образом, часть энергии электрического тока непрерывно преобразуется в тепловую энергию.

^{Рис. 3.4. На этом рисунке схематически изображен микроскопический участок кристаллической решетки. Отдельные атомы металла показаны большими кружками. Вследствие теплового движения атомы металла непрерывно колеблются. Представленные маленькими черными кружками электроны сталкиваются с атомами решетки, что замедляет их движение и изменяет его траекторию; при этом часть своей энергии электроны отдают атомам решетки, в результате чего происходит постепенное нагревание металла и одновременное ослабление электрического тока}

Подобный эффект, естественно, желателен в электрических утюгах, но никак не в работе линий электропередачи: здесь-то как раз было бы предпочтительнее доставить электрический ток потребителю именно в тех количествах, в каких он был произведен на электростанции, не нагревая при этом линию. Однако потери энергии «в пути», к сожалению, неизбежны из-за описанных уже столкновений электронов с атомами решетки металлического проводника — так называемого электрического сопротивления. Уже в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что некоторые металлы (например ртуть) при охлаждении до определенных, очень низких температур, полностью теряют сопротивление (рис. 3.5). Этот феномен был назван ученым сверхпроводимостью.

^{Рис. 3.5. График зависимости электрического сопротивления от температуры. При температуре ниже критической (здесь это 4, 2 К [абсолютная температура]) электрическое сопротивление полностью отсутствует; выше же этой отметки сопротивление принимает некоторое конечное значение}

Поистине потрясает в этом явлении то, что сопротивление не просто становится очень малым — оно исчезает абсолютно! Это доказывают эксперименты с проволокой, согнутой в кольцо: ток по этой проволоке протекал больше года. В конце концов физикам это наскучило, и они прекратили эксперимент, снова нагрев проволоку. Теоретических объяснений этого феномена пришлось ждать более сорока лет. Сегодня нам известно, что в основе процесса сверхпроводимости лежит совершенно особое состояние микроскопической упорядоченности: электроны проходят сквозь кристаллическую решетку металла попарно. Пары электронов движутся строго упорядочение, пресекая всякие попытки атомов решетки сопротивляться своему току. В определенном смысле это то же самое, что колонна на марше, бегущая сквозь густые заросли кустарника, держась при этом за руки; кусты больше не являются препятствием для отдельных людей. И снова мы видим, как и в случаях с другими фазовыми переходами, что изменения порядка на микроскопическом уровне («попарное» движение электронов) дают совершенно новые макроскопические состояния (ток при полном отсутствии сопротивления).

Почему же сверхпроводники до сих пор не используются в линиях электропередачи? Вся беда в том, что сверхпроводимость становится возможной лишь при сверхнизких температурах (например при —260°С), и охлаждение в таких масштабах потребовало бы чересчур больших денежных затрат[1]. Однако есть и другие области применения сверхпроводимости, и здесь охлаждение вполне окупается. Как известно, электрический ток порождает магнитные поля. С помощью сверхпроводимости можно создавать неимоверно мощные магнитные поля, и уже сегодня этот эффект применяется, среди прочего, в установках для производства энергии посредством реакции термоядерного синтеза. Крошечные сверхпроводники используются в отдельных элементах схем современных компьютеров, а компьютеры следующего поколения, возможно, будут иметь в своей основе электронный мозг, способный работать только при температурах, близких к абсолютному нулю[2]. Скачкообразное изменение физических свойств наблюдается также и в ферромагнетиках. Речь идет о кристаллах железа, которые демонстрируют намагниченность при комнатной температуре. При нагревании же ферромагнетика до определенной температуры (774°С) намагниченность внезапно исчезает (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зависимость намагниченности ферромагнетика от температуры. При температуре T выше критической (Т_с) намагниченность исчезает

Интересно, что и здесь изменение макроскопических свойств объясняется процессами, протекающими на микроскопическом уровне. Исследуя структуру магнитов, физики обнаружили, что они состоят из крошечных «магнитиков», которыми оказались сами атомы железа (а точнее, их электроны). Элементарные магниты связаны между собой определенными силами. Однако если одноименные полюса обычных, макроскопических, магнитов отталкиваются друг от друга, то элементарные магниты обладают как раз противоположным свойством, и их одноименные полюса притягиваются. Иначе говоря (и, с точки зрения физики, более точно), элементарные магниты выстраиваются в определенном порядке, сохраняя одинаковую ориентацию (рис. 3.7). Объяснить такое необычное поведение можно лишь с привлечением работ Гейзенберга в области квантовой теории, которые уведут нас, пожалуй, слишком далеко от нашей темы. Все микроскопические магнитные поля суммируются и создают то макроскопическое магнитное поле, которое каждый из нас наверняка наблюдал у магнитов.

^{Рис. 3.7. При температуре ниже критической микроскопические элементарные магниты, из которых состоит ферромагнетик, упорядочены}