Загадкові квантові явища досі дивують дослідників своєю неймовірною поведінкою. Раніше ми говорили про те, що сьогодні ж розглянемо інше квантово-механічне явище - надпровідність.

Що таке надпровідність? Надпровідність - це квантове явище протікання електричного струму в твердому тілі без втрат, тобто при нульовому електричному опорі тіла.

Із введенням у фізику такого поняття як «абсолютний нуль» вчені стали все більше досліджувати властивості речовин за низької температури, коли рух молекул практично відсутній. Для досягнення низьких температур потрібне проведення такого процесу, як зрідження газу. При випаровуванні такий газ відбирає енергію у тіла, яке занурене у цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси протікають у побутових холодильниках, де скраплений газ фреон випаруються у морозилці.

У наприкінці XIX- На початку XX століття вже були отримані такі зріджені гази як кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався зрідженню гелій, при цьому очікувалося, що він допоможе досягти мінімальної температури.

Успіху в зрідженні гелію було досягнуто голландським фізиком Хейке Камерлінг-Оннесем у 1908-му році, який працював у Лейденському університеті (Нідерланди). Зріджений гелій дозволяв досягти рекордно низької температури – близько 4 К. Отримавши рідкий гелій, вчений почав займатися вивченням властивостей різних матеріалів при гелієвих температурах.

Історія відкриття

Одним із питань, які цікавили Камерлінг-Оннеса, було вивчення опору металів за наднизьких температур. Було відомо, що зі зростанням температури електричний опір також зростає. Отже, очікується, що зі зменшенням температури спостерігатиметься зворотний ефект.

Експериментуючи з ртуттю 1911-го року, вчений довів її до замерзання і продовжив знижувати температуру. При досягненні 4,2 ​​До пристрій перестало фіксувати опір. Оннес замінював пристрої в дослідницькій установці, оскільки побоювався їх несправності, проте пристрої незмінно показували нульовий опір, незважаючи на те, що до абсолютного нуля залишалося ще 4 К.

Після відкриття надпровідності ртуті виникла велика кількість питань. Серед них: «Чи властива надпровідність іншим речовинам, крім ртуті?» або «опір знижується до нуля, або він настільки мало, що існуючі пристрої не можуть його виміряти.

Оннес запропонував оригінальне дослідження з непрямим виміром, якого рівня знижується опір. Порушений у напівпровідниковому ланцюгу електричний струм, який був виміряний за допомогою відхилення магнітної стрілки, не згасав кілька років. Згідно з результатами цього експерименту, отриманий за допомогою розрахунків питомий електричний опір надпровідника дорівнював 10-25 Ом.м. Порівняно з питомим електричним опором міді (1.5?10-8 Ом.м) дана величина менша на 7 порядків, що робить її практично нульовою.

Ефект Мейснера

Крім надпровідності, надпровідники мають ще одну відмінну рису, а саме - ефект Мейснера. Це явище швидкого згасання магнітного поляу надпровіднику. Надпровідник є діамагнетиком, тобто в магнітному полі надпровідника індукуються макроскопічні струми, які створюють власне магнітне поле, яке повністю компенсує зовнішнє.

Ефект Мейснера зникає у сильних магнітних полях. Залежно від типу надпровідника (про це далі) надпровідний стан при цьому або повністю зникає (надпровідники I-го роду), або надпровідник сегментується на нормальні і надпровідні області (II-го роду). Саме цей ефект здатний пояснити левітацію надпровідника над сильним магнітом або магніту над надпровідником.

Теоретичне пояснення ефекту надпровідності

Феноменологічний підхід. Хоча Камерлінг-Оннес і є першовідкривачем надпровідності, першу теорію надпровідності вперше було запропоновано 1935-го року німецькими фізиками та братами Фріцом та Гайнцом Лондонами. Вчені прагнули математично записати такі властивості надпровідника як надпровідність та ефект Мейснера, не вникаючи в мікроскопічні причини надпровідності, феноменологічно. Виведені рівняння дозволяли пояснити ефект Мейснера так, що зовнішнє магнітне поле могло проникати у надпровідник лише на певну глибину, яка залежить від так званої лондонівської глибини проникнення. Для пояснення надпровідності, знадобилося припущення про те, що носіями струму в надпровіднику, як і в металі, є електрони. При цьому нульовий опір означає те, що електрон не відчуває зіткнень під час свого руху. Оскільки це стосується всіх електронів провідності, має місце струм електронів без опору.

