Летающие поезда, квантовые компьютеры и другие чудеса на сверхпроводниках
Электрический ток, проходящий по проводам, напоминает станцию метро в час пик, только на этой станции колонны расставлены по всему залу, а пассажиры двигаются в одном направлении — и постоянно натыкаются на препятствия. В жизни из-за этого было бы много расшибленных лбов, а в проводнике из-за столкновений электронов с ионами теряется энергия: она уходит в виде тепла. Потеря энергии нежелательна сама по себе, а может быть и вовсе опасной. Например, медный кабель толщиной в миллиметр перегреется даже из-за обыкновенного чайника — хватай огнетушитель.
Смотрите также
Что мы знаем о физике Алексее Абрикосове
Но некоторые вещества — их называют сверхпроводниками — пропускают ток свободно. Миллиметровый сверхпроводящий кабель легко выдержит в тысячу раз большую нагрузку, и к нему можно подключить целый поселок. Еще такой кабель пригодится в электромагнитах, ведь чем сильнее протекающий внутри ток, тем сильнее создаваемое им поле. Магниты в ускорителях частиц и медицинских томографах делаются именно на основе сверхпроводников, так как привычных медных проводов понадобилось бы столько, что они попросту не поместились бы в эти аппараты. Благодаря материалам с таким удивительным свойством мы можем рассмотреть мозг изнутри и столкнуть друг с другом мельчайшие кирпичики мироздания.
Но почему некоторые материалы пропускают ток без потерь, ученые долго не могли понять. Феномен ставил физиков в тупик на протяжении 40 лет после того, как сверхпроводимость впервые обнаружили у охлажденной ртути, и до конца не прояснен до сих пор. А первую содержательную теорию этого явления в 1950-х годах помог создать молодой советский ученый Алексей Абрикосов.
Что открыл Абрикосов
Абрикосов родился в известной московской семье. Его отец руководил вскрытием Ленина, мать была главным прозектором Лечебно-санитарного управления Кремля. Род Абрикосовых восходил к крепостным крестьянам из Пензенской губернии, которые, освободившись, основали кондитерскую фабрику. Советская власть фабрику национализировала и присвоила ей имя Петра Бабаева — это тот самый концерн "Бабаевский".
В 15 лет Абрикосов поступил в Московский энергетический институт, потом перевелся в МГУ, а в 27 лет защитил докторскую диссертацию по квантовой электродинамике и тогда же занялся сверхпроводимостью. Разработанная при его участии концепция известна как теория Гинзбурга — Ландау, но встречается и другое, более полное название: теория Гинзбурга — Ландау — Абрикосова — Горькова.
Из этой теории следовало, что на поверхности сверхпроводников возникают кольцевые электрические потоки, или вихри Абрикосова. Эти вихри появляются под действием внешнего магнитного поля (например, из-за проходящего тока) и выстраиваются в периодическую решетку: чем сильнее поле, тем больше этих вихрей. Если поле становится слишком велико, то вихри сталкиваются и сверхпроводимость исчезает, поэтому даже у сверхпроводников пропускная способность ограничена.
Развернуть
Алексей Абрикосов получает Нобелевскую премию по физике из рук короля Карла XVI Густава
© EPA PHOTO/SCANPIX SWEDEN/Claudio Bresciani/POOL
Алексей Абрикосов получает Нобелевскую премию по физике из рук короля Карла XVI Густава
© EPA PHOTO/SCANPIX SWEDEN/Claudio Bresciani/POOL
В 1950-е годы применить практике эти открытия не получалось, но сдвиг от разрозненных фактов к теории был важен сам по себе — настолько, что за исследования сверхпроводников в 2003 году Абрикосову, Виталию Гинзбургу и Энтони Леггетту вручили Нобелевскую премию по физике. Сам Абрикосов к этому моменту уже 12 лет жил в США, где работал в Аргоннской национальной лаборатории.
Где могли бы пригодиться сверхпроводники
Долгое время сверхпроводники пытались использовать именно затем, чтобы передавать электричество без потерь и пропускать очень большие токи по тонким кабелям. Проблема в том, что сверхпроводимость возникает при охлаждении материала почти до абсолютного нуля — даже в космосе теплее, — поэтому устройства со сверхпроводниками приходилось охлаждать жидким гелием.
