Сверхпроводимость: когда электрический ток течёт совсем без сопротивления

В обычном проводе ток постепенно затухает, а в сверхпроводящем кольце он может циркулировать буквально годами, ничего не теряя.

Сверхпроводимость — это не «очень маленькое» сопротивление, а ровно нулевое. Электроны вдруг перестают сталкиваться с препятствиями и текут идеально согласованным потоком.

Случайное открытие в погоне за холодом

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес научился получать рекордно низкие температуры и изучал, как ведут себя металлы в таком холоде. Охлаждая ртуть, он ожидал, что её сопротивление будет плавно падать. Но при температуре около минус 269 градусов произошло неожиданное: сопротивление не уменьшилось, а исчезло. Полностью. Ток потёк, словно никаких преград нет.

Так открыли сверхпроводимость — состояние, в котором электрический ток встречает абсолютно нулевое сопротивление.

Почему обычный провод сопротивляется

Вспомним, отчего греется обычный провод. Электроны, неся ток, постоянно сталкиваются с колеблющимися атомами решётки и теряют энергию — она уходит в тепло. Это и есть сопротивление: вечная толкучка электронов сквозь дрожащую решётку.

Логично предположить: охладим металл — атомы будут колебаться слабее, толкотни меньше, сопротивление упадёт. Так и происходит... до поры. Но обычное охлаждение лишь плавно снижает сопротивление, никогда не доводя до нуля. А сверхпроводимость обнуляет его скачком. Значит, дело не просто в спокойной решётке — здесь работает что-то более тонкое.

Электроны, идущие парами

Объяснение пришло лишь спустя десятилетия. Оказалось, что при достаточном холоде электроны начинают вести себя необычно: они объединяются в пары (их называют куперовскими парами). Сами по себе электроны отталкиваются — оба заряжены отрицательно. Но через лёгкие колебания решётки между ними возникает слабое притяжение, и они связываются в дуэты.

А спаренные электроны подчиняются другим квантовым правилам. Все пары сливаются в единый согласованный поток, который движется как одно целое. Чтобы затормозить такой поток, нужно сбить сразу все пары разом — а на это не хватает мелких случайных толчков решётки. Поэтому препятствия для тока просто исчезают: рассеивать энергию по одному электрону больше нельзя.

Почему нужен холод

Связь в паре очень слабая. Стоит температуре подняться выше определённого порога — критической температуры, — и тепловое дрожание разрывает пары. Сверхпроводимость мгновенно пропадает, металл становится обычным.

У первых сверхпроводников критическая температура была чудовищно низкой — близко к абсолютному нулю. Позже нашли материалы, работающие «всего лишь» при температуре жидкого азота (около минус 196 градусов), что куда дешевле. Заветная мечта физиков — сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, — пока не достигнута.

Магнит, который висит в воздухе

У сверхпроводимости есть эффектный спутник. Сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле — это называют эффектом Мейснера. Если положить магнит над сверхпроводником, тот зависнет в воздухе, словно по волшебству. Этот фокус — основа поездов на магнитной подвеске, которые мчатся, не касаясь рельсов.

Где это уже работает

Несмотря на капризность и нужду в холоде, сверхпроводники давно приносят пользу:

• Томографы (МРТ) в больницах используют сверхпроводящие катушки, чтобы создавать мощное и стабильное магнитное поле.
• Ускорители частиц, вроде Большого адронного коллайдера, разгоняют частицы магнитами на сверхпроводниках.
• Поезда на магнитной подушке в нескольких странах летят над путём без трения качения.

Связь критической температуры и энергии связи пар физики записывают приблизительно так:

$$k_B T_c \sim \Delta,$$

где $T_c$ — критическая температура, $\Delta$ — энергия, нужная чтобы разорвать пару, а $k_B$ — постоянная Больцмана. Чем прочнее пары, тем выше порог, при котором держится чудо.

Итог

Сверхпроводимость — это идеально гладкий путь для тока, возникающий, когда электроны объединяются в пары и текут единым потоком. Платой служит сильный холод, разрушающий пары при нагреве. Но даже в нынешнем виде это явление уже двигает поезда, заглядывает в тело человека и помогает разгонять частицы почти до скорости света.