Очевидно, що дана теоріяне пояснює саму природу цього явища, лише описує його й дозволяє пророкувати його поведінка у ряді випадків. Глибока, але також, феноменологічна теорія була запропонована в 1950 році радянськими фізиками-теоретиками Льомом Ландау і Віталієм Гнізбургом.

Теорія БКШ. Перше якісне пояснення явищу надпровідності було запропоновано в рамках так званої теорії БКШ, побудованої американськими фізиками Джоном Бардіном, Леоном Купером та Джоном Шриффером. Ця теорія виходить із припущення, що між електронами за певних умов може виникати тяжіння. Тяжіння, яке зумовлене різними збудженнями, в першу чергу - коливаннями кристалічних ґрат, здатне створювати «куперовські пари» - пов'язані стани двох електронів у кристалі. Така пара може рухатися в кристалі, не розсіюючись ні на коливання кристалічних ґрат, ні на домішки. У речовинах з температурою, далекою від нуля, достатньо енергії, щоб «розірвати» таку пару електронів, тоді як за низьких температур система не має достатньої енергії. Внаслідок цього виникає потік пов'язаних електронів - куперівських пар, які практично не взаємодіють з речовиною. У 1972-му році Д. Бардін, Л. Купер та Д. Шриффер отримали Нобелівську преміюз фізики.

Пізніше радянський фізик-теоретик Микола Боголюбов удосконалив теорію БКШ. У своїх роботах вчений докладно описав умови, за яких можуть утворюватися куперівські пари (енергія близька до енергії Фермі, певні спини та ін.) в результаті квантових ефектів. Окремо електрони є частинками з напівцілим спином (ферміони), які нездатні утворювати і переходити в надплинний стан. Коли ж є куперівська пара електронів, то вона є квазічастинкою з цілим спином і є . За певних умов бозони здатні формувати конденсат Бозе-Ейнштейна, тобто речовина, частки якої займають один і той самий стан, що призводить до виникнення надплинності. Така надплинність електронів пояснює ефект сврехпроводимости.

Надпровідники у змінному електричному полі

Крім надпровідності та ефекту Мейснера, надпровідники мають низку інших властивостей. Варто відзначити наступне - нульовий опір надпровідників характерний тільки при постійному струмі. Змінне електричне поле робить опір надпровідника ненульовим і воно зростає зі збільшенням частоти поля.

Також як дворідинна модель розділяє надплинний матеріал на область надплинності та область звичайної речовини, так поділяється і потік електронів на надпровідні та звичайні. Постійно поле прискорювало б надпровідні електрони до нескінченності (з огляду на їх нульовий опір), що неможливо, тому воно звертається в нуль при попаданні в надпровідник. Так як постійне електричне поле не діє на надпровідники, то і звичайні електрони не схильні до його впливу (воно просто виштовхується назовні), а значить рух представлений лише надпровідними електронами.

У випадку зі змінним електричним полемвідбувається процес прискорення електронів із наступним уповільненням, що фізично можливо. У такому випадку має місце і струм звичайних електронів, які мають властивість опору. Чим вища частота такого поля, тим більше виявляються ефекти, пов'язані зі звичайними електронами.

Момент Лондона

Ще одна цікава властивість надпровідника – момент Лондона. Суть феномена полягає в тому, що надпровідник, що обертається, створює магнітне поле, яке вирівнюється точно вздовж осі обертання провідника.

Подальше дослідження цього явища призвело до відкриття гравіту магнітного моментуЛондон. У 2006-му році дослідники Мартін Таджмар з інституту ARC Seibersdorf Research, Австрія, та Кловіс де Матос з Європейського космічного агентства(ESA) виявили, що сврехпроводник, що обертається з прискоренням, генерує також і гравітаційне поле. Однак таке гравітаційне поле слабше земного приблизно в 100 мільйонів разів.

Класифікація надпровідників

Існує кілька класифікацій надпровідників, які спираються на такі критерії:

1. Реакція магнітне поле. Цю властивість ділить надпровідники на дві категорії. Надпровідники першого роду мають деяке одне критичне значення магнітного поля, перевищивши яке, вони втрачають надпровідність. ІІ-го роду - мають два граничні значення магнітного поля. При застосуванні магнітного поля, обмеженого цими значеннями, до надпровідників цієї категорії поле частково проникає всередину, при цьому зберігаючи надпровідність.
2. Критична температура. Розрізняють низькотемпературні та високотемпературні надпровідники. Перші мають властивість надпровідності при температурах нижче −196 °C або 77 К. Високотемпературним надпровідникам достатньо температури вище зазначеної. Такий поділ має місце, оскільки високотемпературні надпровідники можуть застосовуватися на практиці як охолоджувачі.
3. Матеріал. Тут виділяють такі різновиди як: чистий хімічний елемент(на зразок ртуті або свинцю), сплави, кераміка, органічні або на основі заліза.
4. Теоретичний опис. Як відомо, будь-яка фізична теорія має певну сферу застосування. З цієї причини, для подальшого застосування, є сенс розділяти надпровідники за теоріями, які здатні описати їхню природу.