Открытие в 1980-х годах сверхпроводников с более высокой рабочей температурой, которые можно охлаждать не гелием, а дешевым азотом (жидкий азот — это "всего" –196 °С) поначалу казалось прорывом. Но прошло время — и сегодня сверхпроводящие линии электропередач по-прежнему существуют только в виде опытных образцов, а магниты Большого адронного коллайдера охлаждают все равно гелием.
Еще сверхпроводники можно использовать в транспорте: при помощи сильных магнитных полей можно поднять в воздух целый поезд. Преимущества очевидны: у такого поезда нет изнашивающейся подвески, а без трения о железнодорожное полотно он сможет развивать скорость в сотни километров в час. В Шанхае даже построили коммерческую линию, соединяющую аэропорт с центром города, только работает она на обычных электромагнитах — так дешевле и проще. Дорогу со сверхпроводниками собираются построить в Японии, но, по оптимистичным прогнозам, она будет готова только в 2030-х годах.
Квантовая левитация. Эксперимент проведен в Японском институте науки и технологий
Также сверхпроводники пригодились бы в компьютерах, которые сегодня потребляют сотни ватт и сильно нагреваются. Но, во-первых, ноутбук с системой охлаждения на жидком азоте или хотя бы сухом льде попросту непрактичен. Во-вторых, индустрию микроэлектроники пришлось бы перевести с кремния на какой-нибудь экзотический материал-сверхпроводник, а для этого заново пройти путь, начатый почти полвека назад.
Где сверхпроводники действительно нужны
Есть у сверхпроводников и другие, более перспективные сферы применения. Через пять лет после того, как Абрикосов описал токовые вихри, молодой американский физик Брайан Джозефсон предсказал, что ток способен протекать через тонкие прослойки изоляторов между сверхпроводниками. Согласно классической физике, изолятор в принципе не может пропускать ток, но в квантовой теории джозефсоновский контакт — та самая тонкая прослойка непроводящего материала — не был препятствием. Когда это явление было обнаружено экспериментально, его стали использовать в СКВИДах.
СКВИД — это сокращенное название сверхпроводящего квантового интерферометра. Этот прибор способен заметить малейшее колебание магнитного поля, чтобы, например, проследить за работой мозга. В рассказе Уильяма Гибсона "Джонни-мнемоник" и повести Нила Стивенсона "Лавина" герои таким образом считывали мысли. Реальная магнитоэнцефалография пока этого не умеет, но уже применяется в диагностике и по точности заметно превосходит привычную электроэнцефалографию.
Еще СКВИДы и ряд похожих систем на основе джозефсоновских контактов рассматриваются как основа для квантовых компьютеров с уникальными вычислительными алгоритмами. Обычные вычисления основаны на кодировании данных нулями и единицами: единица соответствует электрическому заряду, а ноль — его отсутствию. Квантовая система — тот же СКВИД — отличается тем, что может быть одновременно и в "нулевом", и в "единичном" состоянии, отчего принцип работы меняется радикально.
Смотрите также
Лауреаты Нобелевских премий - наши соотечественники. Досье
Квантовые компьютеры нужны не затем, чтобы полностью заменить обычные, но с некоторыми задачами они справляются намного быстрее. Так, на взлом многих современных шифров, которыми защищены данные, у квантового компьютера ушли бы не миллионы лет, а считаные минуты. Оттого ведущие страны мира торопятся создать такое устройство: победители выведут криптографию на совершенно другой уровень. Пригодятся квантовые компьютеры и в научных расчетах, например, в моделировании взаимодействия молекул — это облегчит поиск новых лекарств и материалов. Эти задачи чрезвычайно важные, поэтому никого не смущает, что СКВИДы и их аналоги работают при глубоком охлаждении.
Большая часть современных исследований касается именно квантовых процессов, а не поисков высокотемпературных сверхпроводников (пока рекорд –100 °C удерживает сероводород под очень высоким давлением). Так, в мае 2018 года российско-французская группа ученых показала, что вихри Абрикосова, зародившись внутри сверхпроводника, проникают и внутрь примыкающего к нему обычного металла. Это явление, возможно, пригодится в разработке чего-нибудь полезного: если не считывателя мыслей или дешифратора секретной информации на лету, то хотя бы сверхточного научного прибора.
Алексей Тимошенко, старший корреспондент научно-популярного сайта "Чердак"
По материалам:
