Сверхпроводимость — это уникальное физическое явление, при котором материал обладает без сопротивления электрическим током. История открытия сверхпроводимости началась в 1911 году, когда голландский физик Хейке Камерлингх-Оннес обнаружил, что при очень низких температурах сопротивление ртути полностью исчезает.
Однако, научное сообщество не обратило должного внимания на открытие Камерлингх-Оннеса, и исследования в области сверхпроводимости остановились на долгое время. Только в 1957 году американский ученый Джон Барден и его сотрудник Ллойд Бриттен обнаружили, что сверхпроводники могут работать и при более высоких температурах, чем те, которые были изначально исследованы Камерлингх-Оннесом.
Значительный вклад в развитие сверхпроводимости внес русский физик Лев Ландау, который полностью объяснил этот феномен с помощью своей теории основных взаимодействий. За свои научные достижения Ландай получил Нобелевскую премию по физике в 1962 году. С тех пор сверхпроводимость была активно изучена и стала основой для создания различных технологических решений и применений в области энергетики, медицины и транспорта.
Открытие эффекта Мейсснера-Оксенфельда
Эффект Мейсснера-Оксенфельда, или сверхпроводимость, был открыт в начале XX века независимо друг от друга физиками Хейнрихом Мейснером и Робертом Оксенфельдом. Они представляют собой явление, при котором некоторые материалы обладают абсолютной электрической проводимостью без сопротивления.
Дальнейшие исследования
Открытие эффекта Мейсснера-Оксенфельда стало отправной точкой для дальнейших исследований в области сверхпроводимости. Многие ученые начали изучать этот эффект и пытались выяснить его физическую природу.
Одним из первых, кто предложил объяснение сверхпроводимости, был Леонид Ландау. Он предположил, что сверхпроводимость обусловлена тем, что электроны в сверхпроводниках формируют спаренные состояния, называемые куперовскими парами, и эти состояния не подвержены рассеянию на кристаллической решетке. Это объяснение стало первым шагом в направлении создания теории сверхпроводимости.
В настоящее время сверхпроводимость активно исследуется и находит множество применений в различных областях, таких как медицина, энергетика и электроника. Открытие эффекта Мейсснера-Оксенфельда стало прорывом в нашем понимании физических явлений и открыло дверь во множество новых возможностей и открытий.
Эксперименты с жидким гелием
Одним из ключевых шагов в истории открытия сверхпроводимости было изучение веществ при экстремально низких температурах. Именно такие исследования позволили ученым обнаружить уникальные свойства сверхпроводников.
Одним из самых популярных материалов для этих исследований стало жидкое гелий. Это вещество обладает сверхнизкой температурой замерзания, что позволяет достичь чрезвычайно низких температур, необходимых для экспериментов.
Жидкое гелий как охладитель
Жидкое гелий применяется в качестве охладителя в экспериментах сопротивления некоторых материалов. Это позволяет снизить температуру таких материалов до точки, где они начинают обнаруживать сверхпроводимость. Такой подход позволяет исследовать различные материалы и их свойства при экстремально низких температурах.
Измерение сверхпроводимости
Эксперименты с жидким гелием также позволили ученым измерить ключевые свойства сверхпроводников, такие как критическая температура и критическое поле. Измерения проводились с помощью различных методов, включая магнитные и электрические измерения.
Обнаружение свойств низкотемпературного сверхпроводимого состояния
В 1911 году холландский физик Хейк Камерлинг-Оннес обнаружил первые признаки сверхпроводимости при очень низких температурах. Он открыл, что при охлаждении свинцового проводника до определенной точки, его электрическое сопротивление резко падает до нуля. Это явление, получившее название нулевого сопротивления, оказалось основным признаком сверхпроводимости.
Впоследствии, в 1913 году, Оннес и его сотрудник виллем Хендрик Кесом (Willem Hendrik Keesom) обнаружили другой характерный признак сверхпроводимости – магнетизм сверхпроводников. Они наблюдали, что свинцовый образец, находящийся в сверхпроводимом состоянии, исключал магнитные поля из своего внутреннего пространства. Это явление получило название эффект Мейсснера и стало одним из главных экспериментальных проявлений сверхпроводимости.