Надпровідність графену

Останні кілька років популярність графена значно зросла. Нагадаємо, що графен є шаром модифікованого вуглецю, товщиною в один атом. Насамперед цьому посприяло відкриття вуглецевих нанотрубок- специфічний надміцний матеріал, який створюється за допомогою згортання одного або декількох шарів графену.

У 2018 році група дослідників з Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету під керівництвом професора Пабло Джарілло-Ерреро виявила, що при обертанні під певним («магічно») кутом, два аркуші графену повністю позбавлені електропровідності. Коли дослідники застосували до матеріалу напругу, додавши невелику кількість електродів до цієї графенової конструкції, вони виявили, що на певному рівні електрони вирвалися з ізолюючого початкового стану і протікали без опору. Найважливішою особливістюданого явища є те, що надпровідність зазначеної графенової конструкції була отримана за кімнатної температури. І хоча пояснення цього ефекту залишається під питанням, його потенціал у сфері енергопостачання досить високий.

Застосування надпровідників

Надпровідники ще не набули широкого застосування, проте розробки в цій галузі активно ведуться. Так, завдяки ефекту Мейснера можливі «парячі» над дорогою потяги на магнітній подушці - маглеви.

На основі надпровідників вже створюються надпотужні турбогенератори, які можуть застосовуватись на електростанціях.

Кріотрон - ще одне застосування надпровідності, яке може бути корисним для техніки та електронних приладів. Це такий пристрій, який може перемикати стан надпровідника зі звичайного в надпровідне за дуже короткий час(від 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Кріотрони можуть бути використані в інформаційних системах, пов'язаних із запам'ятовуванням та кодуванням. Так вперше вони застосовувалися як пам'ятні пристрої в ЕОМ. Також кріотрони можуть допомогти в галузі кріоелектроніки, серед завдань якої - підвищити чутливість приймачів сигналу та зберегти форму сигналу якнайкраще. Тут досягненню поставлених цілей сприяють низькі температури та ефект надпровідності.

Також, через відсутність опору в надпровідниках, кабелі з такої речовини доставляли б електрику без втрат на нагрівання, що значно підвищило б ефективність електропостачання. Сьогодні такі кабелі вимагають охолодження за допомогою рідкого азоту, що підвищує ціну їх експлуатацію. Проте дослідження в цій сфері ведуться, і перша електропередача на основі надпровідників була приведена в експлуатацію в Нью-Йорку 2008 року компанією American Superconductor. 2015-го року Південна Корея оголосила про намір створити кілька тисяч кілометрів надпровідних ліній електропередач. Якщо додати до цього нещодавнє відкриття надпровідності графену за кімнатної температури, то найближчим часом слід очікувати глобальні зміниу галузі електропостачання.

Крім зазначених областей застосування, надпровідність застосовується у вимірювальній техніці, починаючи від детекторів фотонів і закінчуючи вимірюванням геодезичної прецесії за допомогою надпровідних гіроскопів космічному апараті"Gravity Probe B". Цей вимір підтвердив прогноз Ейнштейна про наявність такої прецесії з причин, викладених у Загальної теоріївідносності. Не заглиблюючись у механізм вимірювання, слід зазначити, що дані про геодезичну прецесію Землі дозволяють точно калібрувати штучні супутникиЗемлі.

Підбиваючи підсумки написаного вище, напрошується висновок про перспективність ефекту надпровідності у багатьох областях, і великому потенціалі надпровідників, насамперед у сферах електропостачання та електротехніки. Очікуємо найближчим часом безліч відкриттів у цій галузі.

Німецькими фізиками та .

Фізичне пояснення

При охолодженні надпровідника, що у зовнішньому постійному магнітному полі, у момент переходу в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого під час падіння опору до нуля індукція магнітного поля в об'ємі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля в обсязі провідника дозволяє укласти з того, що в ньому існує тільки поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. У цьому відношенні надпровідник поводиться формально як ідеальний. Однак він не є діамагнетиком, тому що всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

Ефект Мейснера не може бути пояснений лише нескінченною провідністю. Вперше його природу пояснили брати і з допомогою. Вони показали, що у надпровіднику поле проникає на фіксовану глибину від поверхні – лондонівську глибину проникнення магнітного поля. λ (\displaystyle \lambda). Для металів λ ∼ 10 − 2 (\displaystyle \lambda \sim 10^(-2))мкм.

