100 лет назад была открыта сверхпроводимость

В наши дни инженеры-физики, химики, электротехники и технологи уже научились  создавать сверхпроводящие (СП) километровые кабели, передающие электроэнергию почти без потерь, и электромагнитные катушки,  создающие огромные поля в десятки тысяч эрстед. Будущее развитие СП-технологий сулит человечеству огромные перспективы, и прежде всего в сохранении энергии в линиях  электропередачи, создании принципиально  новых двигателей для транспорта, диагностических установок  для медицины. Приведем краткие  сведения об основных событиях на скачкообразном пути познания сверхпроводимости.

Камерлинг-Оннес впервые в мире сумел получить жидкий гелий, имеющий из всех веществ самую низкую температуру кипения 4,2 К (-268,8°С). Причем у следующих за гелием хладагентов точки кипения находятся значительно выше: у водорода — 20,3 К, кислорода — 90,2 К, азота — 77,4 К. Гелий очень редок и рассеян, его литр дороже литра жидкого азота в три тысячи раз. Проводя опыты с металлами в жидком гелии, Оннес внезапно обнаружил скачок вниз, до нуля электросопротивления ртути при охлаждении ее ниже точки Т_с=4,15 К, которую он назвал критической. Сразу после этого открытия  в передовых лабораториях мира, имеющих жидкий гелий, начали  тестировать на СП разные металлы  и сплавы. В СССР жидкого гелия не было до конца 1930-х годов, когда  его научились получать в Институте  физических проблем АН СССР, в котором П.Л. Капица открыл сверхтекучесть  гелия. СП — явление, родственное сверхтекучести, но сверхтекучая «жидкость» представляет собой не нейтральные атомы гелия, а заряженные частицы — электроны.
За 20 лет после открытия СП ученые  опробовали все доступные им металлы и множество сплавов. К 1930 г. было установлено, что среди чистых металлов наивысшей точкой Т_с=9,20 К обладает ниобий. У алюминия Т_с=1,18 К. У меди, серебра, золота, а также у щелочных и щелочноземельных металлов не обнаружено точек  перехода в СП-состояние. Самыми  перспективными низкотемпературными  сверхпроводниками (НТСП) оказались сплавы с ниобием: Nb_хTi_1-х (Т_с =8—10 К), потому что они пластичны. Выше Т_с у Nb₃Sn (18 К). Этот интерметаллид  выдерживает магнитное поле до 100 тыс. эрстед при плотности транспортного тока до тысяч А/мм². Но он хрупок, «нетехнологичен». Рекордное значение Т_с=24 К показал сплав Nb₃Ge, также хрупкий. Этот рекорд  продержался до 1986 г. Чаще всего изготавливают и применяют НТСП на основе сплава ниобия с титаном. Жилки НТСП-проводов диаметром менее 0,1 мм располагаются в медной матрице, их скручивают, покрывают  медью (или хромом, никелем),  потом подобную операцию повторяют со скрученными, более толстыми жилками. Общее число СП-жилок в сечении достигает сотен тысяч. Затем НТСП-кабель помещают в стальную трубу и обжимают.
Мечтой ученых было найти вещество,  которое переходило бы в СП-состояние выше точки кипения азота.  Тогда вся техника сверхпроводимости  резко упрощалась бы: можно было применять нейтральный, безопасный  и дешевый жидкий азот. Но в период с 1930 по 1986 г. ничего принципиально нового среди НТСП найдено не было. Вместе с тем были сделаны решающие теоретические достижения. В 1950 г. будущие нобелевские  лауреаты В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау вывели математическое уравнение для описания СП в проводниках  макроскопических размеров. Основная идея была такая. При фазовом переходе в СП-состояние ниже точки Т_с часть электронов (не все!) становится единым ансамблем. Такие  электроны теряют индивидуальные  свойства, характерные для частиц со спином ½, их поведение теперь описывается единой макроскопической  пси-функцией (Ψ-теория), которая «позволяет» этому облаку электронов перемещаться без трения  в кристаллической матрице, неся огромный ток. Другая часть свободных электронов, перемещающихся с трением, будет присоединяться к СП-ансамблю по мере приближения температуры к абсолютному нулю. В этом состоянии все электроны стали бы сверхпроводящими.
В середине 1950-х годов Л. Купер (США) выдвинул парадоксальную идею о возможности взаимопритяжения в паре электронов в твердом теле при достаточно низкой температуре.  Такие электронейтральные куперовские пары не испытывают трения при движении в кристаллической решетке. В конце 1940-х до середины 1950-х годов была создана микроскопическая  теория сверхпроводимости, в разработке которой ведущую роль сыграли Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Р. Шриффер (все из США), а также советский физик Н.Н. Боголюбов. В 1972 г. трое указанных американцев  получили Нобелевскую премию  и микроскопическую теорию СП стали называть теорией БКШ. Без формул и графиков из квантовой теории  вряд ли возможно объяснить простым языком механизмы, лежащие в основе макро- и микротеорий СП*. Просто констатируем, что притяжение в паре электронов возникает на большом расстоянии за счет взаимодействия их с фононами — квантами колебаний кристаллической решетки,  причем вступают во взаимодействие  только электроны с противоположными  спинами и импульсами. Обмен фононами приводит к слабому притяжению электронов в куперовских парах на некоторых расстояниях,  намного больших параметра решетки, когда кулоновское отталкивание  друг от друга электронов уже не играет роли.
Существует еще одно важнейшее свойство сверхпроводников — идеальный  сверхпроводник полностью выталкивает из своего объема магнитное поле (эффект Мейснера). Точнее, в СП магнитное поле не проникает  до некоторой критической напряженности Н_с. Этим СП принципиально отличаются от обычных проводников,  в которые магнитное поле может проникать по всему объему. Если приложить поле выше значения Н_с , то оно разрушит СП-состояние. Между тем в реальный сверхпроводник, содержащий как СП-фазу, так и обычную фазу в промежуточном состоянии,  в интервале температур от 0 К до Т_с , магнитное поле частично проникает, оно лишь выталкивается из объема СП в тонкий приповерхностный слой. Ток через такой проводник  проходит исключительно через СП-фазу, которая шунтирует несверхпроводящую фазу.