Однако, для полного понимания сверхпроводимости требовалось разработать теорию объясняющую эти явления. В 1957 году Японский физик Джон Бедно предложил принципиально новую теорию, объясняющую сверхпроводимость на основе квантовой механики. В его теории было показано, что электроны в сверхпроводнике могут образовывать так называемые пары Купера, состоящие из двух электронов с противоположными спинами. При образовании этих пар, электроны приобретают нулевую эффективную массу и не рассеиваются на кристаллической решетке, что ведет к нулевому сопротивлению. Таким образом, теория Бедно стала основой для понимания сверхпроводимости и дала толчок к дальнейшему исследованию этого явления и разработке новых материалов с высокой температурой сверхпроводимости.
Разработка теоретических основ сверхпроводимости
Разработка теоретических основ сверхпроводимости была сложной и длительной задачей для ученых. Первыми шагами в этом направлении были экспериментальные наблюдения сверхпроводимости и выявление ее основных свойств.
Еще в начале 20 века Гейзенберг и Макс Борн предложили модель Ферми-Гейзенберга для объяснения поведения сверхпроводников. Эта модель основывалась на представлении о квантовых состояниях электронов и их взаимодействии при низких температурах.
В 1950-х годах Джон Барден и Джон Шмидт сформулировали феноменологическую теорию сверхпроводимости, в которой вводили понятие волновой функции сверхпроводника. Она представляла собой волновую функцию пары электронов, движущихся с одним и тем же квазиимпульсом.
Однако наибольший вклад в разработку теоретических основ сверхпроводимости внесли британские физики Джон Барден, Брайан Джозефсон и американский физик Роберт Шриффер. В 1957 году Джозефсон предложил новую теорию сверхпроводимости, названную впоследствии его именем — теорию Джозефсона. Она описывала поведение сверхпроводников при наличии потоков электронов между двумя сверхпроводящими областями через тонкий диэлектрик.
Также в 1957 году Шриффер, используя метод Бардинга и Джозефсона, разработал теорию сверхпроводимости II рода. Она объясняла явление долгоживущих колебаний и переноса зарядов через сверхпроводящие туннельные контакты. Эта теория получила название BCS-теории (неформальное название по первым буквам фамилий Бардинга, Купера и Шриффера).
В современной науке теория Джозефсона и BCS-теория являются основополагающими в области сверхпроводимости. Они дали возможность более глубоко понять сверхпроводимость и развить новые приложения этого явления в современных технологиях.
Основатели концепции сверхпроводимости
Фриц Лондон
Один из основоположников концепции сверхпроводимости — Фриц Лондон. Он родился в Германии в 1900 году и стал одним из ведущих теоретиков в области сверхпроводимости. В 1933 году Лондон совместно с своей женой, Хейленой, разработал теорию сверхпроводимости на основе квантовой механики. Они предположили, что электроны в сверхпроводниках образуют парамагнитное состояние, причем эти электроны образуются в пары, ныне именуемые парами Купера.
Роберт Шриффер
Другим выдающимся ученым, работавшим в области сверхпроводимости, был Роберт Шриффер. Он родился в 1931 году в США и сделал большой вклад в понимание и объяснение свойств сверхпроводников. Шриффер в 1957 году разработал теорию BCS (от фамилий его соавторов), которая объясняла сверхпроводимость в терминах сформировавшихся соседей-электронов, называемых пары ми синглетов. За эту работу Шриффер был удостоен Нобелевской премии по физике в 1972 году.
Достижения Лондона и Шриффера положили основу для дальнейших исследований и разработок в области сверхпроводимости. Их работы стали отправной точкой для понимания механизма сверхпроводимости и были признаны важными открытиями в физике.
Первое применение сверхпроводников в электротехнике
Первым важным применением сверхпроводников в электротехнике стало создание сверхпроводящих приборов, таких как сверхпроводящие квантовые интерферометры. Они были разработаны в 1962 году в Харвардском университете. Квантовые интерферометры на основе сверхпроводников обладают уникальными свойствами, такими как высокая чувствительность и точность измерений.
Еще одним применением сверхпроводников в электротехнике стало создание сверхпроводящих кабелей. Сверхпроводящие кабели позволяют эффективно передавать электрическую энергию на большие расстояния без потерь. Подобные кабели могут использоваться для передачи больших мощностей в энергетике или для создания мощных суперкомпьютеров.
Также сверхпроводники нашли применение в создании супермагнитов. Супермагниты на основе сверхпроводников обладают намного более сильным магнитным полем, чем обычные магниты. Это даёт широкие возможности для применения в научных исследованиях, медицине, магнитной левитации и других областях.