Надпровідники І та ІІ роду

Чисті речовини, які мають спостерігається явище надпровідності, нечисленні. Найчастіше надпровідність буває у сплавів. У чистих речовин має місце повний ефект Мейснера, а сплавів не відбувається повного виштовхування магнітного поля з об'єму (частковий ефект Мейснера). Речовини, що виявляють повний ефект Мейснера, називаються надпровідниками першого роду, а частковий надпровідниками другого роду. Однак варто відзначити, що в низьких магнітних полях повним ефектом Мейснера мають усі типи надпровідників.

У надпровідників другого роду обсягом є кругові струми, створюють магнітне полі, яке, проте, заповнює не весь обсяг, а розподілено у ньому вигляді окремих ниток . Що ж до опору, воно дорівнює нулю, як і в надпровідниках першого роду, хоча рух вихорів під дією поточного струму створює ефективний опір у вигляді дисипативних втрат на пересування магнітного потокувсередині надпровідника, чого уникають введенням у структуру надпровідника дефектів - центрів, за які вихори "чіпляються".

«Труна Магомета»

«Труна Магомета» — досвід, що демонструє ефект Мейснера в .

Походження назви

З тілом висів у просторі без будь-якої підтримки, тому цей експеримент називають «труну Магомета».

Постановка досвіду

Надпровідність існує тільки при низьких температурах (у -кераміках - при температурах нижче 150), тому попередньо охолоджують речовину, наприклад, за допомогою . Далі кладуть на поверхню плоского надпровідника. Навіть у полях, яких становить 0,001, помітно зміщення магніту вгору на відстань порядку сантиметра. При збільшенні поля до критичного магніт піднімається все вище.

Пояснення

Однією з властивостей надпровідників є виштовхування з області надпровідної фази. Відштовхуючись від нерухомого надпровідника, магніт «спливає» сам і продовжує «парити» доти, поки зовнішні умови не виведуть надпровідник із надпровідної фази. В результаті цього ефекту магніт, що наближається до надпровідника, «бачить» магніт однакової полярності і такого ж розміру, що викликає левітацію.

Примітки

Література

• Надпровідність металів та сплавів. - М.:, 1968. - 280 с.
• Про проблеми левітації тіл у силових полях //. - 1996. - № 3. - С. 82-86.

У 1913р. німецькі фізики Мейснер та Оксенфельд вирішили експериментально перевірити, як саме розподіляється магнітне поле навколо надпровідника. Результат виявився несподіваним. Незалежно від умов проведення експерименту, магнітне поле всередину провідника не проникало. Вражаючий факт полягав у тому, що надпровідник, охолоджений нижче критичної температури в постійному магнітному полі, мимоволі виштовхує це поле зі свого обсягу, переходячи в стан, при якому магнітна індукція = 0, тобто. стан ідеального діамагнетизму. Це явище отримало назву ефекту Мейснера.

Багато хто вважає, що ефект Мейснера є найбільш фундаментальною властивістю надпровідників. Справді, існування нульового опору неминуче випливає із цього ефекту. Адже поверхневі екранізуючі струми постійні в часі і не згасають у магнітному полі, що не вимірюється. У тонкому поверхневому шарі надпровідника ці струми створюють своє магнітне поле, суворо рівне і протилежне зовнішньому полю. У надпровіднику ці два зустрічні магнітні поля складаються так, що сумарне магнітне поле стає рівним нулюХоча складові поля існують спільно, тому й говорять про ефект «виштовхування» зовнішнього магнітного поля з надпровідника.

Нехай у вихідному стані ідеальний провідник охолоджений нижче за критичну температуру і зовнішнє магнітне поле відсутнє. Внесемо тепер такий ідеальний провідник у зовнішнє магнітне поле. Поле на зразок не проникає, що схематично зображено на рис. 1 . Відразу по появі зовнішнього поля на поверхні ідеального провідника виникає струм, що створює, за правилом Ленца, своє власне магнітне поле, спрямоване назустріч прикладеному, і повне поле у ​​зразку дорівнюватиме нулю.

