Сверхпроводимость

Прошло уже более 90 лет с тех пор, как нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в 1911-м году открыл явление сверхпроводимости, за что и удостоился Нобелевской премии. И хотя в 1972-м году трём американцам – Джону Бардину, Леону Куперу и Роберту Шрифферу – была присуждена ещё одна Нобелевская премия – за теоретическое обоснование сверхпроводимости, – физическая природа этого явления, как ни удивительно, и сегодня ещё таит ряд загадок. Напомню, что речь идёт о способности некоторых веществ при охлаждении их ниже определённой температуры – так называемой критической температуры перехода – полностью терять электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь. На протяжении долгих десятилетий науке были известны лишь сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, всего на несколько градусов превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет лишь 11,2 градуса Кельвина. Между тем, получение и поддержание столь низких температур с использованием весьма капризного в эксплуатации жидкого гелия является делом не только сложным, но и, что ещё важнее, весьма дорогостоящим, а потому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи. Однако в 1986-м году двум сотрудникам концерна «Ай-Би-Эм» – немцу Йоханнесу Георгу Беднорцу и швейцарцу Карлу Александру Мюллеру – удалось открыть новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние уже при значительно более высоких температурах. Синтезированная учёными керамика, состоящая из атомов кислорода, меди, бария и лантана и в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 30 градусов Кельвина. Открытие этого нового эффекта, названного высокотемпературной сверхпроводимостью, уже на следующий год также было удостоено Нобелевской премии. Немного погодя выяснилось, что результаты опытов искажены небольшой примесью свинца и что на самом деле критическая температура этого соединения даже гораздо выше – 58 градусов Кельвина. А ещё год спустя группа американских исследователей, заменив в составе всё той же керамики лантан на иттрий, получила и вовсе сногсшибательный результат – 92 градуса Кельвина, что значительно выше температуры кипения жидкого азота. И хотя физическая природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор неизвестна, исследователям из года в год удаётся получать всё новые и новые сверхпроводники с ещё более высокой критической температурой перехода. Абсолютный рекорд – 138 градусов Кельвина – принадлежит сегодня соединению, состоящему из атомов кислорода, ртути, таллия, бария, кальция и меди. Одна беда – все эти соединения представляют собой металлооксидные керамики, которые, во-первых, очень дороги, а во-вторых, обладают высокой хрупкостью, что делает их совершенно непригодными для широкомасштабного технического применения.

Однако в начале прошлого года высокотемпературная сверхпроводимость случайно была открыта у соединения совсем иного класса. Юн Акимицу (Jun Akimitsu), профессор университета Аояма Гакуин в Токио, обнаружил, что давно известное химикам вещество – диборид магния (MgB2) – переходит в сверхпроводящее состояние при значительно более высокой температуре, чем все прочие соединения такого рода. Сообщение японского учёного вызвало подлинную сенсацию. Профессор Хельге Рознер (Helge Rosner) – физик-теоретик, сотрудник университета штата Калифорния в городе Дейвисе, – объясняет, почему:

Рознер: Потому что это было совершенно неожиданное и непредвиденное открытие: диборид магния как химическое соединение известен с 50-х годов, широко используется в качестве реактива, но никто и предположить не мог, что он обладает сверхпроводимостью, да ещё при температуре около 40 градусов Кельвина.

Казалось бы, 40 градусов Кельвина – что же тут сенсационного, если рекорд чуть ли не на 100 градусов выше? А вот что. Во-первых, критическая температура перехода у диборида магния всё же чуть ли не вдвое выше, чем у ближайшего конкурента среди двухэлементных интерметаллических соединений. От этого класса веществ учёные ничего подобного не ожидали. Во-вторых, оказалось, что сверхпроводимость диборида магния достаточно точно описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера – той самой теорией, которая не смогла объяснить высокотемпературную сверхпроводимость металлооксидных керамик. Это тоже изрядно удивило учёных, поскольку они уже давно исходили из тезиса, что классическая сверхпроводимость в стабильных химических соединениях при температурах выше 25-ти градусов Кельвина просто невозможна. Так что теперь внимание исследователей всего мира приковано к дибориду магния. Профессор Рознер говорит:

Рознер: Сегодня ведётся очень активная работа, направленная на то, чтобы сделать это соединение пригодным для широкого практического применения. Этот материал имеет малую удельную массу, дёшев и прост в производстве – чего никак не скажешь о металлооксидных керамиках – и обладает такими прочностными характеристиками, которые, надеюсь, позволят использовать его в целом ряде технических решений.