По магнитным свойствам СП разделяются на две группы. К СП первого рода относится ряд чистых металлов, за исключением ниобия и ванадия. К СП второго рода относятся тысячи сплавов и керамик. Понятие об СП второго рода ввел в конце 1950-х годов советский физик-теоретик А.А. Абрикосов, получивший в 2003 г. Нобелевскую премию за их теорию. Принципиальным отличием СП второго  рода является наличие в них тончайших нитевидных неоднородностей диаметром порядка 10^-7 см (дефектов,  примесных фаз), вытянувшихся вдоль СП и ориентированных вдоль магнитного поля. Вокруг них возникают вихри сверхпроводящего тока. Большее практическое значение в электротехнике имеют СП второго рода, потому что у них Т_с и Н_с гораздо выше, чем у СП первого рода. С 2000 г. в США освоили изготовление  низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), несмотря на большие технологические трудности из-за их хрупкости. Они стали применяться в небольших компактных системах — электромагнитных СП-катушках, создающих  сильные однородные магнитные  поля — до 20—100 тыс. эрстед.  Они используются в медицинских  ядерно-магнитных томографах (метод называют магниторезонансной томографией, МРТ). Это самый  чувствительный из методов обнаружения  и диагностики структур,  состоящих из мягких биологических  тканей, и в первую очередь опухолей. При исследовании пациента,  находящегося на специальной полке, вкатывают внутрь огромного  СП-электромагнита. В мире уже изготовлены многие тысячи ЯМР-томографов. Но в России их число составляет пока всего десятки (импортных). Так, например, в огромном Онкологическом научном центре на Каширке всего один такой томограф. ЯМР-томографы охлаждают жидким гелием, дозаправка гелия происходит раз в три года. Помимо томографов, разработаны и применяются электронакопительные системы на НТСП-магнитах для регулирования пиковых нагрузок в больших электросетях,  коммутаторы и токоограничители мощных сетей.
Температурный рекорд интерметаллида Nb₃Ge держался до конца 1986 г. Казалось, что существует некий предел для СП-состояния материалов — не выше 30 К. А ведь только дешевый и безопасный жидкий азот мог бы в принципе обеспечить значительное  развитие электротехники на основе СП. И вдруг в конце 1986 г. произошел неожиданный скачок вверх по Т_с. К. Беднорц и А. Мюллер (Швейцария) синтезировали разные вещества, в том числе керамику, измеряли  множество их свойств и на всякий случай тестировали на сверхпроводимость. Оказалось, что их керамика на основе купратов — кислородного  соединения меди с лантаном  и стронцием — имела Т_с=36 К. В научном мире начался бум. В марте 1987 г. были получены керамики из купратов иттрия и бария, которые уже перескочили азотный рубеж (77 К)! Такие «послеазотные» сверхпроводники  стали называть высокотемпературными (ВТСП), в отличие  от «доазотных» НТСП. В результате  погони за веществами, у которых можно было бы достичь точки перехода  в СП-состояние при возможно  большей критической температуре Т_с , установлен на данный момент «рекорд» Т_с=138 К (при нормальном давлении). Он получен на керамике состава H-Ba-Ca-Cu-O(F). Под давлением 400 кбар точка Т_с этой керамики  достигла 166 К, т.е. «всего» на 100 градусов ниже комнатной температуры. Вот один забавный случай из истории «погони за ВТСП», рассказанный  В.Л. Гинзбургом. Некий наш крупный ученый сдал статью в научный  журнал с сообщением о синтезе новой СП-керамики. При этом он исказил ее формулу, чтобы результат «не украли». Он исправил формулу в последний момент, в верстке, и тут узнал, что создана керамика по его искаженной формуле, причем как ВТСП она оказалась не хуже.
Конструкция ВТСП-кабелей представляет  собой многослойную структуру, напыляемую на стальную ленту. Снизу идут два микронных слоя MgO, второй из них ориентирован под углом 30-40° с целью ориентирования  напыляемых на него микрокристаллов  ВТСП из керамики Y-Ba-Cu-О; верхний защитный слой — из меди. В начале ХХI века на мировом рынке появились кабели длиной 1,5 км и ВТСП-трансформаторы. В Японии разработана опытная бесколесная железная дорога на СП магнитной подвеске. Мощное поддерживающее  магнитное поле создают ВТСП-электромагниты, установленные в вагоне. Вдоль пути уложены поперечные металлические стержни, в которых наводится волна тока, управляемая компьютером. 5 декабря 2005 г. состоялось первое испытание  такого поезда. Он развил скорость более 500 км/ч, просвет с полотном составил около 10 см.