Це можна довести, використовуючи рівняння Максвелла. При зміні індукції Увсередині зразка має виникнути електричне поле Е:

Де з - Швидкість світла у вакуумі. Але в ідеальному провіднику R = 0, оскільки

E = jс,

де з - питомий опір, який у нашому випадку дорівнює нулю, j- Щільність наведеного струму. Звідси випливає, що B=const, але оскільки до внесення зразка в полі У= 0, то ясно, що У= 0 та після внесення в поле. Це можна інтерпретувати ще й так: оскільки з =0, час проникнення магнітного поля в ідеальний провідник дорівнює нескінченно.

Отже, внесений до зовнішнього магнітного поля ідеальний провідник має У= 0 у будь-якій точці зразка. Однак того ж стану (ідеальний провідник при Т<Т з у зовнішньому магнітному полі) можна досягти і іншим шляхом: спочатку накласти зовнішнє поле на «теплий» зразок, а потім охолодити його до температури Т<Т з .

Електродинаміка передбачає ідеального провідника зовсім інший результат. Дійсно, зразок при Т>Т з має опір та магнітне поле в нього добре проникає. Після охолодження його нижче Т з поле залишиться у зразку. Ця ситуація зображена на рис. 2.

Таким чином, крім нульового опору надпровідники мають ще одну фундаментальну властивість - ідеальний діамагнетизм. Зникнення магнітного поля всередині пов'язане з появою поверхневих струмів, що незагасають, в надпровіднику. Але магнітне полі може бути виштовхнуто повністю, т.к. це означало б, що на поверхні магнітне поле падає стрибком від кінцевого значення Удо нуля. Для цього необхідно, щоб поверхнею протікав струм, нескінченної щільності, що неможливо. Отже, магнітне поле проникає углиб надпровідника, на деяку глибину л.

Ефект Мейснера Оксенфельда спостерігається тільки в слабких полях. У разі збільшення напруженості магнітного поля до величини Н cmнадпровідний стан руйнується. Це поле отримало назву критичного Н cm. Залежність між критичним магнітним полем та критичною температурою добре описується емпіричною формулою (6).

Н cm (T)=Н cm (0) [1-(T/T c ) 2 ] (6)

Де Н cm (0) - критичне поле екстраполіроване до абсолютного нуля .

Графік цієї залежності наведено малюнку 3. Цей графік можна розглядати, як фазову діаграму, де кожна точка сірої частини відповідає надпровідному стану, а білої області - нормальному.

За характером проникнення магнітного поля надпровідники поділяються на надпровідники першого та другого роду. У надпровідник першого роду магнітне поле не проникає до тих пір, поки напруженість поля не досягне значення Н cm. Якщо поле перевищує критичне значення, то надпровідний стан руйнується і поле повністю проникає у зразок. До надпровідників першого роду належать усі хімічні елементи надпровідники, крім ніобію.

Підрахували, що при переході металу з нормального стану до надпровідного проводиться деяка робота. Що є, власне, джерелом цієї роботи? Те, що у надпровідника енергія нижча, ніж у того ж металу у нормальному стані.

Зрозуміло, що «розкіш» ефекту Мейснера надпровідник може дозволити собі за рахунок виграшу в енергії. Виштовхування магнітного поля буде мати місце доти, поки пов'язане з цим явищем збільшення енергії компенсується ефективнішим її зменшенням, пов'язаним з переходом металу в надпровідний стан. У досить магнітних полях енергетично вигіднішим виявляється не надпровідний, а нормальний стан, в якому поле вільно проникає в зразок.

Ефект Мейснера

Ефект Мейснера - це повне витіснення магнітного поля з обсягу провідника при його переході до надпровідного стану. При охолодженні надпровідника, що у зовнішньому постійному магнітному полі, у момент переходу в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого під час падіння опору до нуля індукція магнітного поля в об'ємі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля обсягом провідника дозволяє укласти із загальних законів магнітного поля, що у ньому існує лише поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. У цьому плані надпровідник поводиться формально як ідеальний діамагнетик. Однак він не є діамагнетиком, тому що всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

Теорія надпровідності

При вкрай низьких температурах ціла низка речовин має опір принаймні в 10-12 разів менше, ніж при кімнатній температурі. Експерименти показують, що якщо створити струм у замкнутому контурі з надпровідників, цей струм продовжує циркулювати і без джерела ЕРС. Струми Фуко в надпровідниках зберігаються дуже довгий час і не згасають через відсутність джоулева тепла (струми до 300А продовжують текти багато годин поспіль). Вивчення проходження струму через ряд різних провідників показало, що опір контактів між надпровідниками також дорівнює нулю. Відмінною властивістю надпровідності є явища Холла. У той час, як у звичайних провідниках під впливом магнітного поля струм у металі зміщується, у надпровідниках це явище відсутнє. Струм у надпровіднику ніби закріплений на своєму місці. Надпровідність зникає під дією наступних факторів:

• 1) підвищення температури;
• 2) дія досить сильного магнітного поля;
• 3) досить велика щільність струму у зразку;

З підвищенням температури майже раптово з'являється помітний омічний опір. Перехід від надпровідності до провідності тим крутіший і помітніший, ніж однорідніший зразок (найбільш крутий перехід спостерігається в монокристалах). Перехід від надпровідного стану до нормального можна здійснити шляхом підвищення магнітного поля при температурі нижче критичної.

