<<
>>

Сверхпроводимость и сверхтекучесть

  Собсвенным моментом вращения обладаю не только электроны, но и другие элементарные частицы, которые в зависимости от их спина делятся на два вида - фермионы и бозоны. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значение спина (например, электроны), а бозонами - частицы с целым спином (например, фотоны).
Принцип Паули, по которому две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии, справедлив для всех фермионов, но бозоны его начисто игнорируют: в одном состоянии может находиться сколько угодно бозонов!

При глубоком охлаждении некоторых металлов электроны их атомов с противоположными спинами, превозмогая электрическое отталкивание, объединяются в пары, называемые ку- перовскими (по имени их первооткрывателя). Эти пары, в отличие от отдельных электронов, обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозонами. Такие частицы обладают замечательным свойством: если температура ниже некоторого критического значения, они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой-либо частице выйти из этого состояния. Все пары при этом когерентны, то есть описываются единой волновой функцией. Тогда электрический ток переносится не отдельными электронами, а куперовскими парами, то есть квантами тока с зарядом 2е (е - заряд электрона). Если в обычном проводнике электроны постоянно натыкаются на дефекты кристаллической решетки, примесные атомы и т.п., мешающими прохождению тока, то с когерентными ку- перовскими парами этого не происходит. Грубо говоря, они могут проходить через любые преграды и даже друг через дружку! Это сводит электрическое сопротивление проводника к нулю, и, например, возбужденный в сверхпроводящем кольце ток может крутиться в нем бесконечно долго.

Электрический ток в сверхпроводнике напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это как бы очень большая электронная орбита.

В 1911 году Камерлинг-Онесс открыл сверхпроводимость ртути, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию сверхпроводимости. В 1933 году Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники полностью выталкивают линии магнитного поля из своего объема - это так называемый эффект Мейснера: постоянный магнит парит (левитирует) над сверхпроводящим диском (см. фото).

Рис 49. Эффект Мейснера *

* Перепечатано с www.phys.pe.kr

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Сверхпроводники позволят создать сверхмощные магниты, не требующие электрического питания, сверхчувствительные сенсоры, электронику, не нуждающуюся в охлаждении и многое другое. Кстати, в отличие от Шредингерова кота, электрический ток в сверхпроводнике вполне подчиняется квантовым законам суперпозиции различных состояний: ученым удалось создать замкнутое кольцо, по которому ток одновременно течет и по часовой, и против часовой стрелки!

При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при определенной для каждого материала температуре, называемой критической. Однако практическое использование замечательных свойств сверхпроводников тормозится их потребностью в сверхнизких температурах и, соответственно, громоздких криогенных установках. Исследования в области наноматериалов позволили создать специальные вещества (нанокерамику, нанотрубки и т.п.), которые являются сверхпроводниками при сравнительно высоких температурах. Широкое распространение высокотемпературных сверхпроводников приведет к огромной экономии электроэнергии, уменьшению и удешевлению всех электрических устройств.

Объединяться в бозоны могут не только электроны. В 1938 году советский ученый П.Л. Капица открыл явление сверхтекучести гелия. При температурах, близких к абсолютному нулю, у гелия исчезает вязкость и он становится сверхтекучим. Сверхтекучий гелий так и норовит улизнуть: если налить его в обычный глиняный кувшин, он утечет сквозь тончайшие поры в его структуре. Если налить сверхтекучее вещество в сосуд из более плотного материала, то в виде тонкой пленки он потечет вверх по стенкам и далее опять- таки через край. Его невозможно заморозить никаким понижением температуры и даже нельзя создать разность температур — сверхтекучесть приводит к сверхтеплопроводности.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Сверхпроводимость и сверхтекучесть:

  1. Эмпирические методы.
  2. РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ – ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ В РАЗНЫЕ ГОДЫ
  3. Наука и культура
  4. Уточнение описания «нормальной науки»
  5. Основания квантовой механики — «теорфизическая» парадигма
  6. Категориальный каркас синергетики
  7. НАУЧНЫЕ ШКОЛЫ МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
  8. Глава 13 Суперсимметрия: скачок за пределыСтандартной модели
  9. Нейтронные звезды
  10. Сверхпроводимость и сверхтекучесть