Постепенно сверхпроводники стали находить все больше и больше применений в электротехнике, и сегодня их используют в таких областях, как медицина, транспорт, наука и промышленность.
Основные классы сверхпроводников
| Класс сверхпроводников | Описание | Примеры |
|---|---|---|
| Обычные металлические сверхпроводники | Материалы, в которых сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. | Ртуть, алюминий, олово, свинец |
| Высокотемпературные сверхпроводники | Материалы, в которых сверхпроводимость возникает уже при более высоких температурах, близких к комнатной. | Оксиды меди (например, YBa2Cu3O7) |
| Железопниковые сверхпроводники | Особый тип сверхпроводников, образующихся в железосодержащих материалах и обладающих повышенной устойчивостью к магнитным полям. | LaFeAs(O,F), SmFeAsO(1-x)F(x) |
| Органические сверхпроводники | Материалы, состоящие из органических молекул, обладающие сверхпроводимостью при очень низких температурах или высоком давлении. | TMTSF, BETS, TTF-TCNQ |
| Жидкостные сверхпроводники | Тип сверхпроводников, в которых сверхпроводимость проявляется в жидкой фазе. | Гелий-3, серафиды, гидриды алкалитов |
Каждый из этих классов сверхпроводников имеет свои уникальные свойства и потенциальные применения. Исследования в области сверхпроводимости продолжаются, и все больше материалов открываются как сверхпроводники при различных условиях.
Открытие сверхпроводимости высокотемпературных материалов
Однако сверхпроводимость ртути неприменима для практического использования, так как ее нужно держать при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Поэтому исследователями активно искались материалы, которые обладали бы сверхпроводимостью при более высоких температурах.
Большой прорыв в области сверхпроводимости произошел в 1986 году, когда швейцарские физики Карл Мюллер и Йоханнс Беднорц открыли сверхпроводимость в сплаве из бария, лантана и меди (BaLaCuO).
После этого открытия, исследователи по всему миру стали активно искать аналогичные материалы. В результате, в 1987 году две группы исследователей — Пол Чу Чен из Университета Рочестера в США и К. А. Мюллер вместе со своей командой — обнаружили сверхпроводимость в керамическом материале, состоящем из лантаново-бариевых купратов (LaBaCuO).
Этот материал, названный LBCO, обладал сверхпроводимостью при температурах около 35 Кельвинов, что было намного выше, чем ранее известные сверхпроводники.
Следующим прорывом в исследовании сверхпроводимости стало открытие в 1988 году сверхпроводимости в материале YBaCuO (итрий-бариево-купраты), которая имела температуру критической сверхпроводимости около 90 Кельвинов.
Эти открытия в области высокотемпературных сверхпроводников вызвали большой интерес в научном сообществе и ускорили дальнейшие исследования в этой области. С тех пор было обнаружено множество других высокотемпературных сверхпроводников, которые обладают критической температурой сверхпроводимости выше 100 Кельвинов.
Перспективы применения сверхпроводников
Сверхпроводники обладают уникальными свойствами, которые делают их перспективными для широкого спектра применений в различных областях науки и техники.
Энергетика
Одной из главных перспектив применения сверхпроводников является энергетика. Сверхпроводящие материалы позволяют создавать мощные электромагниты без потери энергии на сопротивление, что способствует производству мощных электромагнитных полей и созданию сильных магнитных полей для магнитных резонансных томографов и ускорителей частиц.
Транспорт
Сверхпроводники могут значительно улучшить эффективность и надежность электротранспорта. Благодаря отсутствию потерь энергии на сопротивление, сверхпроводящие материалы позволяют создать энергоэффективные электрические сети воздушных, наземных и подземных транспортных средств. Быстрое зарядное оборудование на основе сверхпроводников позволит сократить время зарядки электромобилей, а магнитные подвесы увеличат скорость маглев-поездов.
Также сверхпроводники могут быть использованы в судостроении и авиации для создания энергоэффективных систем пропульсии и магнитных подвесов.
Научные исследования
Сверхпроводники играют важную роль в физических исследованиях. Они используются в установках для создания мощных электромагнитных полей и генерации высоких токов, что позволяет изучать различные физические явления и свойства вещества.
Также сверхпроводники находят применение в квантовых компьютерах и сенсорах. Сверхпроводящие цепи могут быть использованы для создания кубитов — основных единиц квантового компьютера, что открывает новые перспективы для развития вычислительной техники.