Есть у диборида магния и ещё одна особенность, которая делает его изучение весьма перспективным. Поскольку это соединение состоит из атомов всего лишь двух видов, его кристаллическая решётка и электронная структура достаточно просты. Это существенно облегчает стоящую перед физиками-теоретиками задачу – прояснить механизм высокотемпературной сверхпроводимости, что, в свою очередь, поможет исследователям приступить к целенаправленному и осмысленному поиску новых сверхпроводящих материалов. До сих пор такой поиск вёлся вслепую, а открытия совершались, как правило, случайно. Теперь же учёные надеются получить возможность конструировать новые соединения, опираясь на результаты опытов с диборидом магния. Один из таких родственных материалов вызывает повышенный интерес у профессора Рознера и его коллег – Уоррена Пикетта (Warren Pickett) и Александра Китайгородского (Alexander Kitaigorodsky):

Рознер: Этот родственный материал – борокарбид лития (LiBC). Его пространственная кристаллическая структура почти ничем не отличается от той, что свойственна дибориду магния. Там атомы бора расположены как бы в вершинах плоских шестиугольных ячеек, образующих своего рода слои, между которыми находятся атомы магния, причём на один атом магния приходится по два атома бора. В нашем соединении мы заменили атомы магния атомами лития, а каждый второй атом бора – атомом углерода.

Собственно говоря, этот слоистый материал уже неплохо изучен. Он похож на диборид магния не только своей кристаллической структурой, но и характером химических связей, и поведением электронов. Вот только сверхпроводником он при этом не является. Однако компьютерное моделирование показало, что борокарбид лития может обрести нужные свойства, если его соответствующим образом модифицировать. Профессор Рознер поясняет:

Рознер: Чтобы сделать это соединение сверхпроводящим, его необходимо допировать. В данном случае допирование – или, если хотите, дырочное легирование, – это просто удаление некоторого количества лития.

Один из способов такой обработки состоит в том, что борокарбид лития помещают в вакуумную печь и нагревают до тех пор, пока нужное количество лития не испарится. При этом атомы лития уносят с собой электроны, оставляя в материале дырки – квазичастицы, ведущие себя как носители положительного заряда. Компьютерная модель показала, что без нарушения кристаллической структуры материала из него можно удалить до 70 процентов атомов лития.

Рознер: По нашим прогнозам, у этого соединения критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние будет несколько выше 100 градусов Кельвина. Это означает, что мы сможем поддерживать сверхпроводимость борокарбида лития с помощью жидкого азота. Это открывает очень интересные перспективы в смысле технологического использования этого материала, поскольку применение в качестве хладагента жидкого азота во много раз дешевле, чем охлаждение жидким гелием, которое приходится применять в отношении обычных сверхпроводников.

Иными словами, все те невероятные вещи, о которых конструкторы мечтают с тех самых пор, как было открыто явление сверхпроводимости, действительно могут стать реальностью. Например, огромной мощности электродвигатели и электрогенераторы с невиданно высоким коэффициентом полезного действия, линии электропередачи, доставляющие энергию на любые расстояния без потерь, высокоэффективный транспорт на воздушной подушке, высокоскоростные компьютеры и электронные компоненты или сверхчувствительное медицинское диагностическое оборудование. Возможность экономично поддерживать в проводнике нулевое электрическое сопротивление позволило бы даже создать уникальные энергохранилища, в которых единожды запущенный ток мог бы циркулировать годами и десятилетиями. Однако не утопия ли это всё? Профессор Рознер высказывается подчёркнуто осторожно:

Рознер: В ходе экспериментов, проведённых в Институте физики твёрдого тела и материаловедения в Дрездене, было осуществлено такое дырочное легирование борокарбида лития. И теперь у нас есть серьёзные основания утверждать, что у части подвергшихся такой обработке образцов действительно имеет место резкое падение электрического сопротивления при низких температурах.

Никаких более определённых прогнозов профессор Рознер делать пока не готов. Многие вопросы остаются ещё открытыми. Например, из каких именно узлов решётки должны быть удалены атомы лития для получения оптимального результата? И как этого добиться? Впрочем, профессор Рознер не скрывает, что верит в успех:

Рознер: Я не только не пессимист, но скорее даже оптимист в том, что касается результатов этого исследования. И более того, я надеюсь – мы все надеемся, – что итоги работы можно будет подводить менее чем через год.