Початок XX століття у фізиці можна назвати епохою гранично низьких температур. У 1908 році голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес вперше отримав рідкий гелій, що має температуру всього на 4,2 ° вище абсолютного нуля. А невдовзі йому вдалося досягти температури менш як одного кельвіна! За ці досягнення в 1913 Камерлінг-Оннес був удостоєний Нобелівської премії. Але він зовсім не гнався за рекордами, його цікавило, як речовини змінюють свої властивості за таких низьких температур, зокрема, він вивчав зміну електричного опору металів. І ось 8 квітня 1911 року сталося щось неймовірне: при температурі трохи нижче за температуру кипіння рідкого гелію електричний опір ртуті раптово зник. Ні, воно не просто стало дуже малим, воно виявилося рівним нулю (наскільки це було можливо виміряти)! Жодна з теорій, які існували на той момент, нічого подібного не передбачала і пояснити не могла. У наступному році подібна властивість була виявлена ​​у олова і свинцю, причому останній проводив струм без опору і при температурах навіть трохи вище за температуру кипіння рідкого гелію. А до 1950-1960-х років були відкриті матеріали NbTi і Nb 3 Sn, що відрізняються здатністю зберігати надпровідний стан у потужних магнітних полях і при протіканні великих струмів. На жаль, вони ще вимагають охолодження дорогим рідким гелієм.

1. Встановивши «літаючий вагон» з начинкою з надпровідника, з обкладками з просоченої рідким азотом меламінової губки та оболонкою з фольги на магнітну рейку через прокладку з кількох дерев'яних лінійок, заливаємо в нього рідкий азот, «вморожуючи» магнітне поле в надпровідник.

2. Дочекавшись охолодження надпровідника до температури менше -180°С, акуратно виймаємо з-під нього лінійки. «Вагон» стабільно ширяє, навіть якщо ми розташували його не зовсім по центру рейки.

Наступне велике відкриття в області надпровідності відбулося в 1986 році: Йоханнес Георг Беднорц і Карл Олександр Мюллер виявили, що спільний оксид меді-барію-лантану має надпровідність при дуже високій (порівняно з температурою кипіння рідкого гелію) температурі - 35 К. Вже в наступному році, замінивши лантан на ітрій, вдалося досягти надпровідності при температурі 93 К. Звичайно, за побутовими мірками це все ще досить низькі температури, -180°С, але головне, що вони вищі від порога в 77 К — температури кипіння дешевого рідкого азоту. Крім величезної за мірками звичайних надпровідників критичної температури, для речовини YBa2Cu3O7-x (0 ≤ x ≤ 0,65) та інших купратів досяжні надзвичайно високі значення критичного магнітного поля і щільності струму. Таке чудове поєднання параметрів не тільки дозволило значно ширше застосовувати надпровідники в техніці, але й уможливило безліч цікавих і видовищних дослідів, які можна зробити навіть у домашніх умовах.

Нам не вдалося зафіксувати ніякого падіння напруги при пропусканні через надпровідник струму більше 5 А, що говорить про нульовий електричний опір. Ну принаймні про опір менше 20 мкОм — мінімуму, який можна зафіксувати нашим приладом.

Який вибрати

Для початку потрібно роздобути відповідний надпровідник. Відкривачі високотемпературної надпровідності запікали суміш оксидів у спеціальній печі, але для найпростіших дослідів ми рекомендуємо купити готові надпровідники. Вони випускаються у вигляді полікристалічної кераміки, текстурованої кераміки, надпровідних стрічок першого та другого покоління. Полікристалічна кераміка коштує недорого, але й параметри у неї далекі від рекордних: вже невеликі магнітні поля та струми можуть зруйнувати надпровідність. Стрічки першого покоління теж не вражають своїми параметрами. Зовсім інша справа - текстурована кераміка, вона має кращі властивості. Але для розважальних досвідів вона незручна, тендітна, деградує згодом, і найголовніше — знайти її у вільному продажу досить складно. А ось стрічки другого покоління виявилися ідеальним варіантом для максимальної кількості наочних дослідів. Цей високотехнологічний продукт вміють виробляти лише чотири компанії у світі, зокрема російська «СуперОкс». І, що дуже важливо, свої стрічки, зроблені на основі GdBa2Cu3O7-x, вони готові продавати в кількості від одного метра, чого вистачає для проведення наочних наукових експериментів.