В перспективе, сверхпроводники могут найти применение и в других областях, таких как медицина, электроника и производство.
Международные исследовательские лаборатории в области сверхпроводимости
Одной из таких лабораторий является ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям), которая имеет несколько экспериментальных комплексов, специально предназначенных для исследования сверхпроводимости. Здесь ученые работают над разработкой новых материалов и методов, а также проводят эксперименты с ускорителями частиц и сверхпроводящими магнитами.
Еще одной известной лабораторией является Лоуренс-Ливерморский национальный лаборатория, расположенный в США. Она ведет исследования в области сверхпроводимости и применения сверхпроводящих материалов в различных технологиях, включая ядерную энергетику и современную медицину. Лаборатория также активно сотрудничает с другими исследовательскими центрами по всему миру.
Ряд известных международных исследовательских лабораторий в области сверхпроводимости также включает Чарльз-Либборном научно-исследовательский институт, находящийся в Великобритании, и Институт сверхпроводимости Макса Планка в Германии. Оба института также занимаются проведением фундаментальных и прикладных исследований в области сверхпроводимости и работают в тесном сотрудничестве с другими лабораториями и университетами.
| Лаборатория | Местоположение |
|---|---|
| ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) | Женева, Швейцария |
| Лоуренс-Ливерморский национальный лаборатория | Калифорния, США |
| Чарльз-Либборн научно-исследовательский институт | Оксфорд, Великобритания |
| Институт сверхпроводимости Макса Планка | Ганновер, Германия |
Совместная работа ученых из разных стран и лабораторий в области сверхпроводимости позволяет достичь новых научных открытий и разработок. Международные лаборатории играют важную роль в развитии науки и технологий сверхпроводимости, и их работа неразрывно связана с сотрудничеством ученых со всего мира.
Вклад отечественных ученых в изучение сверхпроводимости
История исследования сверхпроводимости неразрывно связана с вкладом отечественных ученых. Одним из первых русских ученых, активно занимавшимся изучением этого явления, был Лев Давидович Ландау. Он разработал теоретическую модель сверхпроводимости, которая получила название Теория Гинзбурга-Ландау. Благодаря этим работам Ландау, была сделана значительная шаг в объяснении сверхпроводимости.
Кроме того, отечественные ученые внесли существенный вклад в экспериментальное исследование сверхпроводимости. Особенно примечательными из них являются работы Бориса Ляпидуса и Наума Гринберга. Вместе они создали теорию сверхпроводниковых полей и предложили оригинальные методики исследования свойств сверхпроводников.
Особую роль в развитии сверхпроводимости сыграло открытие нового класса сверхпроводников — высокотемпературных сверхпроводников. Одним из отечественных ученых, сделавшим значительный вклад в изучение этого класса, был Александр Владимирович Угланов. Он исследовал свойства различных материалов и разработал принципы синтеза новых соединений с высокой температурой сверхпроводимости.
Таким образом, отечественные ученые внесли немалый вклад в изучение сверхпроводимости. Их работы являются важными этапами в истории развития данного физического явления и оставили заметный след в научной мысли.
Нобелевские премии по сверхпроводимости
В 1913 году Нобелевская премия по физике была присуждена Хейкелю Оннесу за открытие сверхпроводимости при очень низких температурах. Оннес вместе со своими коллегами смог достичь температуры, близкой к абсолютному нулю, при которой материалы теряют свой электрическое сопротивление и обнаруживают сверхпроводимость.
В 1972 году Нобелевская премия по физике была присуждена Барде Джозефу и Куперу Роберту Шриффу за предложение объяснения сверхпроводимости при помощи теории Барде-Купера-Шриффа (BCS-теория). Они представили модель, объясняющую, как электроны могут образовывать так называемые пары Купера и двигаться без сопротивления через материал.
В 1987 году Нобелевская премия по физике была присуждена Беднорцу Алексею и Мюллеру Йоргу-Генриху за открытие высокотемпературной сверхпроводимости в оксидах меди и лантана. Их открытие позволило достичь сверхпроводимости при более высоких, близких к комнатной температуре, условиях.
Нобелевские премии по сверхпроводимости признают значительные вклады ученых в понимание и развитие свойств сверхпроводников. Эти открытия и теории помогли расширить границы нашего знания и создать новые технологии, с важным применением в современной науке и промышленности.