Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Часто в сверхпроводящем кольце вместо одного создается сразу два джозефсоновских контакта. Таким образом получается «сверхпроводящий квантовый интерферометр», или СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) (илл. 4). Принцип его работы основан на интерференции волновых функций двух сверхпроводящих конденсатов, разделенных джозефсоновскими контактами, которую можно сопоставить с интерференцией, происходящей в двух расположенных рядом щелях Юнга в оптике (см. главу 3, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»).

С помощью сложных устройств (генераторов, усилителей) СКВИД может измерить колебания потока, намного меньшие, чем квант Φ 0 . Он настолько чувствителен, что обнаруживает магнитные поля, возникающие в результате сердечной или мозговой активности! Эти поля в 100 000 раз слабее, чем магнитное поле Земли (величина которого около 5∙10 –5Тл на ее поверхности). Первые попытки применения СКВИД в медицине, например магнитокардиография и магнитоэнцефалография (илл. 5), относятся к 1970-м годам. Чтобы свести к минимуму влияние магнитного поля Земли на измерения, их выполняли в специальной комнате: стены состояли из трех слоев металла, образующих мощные магнитные экраны, разделенные еще и двумя слоями алюминия, препятствующими проникновению электрического поля. Таким образом, магнитное поле Земли, внутри объема, уменьшалось в 10 000 раз. Однако создание таких помещений обходилось очень дорого. Сегодня благодаря достижениям техники в области сверхпроводников магнитометры уже не требуют наличия магнитного экрана и способны измерять магнитные поля с точностью до 10 –15Тл! Единственное, что должен сделать пациент, – убрать все металлические предметы, например ключи из кармана.

5. Магнитоэнцефалографический сканер, состоящий из 306 СКВИД, которые регистрируют даже чрезвычайно слабые магнитные поля, генерируемые нейронной активностью. В верхней части сканера содержится необходимый для охлаждения устройства жидкий гелий. Нейронная активность человека выявляется посредством зрительных и слуховых стимуляций (черный окулометр дополняет аппарат)

Как это с самого начала предполагал Камерлинг-Оннес (см. главу 24), создание сильных магнитных полей является очевидным применением замечательных свойств сверхпроводников. В самом деле, магнитные поля для промышленного использования обычно получают с помощью электромагнитов, то есть катушек, через которые проходит электрический ток. Поле тем сильнее, чем сильнее протекающий в катушке ток и чем больше число витков провода в ней (см. главу 16, «Электромагнитная индукция»). Однако катушка из обычного проводящего материала обладает сопротивлением, и в ней при протекании тока благодаря эффекту Джоуля – Ленца выделяется тепло. На это расходуется значительная энергия, а чтобы провода не расплавились, необходимо их интенсивно охлаждать! Например, в 1937 году впервые было произведено поле в 10 Тл, при этом потребление электроэнергии было таким, что производить эксперименты было возможно только ночью, когда ее расходование другими пользователями было достаточно низким: охлаждающая система катушки требовала потока воды 5 л в секунду…

Для сверхпроводника эти ограничения не существуют! На первый взгляд, достаточно изготовить катушку из сверхпроводящего провода и создать в ней достаточно сильный ток: поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, тепла он выделять не будет. А когда ток установится, то не нужно будет и подавать питание в цепь! Казалось бы, игра стоит свеч, несмотря на то что катушка должна постоянно находиться при температуре жидкого гелия. Но, к сожалению, сверхпроводники I рода не выдерживают сколь-нибудь значимых для практических применений магнитных полей (см. главу 24, «Эффект Мейснера – Оксенфельда»).

6. Электронно-микроскопическое изображение сверхпроводящей пленки нитрида ниобия NbN, полученное путем напыления металла на стеклянную пластину. Ясно видна столбчатая структура материала. Перескочить через границу таких зерен абрикосовским вихрям довольно сложно

Решением проблемы стали сверхпроводники II рода, которые, как мы уже знаем, могут оставаться в сверхпроводящем состоянии вплоть до очень высоких магнитных полей. Магнитное поле проникает в их объем в форме вихрей с нормальной сердцевиной, однако между вихрями остается сверхпроводящая фаза, по которой сверхпроводящий ток может протекать без сопротивления.