Надпровідна стрічка другого покоління має складну структуру з множини шарів різного призначення. Товщина деяких шарів вимірюється нанометрами, так що це справжнісінькі нанотехнології.

Рівно нулю

Наш перший досвід – вимір опору надпровідника. Чи воно нульове? Вимірювати його звичайним омметром безглуздо: він покаже нуль і при підключенні до мідного дроту. Такі малі опори вимірюються інакше: через провідник пропускають великий струм і вимірюють падіння напруги на ньому. Як джерело струму ми взяли звичайну лужну батарейку, яка при короткому замиканні дає близько 5 А. При кімнатній температурі як метр надпровідної стрічки, так і метр мідного дроту показують опір кілька сотих ома. Охолоджуємо провідники рідким азотом і відразу спостерігаємо цікавий ефект: ще до того, як ми пустили струм, вольтметр уже показав приблизно 1 мВ. Очевидно, це термо-ЕРС, оскільки в нашій схемі багато різних металів (мідь, припій, сталеві «крокодильчики») та перепади температури в сотні градусів (віднімемо цю напругу при подальших вимірах).

Тонкий дисковий магніт чудово підходить для створення платформи, що левітує, над надпровідником. У разі надпровідника-сніжинки він легко «вдавлюється» у горизонтальному положенні, а у разі надпровідника-квадрата його варто «вморожувати».

А тепер пропускаємо струм через охолоджену мідь: той же провід показує опір вже всього тисячні частки ома. А що ж із надпровідною стрічкою? Підключаємо батарейку, стрілка амперметра миттю спрямовується до протилежного краю шкали, а ось вольтметр своїх показань не змінює навіть на десяту мілівольта. Опір стрічки в рідкому азоті точно дорівнює нулю.

Як кювета для надпровідної збірки у формі сніжинки відмінно підійшла кришка від п'ятилітрової пляшки з водою. Як теплоізоляційну підставку під кришку варто використовувати шматок меламінової губки. Доливати азот доводиться не частіше ніж один раз на десять хвилин.

Літальні апарати

Тепер перейдемо до взаємодії надпровідника та магнітного поля. Малі поля із надпровідника взагалі виштовхуються, а сильніші проникають у нього не суцільним потоком, а у вигляді окремих «струменів». Крім того, якщо ми рухаємо магніт біля надпровідника, то в останньому наводяться струми, і їхнє поле прагне повернути магніт назад. Все це уможливлює надпровідну або, як її ще називають, квантову левітацію: магніт або надпровідник можуть висіти в повітрі, які стабільно утримуються магнітним полем. Щоб переконатися в цьому, досить маленького рідкісноземельного магнітика та шматочка надпровідної стрічки. Якщо ж мати хоча б метр стрічки і неодимові магніти більші (ми використовували диск 40 x 5 мм і циліндр 25 x 25 мм), то можна зробити цю левітацію видовищною, піднявши додатковий вантаж.

Насамперед потрібно нарізати стрічку на шматочки і скріпити їх у пакет достатньої площі та товщини. Скріплювати можна і суперклеєм, але це не надто надійно, так що краще спаяти їх звичайним малопотужним паяльником із звичайним олов'яно-свинцевим припоєм. За наслідками наших дослідів можна рекомендувати два варіанти пакетів. Перший — квадрат зі стороною три ширини стрічки (36 x 36 мм) з восьми шарів, де в кожному наступному шарі стрічки укладаються перпендикулярно стрічкам попереднього шару. Другий — восьмипроменева «сніжинка» з 24 відрізків стрічки довжиною 40 мм, покладених один на одного так, що кожен наступний відрізок повернутий на 45 градусів щодо попереднього та перетинає його в середині. Перший варіант трохи простіше у виготовленні, набагато компактніший і міцніший, зате другий забезпечує кращу стабілізацію магніту та економічну витрату азоту за рахунок його вбирання у широкі щілини між листами.

Надпровідник може висіти не лише над магнітом, а й під ним, та й взагалі у будь-якому положенні щодо магніту. Так само як і магніт не повинен висіти саме над надпровідником.

