Век сверхпроводимости

Почти век назад случилось большое открытие, породившее другие большие открытия, которые связаны с поведением электропроводящих материалов при сверхнизких температурах — полное отсутствие в них электрического сопротивления.

Но — по порядку.

Абсолютный нуль – начальная точка температурной шкалы Кельвина, которой по Цельсию соответствует минус 273,16°. Считается, что при этой температуре, ниже которой не может быть в принципе, движение молекул и атомов прекращается, а потому невозможно и движение зарядов — ток. Но выяснилось, что вблизи к 0°К в веществе возникают интересные и для электротехники явления.

В 1908 Хейке Камерлинг-Оннес из Лейдена получил сжиженный газ гелий при 1,04°К и занялся исследованиями при близких температурах различных свойств металлов. И в 1911 случилось странное: около 4°К электрическое сопротивление скачком исчезало. В 1913 Камерлинг-Оннес впервые определил явление как «сверхпроводимость» (СП), получил Нобелевскую премию, но что-то толком объяснить в этом непонятном так и не сумел. Кстати, тридцать лет спустя в сверхпроводящем кольце «запускали» ток, он продолжал течь очень долго после того, как отключали напряжение – и хотя наука шагнула далеко вперёд, не смогли дать внятных объяснений этой «вечной» проводимости.

К 1933 году немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд, изучавшие взаимосвязь электричества и магнетизма вблизи абсолютного нуля, выяснили, что сверхпроводники — идеальные диамагнетики: токи полностью выдавливают из них магнитное поле (позже благодаря отталкиванию между магнитом и сверхпроводником заставили один парить над другим). Было установлено, что СП может разрушаться полем по-разному — скачком либо постепенно.

В 30 годы в Харьковском физтехе Л. Шубников обнаружил, что большинство сверхпроводников — не чистые металлы, а сплавы, полупроводники и керамические соединения.

Таким образом, правильнее говорить о СП не только как потере сопротивления, но как об аномалии электрических, магнитных, тепловых и других свойств, т.е. особом состоянии вещества при низких температурах. Тогда же были предприняты первые попытки теоретического объяснения СП.

В 1950 наши В. Гинзбург и Л. Ландау предложили квантовую феноменологическую теорию электродинамических свойств сверхпроводников.

Её в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шрифер из Университета Иллинойс использовали в построении своей теории «БКШ»: в металлах все электроны связываются в пары («куперовские»), которые легко, без потери энергии, несут заряды, создающие незатухающий ток СП. И в 1972 году получили Нобелевскую премию (а в 1966 г. была удостоена Ленинской премии теория Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова).

В 1962 Кембриджский студент Б. Джозефсон предсказал способность тока протекать, или «туннелизировать», через плёнку изолятора, разделяющую два сверхпроводника, развил идею и через 11 лет получил Нобелевскую премию.

В 1986 швейцарцы К. Мюллер и Й. Беднорц открыли способность керамики на основе оксидов некоторых металлов переходить в сверхпроводящее состояние при температуре 30°К – высокотемпературную сверхпроводимость (ВТСП). Это Нобелевская премия —1987.

В 2003 году русскому учёному В. Гинзбургу, А. Абрикосову из США (ученики и соратники Л. Шубникова и Л. Ландау) и Э. Леггетту из Университета Иллинойса присуждена ещё одна Нобелевская премия – за обоснование сосуществования СП с сильным магнитным полем и более высокими температурами, что вводит в сферу СП множество технически важных материалов.

К июлю 2008 наивысшую температуру СП с формулой (Sn1,0Pb0,5In0,5) Ba4Tm6Cu8O22+ удалось довести до 195°К, или всего минус 78°C. До комнатной СП еще далеко, но человечество уже преодолевает барьер между теорией и практикой, в том числе и коммерческий. Наступает век сверхпроводимости.

Полученные в СП электромагнитах поля сверхмощны, сверхмощные СП трансформаторы – сверхкомпактны. Изобретены работающие при СП клистрон — управляемый элемент типа выключателя, криотрон — запоминающий прибор для сверхскоростных компьютеров, сквид – квантовое интерференционное устройство для магнитокардиографии, детекторы элементарных частиц. СП используется в ЯМР-томографах, накопителях энергии, установках для идеальных магнитного и радиационного экранирования, не говоря уж о Большом адроном коллайдере.

Недавно сообщили об открытии сверхизоляционных свойств некоторых… сверхпроводников. Если по контуру из сверхпроводника ток может бегать бесконечно, а сверхизолятор бесконечно будет хранить запасённый в нем заряд, получится вечный двигатель (правда, нужен вечный охладитель).

Сверхпроводник всегда окружен магнитной подушкой – значит, можно создать СП подвесы и опоры без трения и напряжённых конструкций. Поезд на такой подушке уже 5 лет со скоростью 581 км/час возит пассажиров на ветке Токио-Осака (рельс из тонкой алюминиевой пластины сверху и снизу обнимают сверхпроводящие плоские катушки поезда). У нас разработан аналогичный проект Петербург—Москва.

Американские ВМС намерены оснастить свои корабли СП-моторами, они уже созданы: мощность 49 тыс. лошадиных сил при 120 об. винта в минуту, КПД 97-99 %, весит 70 тонн, а не 300, как обычный, а шумит, что важно для войны, меньше пылесоса.

Но всё же, при разговоре о практической СП первое, что приходит в голову – передача электроэнергии. КПД самых экономичных воздушных ЛЭП сейчас – 95%, применение СП кабелей позволит увеличить его до 99,5%.

Реальный, промышленно произведённый, кабель представляет собой «пирог» из 0,2 мм слоёв никель-вольфрамовой подложки, промежуточных слоёв из оксидов иттрия, циркония, и собственно несущего сверхпроводника (иттрий-барий-медный оксид, легированный взвесью из нанокристалликов оксида иттрия) под сверхтонкими слоями серебра, меди или стали. В одной из американских сетей он обеспечивал мощность 600 мегаватт для 300 тысяч жилых и офисных зданий. Создание ВТСП кабелей для электрических сетей по значимости оценивается примерно так же, как оптических волокон — для телекоммуникаций. Сколько ещё нобелевских премий понадобится, чтобы кабели и оборудование для СП технологий появились в ассортименте МПО Электромонтаж, сказать трудно. Но волоконно-оптические, изобретённые всего лет 35 назад, в нём уже есть (товарная группа П78).