Космические сверхпроводники

Метеориты приносят на Землю «рецепты» сверхпроводящих соединений.

Левитация сверхпроводника над постоянным магнитом. (Фото: Henry Muelpfordt / Wikimedia)

Метеорит весом в 9980 кг, найденный в Австралии, содержит крошечное количество сверхпроводящего материала. (Фото: Graeme Churchard / Flickr.com) 

Заветная мечта многих физиков – найти сверхпроводник, который будет проводить электрический ток без сопротивления при комнатной температуре, или хотя бы близко к ней. Такие материалы весьма и весьма пригодились бы нам; они, к примеру, сделали бы магнитно-резонансную томографию намного доступнее и, возможно, даже позволили бы создать левитирующие сверхскоростные поезда. Так что о сверхпроводнике могут мечтать не только физики.

Но что вообще такое сверхпроводники? Электрическое сопротивление любого проводника зависит от температуры: чем она ниже, тем меньше сопротивление. Электрический ток создают движущиеся электроны, но из-за того, что любой материал содержит дефекты, которые рассеивают электроны, даже при абсолютном нуле сопротивление не может полностью исчезнуть.

Однако в некоторых материалах при достаточно низкой температуре электроны взаимодействуют друг с другом особым образом и формируют так называемые пары Купера. Эти пары можно рассматривать как отдельные частицы, и свойства их таковы, что они передвигаются, игнорируя дефекты, то есть электрическое сопротивление полностью исчезает. Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, зависит от электронной структуры материала и называется критической. Как видим, сверхпроводимость – квантовый эффект, и хотя существуют теоретические модели, которые достаточно удачно описывают её во многих материалах, физики до сих пор ломают головы над тем, что именно при этом происходит.

«Обычные» сверхпроводники состоят из таких металлов как ниобий, свинец или ртуть. Критическая температура сверхпроводникового перехода в ртути составляет 4,15 К (-269.15°C). (Для сравнения: газ гелий становится жидким при нормальном давлении при 4,2 К.) В 1986 году физики открыли семейство «высокотемпературных» сверхпроводников на основе меди, которые теряют электрическое сопротивление при 134 К (-139°C). С тех пор было найдено немало других высокотемпературных сверхпроводящих соединений (керамические соединения на основе купратов, пниктиды железа, и т. д.), но пока что самая высокая критическая температура у них остаётся в районе 150 К (-123°C).

Сверхпроводимость можно «простимулировать» с помощью давления. В 2015 году группа русских физиков из Института химии Общества Макса Планка и Института неорганической и аналитической химии в Майнце показала, что под давлением около 150 ГПа сероводород диссоциирует на высшие гидриды и становится сверхпроводником при температуре всего около -70°C! Но, конечно, использовать такой материал вне лаборатории пока не слишком возможно: чтобы понять, что такое 150 ГПа, скажем, что давление на дне Марианской впадины (глубина около 11 км) составляет 0,11 ГПа.

Взглянув на таблицу химических элементов Менделеева, можно представить громадное количество возможных сверхпроводящих комбинаций. Ведь одни и те же химические элементы могут соединяться различными способами в зависимости от пропорций и условий синтеза! Кроме того, материалы могут быть слоистыми или иметь какую-то дополнительную наноструктуру, что тоже влияет на электронные свойства. Однако задачу по поиску высокотемпературного сверхпроводника усложняет то, что исследователям приходится полагаться большей частью просто перебирать возможные варианты.

Дело в том, что как мы упоминали выше, сверхпроводимость возникает в результате взаимодействия большого количества электронов. В системах, где возможно такое взаимодействие, обычно возникают несколько многочастичных эффектов, многие из которых неизвестны или плохо изучены. Чем больше атомов нужно принять во внимание при расчётах, тем большие требуются вычислительные мощности.