До речі, про стабілізацію варто сказати окремо. Якщо заморозити надпровідник, а потім просто піднести до нього магніт, то висіти магніт не буде - впаде осторонь надпровідника. Щоб стабілізувати магніт, нам потрібно змусити поле проникнути всередину надпровідника. Зробити це можна двома способами: вморожуванням і вдавлюванням. У першому випадку ми розміщуємо магніт над теплим надпровідником на спеціальній опорі, потім наливаємо рідкий азот і видаляємо опору. Такий метод відмінно працює з «квадратом», він підійде і для монокристалічної кераміки, якщо ви її знайдете. Зі «сніжинкою» метод теж працює, хоч і трохи гірше. Другий метод передбачає, що ви силою наближатимете магніт до вже охолодженого надпровідника, поки той не захопить поле. З монокристалом кераміки такий метод майже не працює: надто великі зусилля потрібні. А ось з нашою "сніжинкою" працює чудово, дозволяючи стабільно підвісити магніт у різних положеннях (з "квадратом" теж, але становище магніту неможливо зробити довільним).

Щоб побачити квантову левітацію, достатньо навіть невеликого відрізку надпровідної стрічки. Щоправда, утримувати у повітрі вийде лише маленький магнітик і на невеликій висоті.

Вільне ширяння

І ось магніт вже висить за півтора сантиметри над надпровідником, нагадуючи про третій закон Кларка: «Будь-яка досить розвинена технологія не відрізняється від магії». Чому б не зробити картину ще магічнішою — розмістити на магніті свічку? Прекрасний варіант для романтичної квантово-механічної вечері! Щоправда, треба врахувати кілька моментів. По-перше, свічки у металевій гільзі прагнуть сповзти до краю диска-магніта. Щоб позбавитися цієї проблеми, можна використовувати підсвічник-підставку у вигляді довгого гвинта. Друга проблема - википання азоту. Якщо спробувати долити його просто так, то пар, що йде з термоса, гасить свічку, так що краще використовувати широку вирву.

Восьмишаровий пакет надпровідних стрічок може легко утримати дуже потужний магніт на висоті 1 см і більше. Збільшення товщини пакета підвищить масу, що утримується, і висоту польоту. Але вище кількох сантиметрів магніт у жодному разі не підніметься.

До речі, а куди саме доливати азот? У яку місткість помістити надпровідник? Найпростіше виявилися два варіанти: кювета зі складеної в кілька шарів фольги і, у разі «сніжинки», кришечка від п'ятилітрової пляшки з водою. В обох випадках ємність ставиться на шматок меламінової губки. Ця губка продається в супермаркетах і призначена для збирання, вона - добрий утеплювач, який чудово витримує кріогенні температури.

У цілому нині рідкий азот досить безпечний, проте за його використанні таки необхідно діяти акуратно. Також дуже важливо не закривати ємності з ним герметично, інакше при випаровуванні в них підвищується тиск, і вони можуть вибухнути! Зберігати та транспортувати рідкий азот можна у звичайних сталевих термосах. На наш досвід у дволітровому термосі він зберігається як мінімум дві доби, а в трилітровому — ще довше. На один день домашніх експериментів, залежно від їхньої інтенсивності, йде від одного до трьох літрів рідкого азоту. Коштує він недорого – приблизно 30-50 рублів за літр.

Нарешті, ми вирішили зібрати рейку з магнітів і пустити по ньому вагон, що летить, з начинкою з надпровідника, з обкладками з просоченої рідким азотом меланінової губки і оболонкою з фольги. З прямою рейкою проблем не виникло: взявши магніти 20 x 10 x 5 мм і укладаючи їх на листі заліза подібно до цегли в стіні (горизонтальній стіні, оскільки нам потрібний горизонтальний напрямок магнітного поля), легко зібрати рейку будь-якої довжини. Тільки потрібно торці магнітів змащувати клеєм, щоб вони не роз'їжджалися, а залишалися щільно стиснутими без зазорів. Такою рейкою надпровідник ковзає абсолютно без тертя. Ще цікавіше зібрати рейку у формі кільця. На жаль, тут без проміжків між магнітами вже не обійтися, а на кожному проміжку надпровідник трохи гальмується ... Проте гарного поштовху цілком вистачає на пару-трійку кіл. При бажанні можна спробувати обточити магніти і виготовити спеціальну напрямну для їх встановлення - тоді можлива і кільцева рейка без стиків.

Редакція висловлює подяку компанії «СуперОкс» та особисто її керівнику Андрію Петровичу Вавілову за надані надпровідники, а також інтернет-магазину neodim.org за надані магніти.