А теперь от фундаментальных и пока довольно абстрактных исследований физиков-теоретиков перейдём к более насущным прикладным проблемам водопроводчиков-эксплуатационников. Впрочем, электрическое сопротивление играет и здесь немаловажную роль. Системы горячего водоснабжения и центрального отопления – вещь не только весьма удобная, но и разумная с экологической точки зрения: комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на теплоэлектроцентралях позволяет довести суммарный коэффициент использования топлива до 70-ти процентов, а то и выше. Всё хорошо – до тех пор, пока в проложенном под землёй трубопроводе не образуется протечка. Тут нужно действовать без промедления, поскольку горячая вода в сочетании с содержащимися в почве минеральными солями вызывает быструю коррозию труб. Собственно, снять теплоизоляцию, заварить или заменить трубу и снова восстановить теплоизоляцию – само по себе не проблема. Гораздо сложнее определить место протечки. И это несмотря на то, что сегодня в теплоизоляцию труб принято интегрировать специальные контрольные электрокабели. Доктор Райнер Беккер (Rainer Becker), научный сотрудник Института неразрушающих методов испытаний имени Фраунгофера в Саарбрюккене, говорит:

Беккер: До сих пор наличие протечки определялось путём стационарного измерения электрического сопротивления трубопровода. Если протечка имела место, вода вызывала короткое замыкание кабелей, и это сразу же регистрировалось диспетчером. Тогда на контрольный кабель подавался электрический импульс, который, дойдя до влажного участка, отражался и шёл обратно.

Замерив время, необходимое импульсу, чтобы добраться до места протечки и вернуться, можно вычислить расстояние от генератора импульса до участка, требующего ремонта. Принцип тот же, что в эхолоте или радаре. Беда лишь в том, что схема подземных коммуникаций на чертежах имеет, как правило, мало общего с реальным прохождением трубопровода на местности. Прямолинейный участок вполне может оказаться весьма извилистым, а его реальная длина – не соответствующей расчётной. Райнер Беккер говорит:

Беккер: Случается, например, что экскаватор, роющий траншею, натыкается на препятствие – скажем, скальную породу. Тогда трубопровод приходится тянуть в обход препятствия, и его общая длина увеличивается.

Учёные Института в Саарбрюккене разработали новый метод, позволяющий с высокой точностью находить места протечки трубопроводов непосредственно на местности. Они предложили измерять магнитное поле электрического тока, текущего по контрольным кабелям трубопровода. Ремонтник, вооружённый соответствующим прибором, легко следует всем извивам и поворотам уложенных под землёй труб. Райнер Беккер поясняет:

Беккер: Он держит в руке сенсор, которым поводит из стороны в сторону, а на груди у него висит небольшой измерительный прибор с дисплеем. Ремонтник выбирает направление, отвечающее максимальному значению напряжённости магнитного поля, и следует ему, пока не доходит до места, где поле вдруг пропадает. Здесь-то и находится протечка.

Чтобы этот метод функционировал, специалисты Института в Саарбрюккене подают на контрольные кабели трубопровода переменный ток строго определённой частоты – 30 килогерц. Это позволяет надёжно исключить помехи от других источников электромагнитного излучения – будь то другие подземные коммуникации или магнитное поле Земли, – говорит Райнер Беккер:

Беккер: Магнитное поле Земли – поле постоянное, и оно не оказывает никакого воздействия на сконструированный нами индукционный сенсор. То есть наш сенсор на геомагнитное поле просто не реагирует.

Прибор настолько чувствителен, что позволяет с точностью до 2-х метров определять места даже нескольких следующих друг за другом протечек на одном и том же трубопроводе. Всё это, естественно, значительно удешевляет ремонтные работы. Правда, оценивать экономический эффект Райнер Беккер пока не берётся:

Беккер: Это зависит от характера местности, в которой обнаружена протечка. Если земляные работы предстоит производить, скажем, на пустыре, это легко и не так уж дорого. Однако протечки, как назло, чаще случаются под проезжей частью улицы. Тут уж приходится вскрывать асфальтовое или даже бетонное покрытие.

А это вполне может обойтись в 10 тысяч евро, если не больше. Поэтому эксплуатационники возлагают немалые надежды на аппарат, разработанный в Саарбрюккене. Он успешно прошёл испытания, так что вскоре должно начаться его серийное производство.

Вот и всё на сегодня. В студии был Владимир Фрадкин, я прощаюсь с вами, до следующей встречи.