Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

Наконец в 1972 году при температуре 0,00265К гелий 3 был получен в сверхпроводящем состоянии.

Завершая рассказ о гелии 3, уместно остановиться еще на одном интересном свойстве этой квантовой жидкости.

Оказывается, гелий 3 сохраняет конечную растворимость (около 6 %) в жидком гелии 4 вплоть до абсолютного нуля температуры.

Возникла идея использовать это свойство для того, чтобы заставить гелий 3 и гелий 4 «работать» совместно.

Действительно, при соприкосновении почти чистого жидкого гелия 3 с разбавленным раствором гелия 3 в гелии 4 атомы гелия 3 должны перейти в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается.

Растворение осуществляется в одной части прибора — в камере растворения, а удаление атомов гелия 3 из раствора путем откачки в камере испарения.

Непрерывная циркуляция гелия 3 осуществляется системой насосов и теплообменников. При этом в камере растворения можно неограниченно долго поддерживать температуру 10–20 милликельвинов.

Другими способами можно достигнуть и еще более низких температур — в миллиардные доли кельвина.

Современная теория сверхпроводимости позволяет объяснить ряд явлений, долгое время считавшихся загадочными.

Стало ясным, например, почему различные аллотропические модификации одного и того же металла, отличающиеся друг от друга различной структурой кристаллической решетки, имеют разные критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Кристаллическая решетка, как читатель уже знает, играет важную роль в процессе сверхпроводимости.

Для того чтобы понять суть другого удивительного явления — квантования магнитного потока в сверхпроводящем контуре, — уместно привести следующую аналогию.

В 1911 году Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца. Движущиеся с центростремительным ускорением электроны должны непрерывно излучать электромагнитную энергию. В соответствии с законами классической физики они должны были потерять всю свою энергию и упасть на ядро. Между тем давно известно, что атом представляет собой устойчивую систему частиц.

Разрешить это противоречие удалось в 1913 году датскому физику Нильсу Бору, заложившему основы современной квантовой теории атома.

Согласно постулатам Бора, энергия электрона в атоме и ряд других величин не могут изменяться непрерывно. Допустимы только определенные значения физических величин, а следовательно, только определенные орбиты. Двигаясь вокруг ядра по своим «разрешенным» орбитам, электроны не излучают электромагнитные волны.

Представьте себе сверхпроводящее кольцо, по которому течет ток. Электроны в сверхпроводящем кольце как бы движутся по гигантским боровским орбитам. Поэтому к их движению применимы правила квантования Бора.

Сверхпроводящий ток создает вне сверхпроводника магнитное поле, а следовательно, и магнитный поток (вспомните, так называют произведение индукции магнитного поля на величину площади, охватываемой контуром). Оказывается, что эта величина может принимать только дискретный (прерывистый) ряд значений. Иными словами, магнитный поток квантуется.

Если при изучении свойств атома мы сталкиваемся с квантованием в микромире, которое мы не в состоянии непосредственно наблюдать, то сверхпроводимость дает нам пример квантования макроскопической величины — потока магнитного поля.

Здесь мы наблюдаем квантовый эффект, гигантский по своим масштабам.

Теоретически и экспериментально установлено, что величина минимальной порции — кванта магнитного потока — составляет две десятимиллионные доли гаусса [6] 1 гаусс= 0,0001 тесла. на квадратный сантиметр.

Эффект квантования магнитного потока послужил прекрасной основой для создания приборов, измеряющих электрические и магнитные величины с немыслимой ранее точностью.

Может ли современная теория сверхпроводимости дать исчерпывающее объяснение всех явлений, происходящих в этом удивительном мире?

Исследователи пока не могут теоретически рассчитать критическую температуру конкретных металлов и с полной достоверностью ответить на вопрос, способен ли тот или иной металл стать сверхпроводником. Осталось немало и других нерешенных проблем.