В большой системе выполнить точный расчёт невозможно, и неизбежно приходится упрощать. Да и малейшее изменение химического состава меняет электронные свойства материала. Поэтому поиски «того самого» сверхпроводника идут в двух направлениях: теоретики рассчитывают электронные структуры многообещающих соединений, а экспериментаторы синтезируют и изучают их свойства в лаборатории.

Случается, что теоретические предсказания не совпадают с тем, что видят экспериментаторы. Тогда теоретикам приходится браться за работу с другого конца и объяснять результаты экспериментов. Именно так уточняются существующие модели и открываются новые виды многочастичных взаимодействий.

Впрочем, бывает, что сверхпроводящие соединения находят случайно, без наводок теоретиков. Именно так в 1911 году открыли саму сверхпроводимость. История физики пестрит подобными случайностями, поэтому некоторые исследователи решают буквально следовать принципу «ну ты хоть лотерейный билет-то купи». Какие породы богаты самыми разнообразными и экзотическими металлическими соединениями? Геологические породы и метеориты. Метеориты образуются при самых разнообразных температурах и давлениях, и часто содержат уникальные соединения. Вполне вероятно, что какое-то из них окажется сверхпроводником!

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Ивана Шуллера взялись за изучение всех доступных минералов из Смитсоновского института в Вашингтоне, включая те, что есть метеоритах. Сверхпроводник можно обнаружить, если при определенной температуре в нем резко до нуля упадет электрическое сопротивление.

Кроме того, у сверхпроводников есть любопытные магнитные свойства: например, известно, что они могут в прямом смысле летать над сильным магнитом. Они «отталкиваются» от внешнего магнитного поля за счёт вихрей на поверхности: вихри создают противоположно направленное магнитное поле, чтобы внешнее магнитное поле не могло проникнуть вглубь материала.

Это явление называется эффектом Мейснера; именно он заставляет сверхпроводники левитировать в сильном магнитном поле. Эффект Мейснера тоже используют при поиске новых соединений, особенно в неоднородных образцах, в которых находятся только небольшие вкрапления сверхпроводниковых кристаллов и сопротивление в которых никогда не падает до нуля.

Но у метода на основе эффекта Мейснера есть существенный минус – он недостаточно чувствителен. Группа Шуллера изобретательно обошла это ограничение, пользуясь тем, что сверхпроводник иначе поглощает микроволны при переходе в сверхпроводящее состояние.

Образец помещали в специальную полость, в которую накачивали микроволны. Внутри полости также возникало сильное постоянное магнитное поле, на которое накладывалось небольшое колеблющееся магнитное поле. Охлаждающийся образец проходил через критическую температуру, и в этот момент у него существенно менялось поглощение микроволнового излучения. Колеблющееся магнитное поле «включало и «выключало» сверхпроводимость, что увеличивало чувствительность метода примерно в 1000 раз.

После того, как метод обкатали на тысячах разных образцов, Шуллер и его коллеги принялись за образцы с поверхности 16 различных метеоритов. Сверхпроводимость проявилась в двух из них: Мундрабилльском метеорите весом в 9980 кг, который обнаружили в Австралии в 1911 году, и метеорите Нунатак Грейвса (назван в часть скалистого выступа над ледником в Антарктиде, рядом с которым его нашли в 1995).

Поймав нужный сигнал, физики рассортировали порошок, в который был растёрт образец, на разные виды кристаллов и с помощью рентгеноспектроскопии определили, какие из них являются сверхпроводниками. Выяснилось, что сплав в Мундрабилльском метеорите содержит индий, олово и, вероятно, свинец. Второй образец содержит сплав индия и олова. Оба этих сплава уже хорошо известны физикам, и их критическая температура находится около 5 К (-268°C).

Хотя новых сверхпроводящих соединений открыть пока не удалось, полученные результаты показывают, что сверхпроводимость – не такая уж и редкость во Вселенной: если такие материалы можно найти в метеоритах, то их можно найти где угодно. Впрочем, главная цель здесь, конечно, в том, чтобы найти новые, неизвестные соединения – только так можно разгадать секрет сверхпроводимости.

Источник: www.nkj.ru