В России, во ВНИИ кабельной промышленности (ВНИИКП), уже создана 200-метровая ВТСП-линия с номинальным  напряжением 20 кВ и передаваемой мощностью 50 МВт, которую в 2011-2012 гг. установят на московской подстанции «Динамо» для опытной эксплуатации. Чепецкий механический завод (ЧМЗ) производит НТСП-кабели для обмоток магнитов по проекту ITER — первого в мире термоядерного реактора, строящегося  под Марселем силами ряда государств, в т.ч. России. Как бы скептически  ни относились к данному проекту  многие крупнейшие физики, убежденные, что в лучшем случае это будет дорогостоящая демонстрационная  модель, не способная производить  полезную энергию, ITER позволяет  финансировать разработку и внедрение ряда новейших технологий,  в т.ч. и СП-проводников. Так, ЧМЗ совместно с ВНИИКП произведут до 2013 г. 170 т НТСП-жил на основе NbTi и Nb₃Sn, которые обеспечат пятую часть тороидальной обмотки основного «сосуда» для плазмы в реакторе, а также двух из шести прямоосных катушек электромагнитов.
Пока никто из ученых не может  точно предсказать, существует ли реальная перспектива получить комнатно-температурные сверхпроводники (КТСП). В.Л. Гинзбург подчеркивал, что для этого принципиальных физических ограничений нет, но вместе с тем для прорыва к КТСП, скорее всего, потребуется синтез совершенно  новых веществ, не существующих в природе. Получение КТСП совершило бы подлинный переворот в электротехнике, существенно повлияло  бы на развитие цивилизации в ХХI веке.

* Для читателей, интересующихся сверхпроводимостью, рекомендуем научно-популярную книгу: В.Л. Гинзбург, Е.А. Андрюшин. «Сверхпроводимость». М. Альфа-М. 2006. 110 с.