Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович

Еще в пятидесятых годах нынешнего века в одной из зарубежных лабораторий наблюдали циркуляцию незатухающего тока в сверхпроводящем кольце в течение двух с половиной лет. По истечении этого периода эксперимент пришлось прервать. Из‑за забастовки транспортных рабочих прекратилось снабжение лаборатории жидким гелием.

Даже спустя два с половиной года после начала эксперимента не было зафиксировано ни малейшего ослабления тока в кольце.

По современным оценкам удельное электрическое сопротивление сверхпроводника в 100 миллионов триллионов раз меньше, чем у медного провода при комнатной температуре. Это значит, что ток, возбужденный в сверхпроводящем кольце, способен протекать без затухания в течение 15 миллиардов лет.

Поэтому мы очень близки к истине, считая, что электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю.

Уже первые опыты со сверхпроводящими цепями убедили исследователей в том, что они столкнулись с удивительным явлением, практическое использование которого обещает сказочные перспективы.

Казалось, что по сверхпроводящим проводам и кабелям можно передавать электрический ток на сколь угодно большие расстояния без потерь.

Мыслилось, что свинцовая сверхпроводящая обмотка, подобная использованной в первых экспериментах Камерлинг — Оннеса по сверхпроводимости, идеально подходит для создания сильных магнитных полей. Ведь в случае обычного проводника с током мощность расходуется на тепловые потери.

Мощные сверхпроводящие магниты и трансформаторы без потерь, так же как и другие виды электрических машин, имеющих сверхпроводящие обмотки, сулили грандиозные возможности.

Однако, оказалось, стоит напряженности магнитного поля превысить некоторое «критическое» значение, как явление сверхпроводимости исчезает; катушка становится обычным проводником.

Поскольку всякий ток создает магнитное поле, существует критическая величина тока, текущего по сверхпроводнику, при которой происходит разрушение сверхпроводимости. При этом критическое магнитное поле для чистых металлов обычно не превышало сотых долей тесла — величину, меньшую той, которая требуется даже для небольших электрических машин.

Но интерес исследователей к такому удивительному явлению, как сверхпроводимость, не ослаб.

К ртути, свинцу и олову вскоре прибавились новые сверхпроводники: индий, галлий и таллий. Эти металлы по своим физическим свойствам похожи друг на друга: они мягки, их температуры плавления невысоки.

Вскоре сверхпроводники были обнаружены и среди более тугоплавких и твердых металлов… Это тантал, ниобий, титан и торий.

Когда был сжижен гелий, газ с самой низкой температурой кипения, и откачаны над ним пары, казалось, что самая низкая возможная температура уже достигнута.

Однако, после того как в 1926 году был открыт так называемый метод магнитного охлаждения, появилась возможность проникнуть в область еще более низких температур. Здесь исследователей ждали новые открытия.

Но прежде разберем вкратце, в чем заключается сущность метода магнитного охлаждения.

Частицы (атомы, ионы, молекулы) парамагнитного вещества ведут себя как маленькие магнитики.

Из‑за теплового движения эти магнитики ориентированы совершенно беспорядочно.

Правда, при низких температурах, когда тепловое движение ослаблено в значительной степени, силы взаимодействия между магнитиками могут заставить их расположиться правильным образом. Но если магнитики находятся далеко друг от друга, то силы взаимодействия не хватает для наведения порядка и магнитный беспорядок сохраняется до самых низких температур.

Такие явления наблюдаются в очень сложных по своему составу парамагнитных солях, в которых, кроме магнитных частиц, есть много других немагнитных частиц, например в цериевомагниевом нитрате. В этом веществе магнитиками являются только ионы церия. Но на каждый ион церия приходится примерно 60 других, немагнитных атомов.

Магнитики так сильно разбавлены немагнитными частицами, что беспорядок в ориентации ионов церия сохраняется даже при очень низких температурах.

В парамагнитном веществе беспорядок может изменяться не только при изменении его температуры, но и при изменении его магнитного состояния.

Если парамагнитную соль поместить в постоянное магнитное поле, то все магнитики — ионы выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, наводится порядок в ориентации ионов. Если это поле убрать, снова создается беспорядок.

Практически магнитное охлаждение осуществляется следующим образом (см. схему на стр. 72).

Парамагнитную соль, находящуюся в ампуле а, заполненной газообразным гелием, помещают в сосуд с жидким гелием, температура которого равна примерно 1К, расположенный в магнитном поле между полюсами электромагнита (1).

Газообразный гелий в ампуле обеспечивает хороший тепловой контакт с жидким гелием. Таким образом, температура парамагнитной соли совпадает с температурой окружающего жидкого гелия.

Затем из ампулы откачивают газообразный гелий, обеспечив тем самым теплоизоляцию соли от окружающей среды (2).

Потом отключают магнитное поле, что ведет к разориентации магнитиков (3).

На разориентацию магнитиков расходуется энергия теплового движения ионов, что приводит к дальнейшему охлаждению соли.

С помощью этого метода можно получить температуры, лишь на тысячные доли кельвина отличающиеся от абсолютного нуля. В современной технике чаще применяется другой, более удобный способ охлаждения до температур, приближающихся к абсолютному нулю, о котором вы прочтете в главе седьмой.

В интервале «магнитных температур» (от 1К и ниже) была обнаружена новая серия сверхпроводников: кадмий, иридий, рутений, титан и другие.

Магнитное охлаждение: а — ампула; А — жидкий гелий; Б — газообразный гелий; В — вакуум. 1 — под действием магнитного поля магнитики — ионы парамагнитной соли, охлажденной жидким гелием, выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля; 2— откачкой газообразного гелия достигается теплоизоляция соли от окружающей среды; 3— при отключении магнитного поля происходит разориентация магнитиков и дальнейшее охлаждение соли.

Теперь остается представить читателю известные на сегодня сверхпроводящие элементы.

Для этого рядом с названием элемента указываются два числа: критическая температура в кельвинах (К) и критическое магнитное поле в теслах (Т), в тех случаях, когда оно известно.

Но почему около галлия стоят сразу три пары чисел?

Оказывается, некоторые элементы существуют в виде двух или большего количества простых веществ, отличающихся друг от друга, например, структурой кристаллической решетки. В науке это явление известно под названием аллотропии (от греческого — «другое свойство»).

Разные аллотропические формы одного и того же элемента могут иметь разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние и разное критическое магнитное поле.

Но продолжим наш «парад».