Что такое сверхпроводник и зачем он нужен каждому из нас

Электричество течет по проводам не без потерь — часть энергии неизбежно превращается в тепло. Простой пример: зарядное устройство телефона нагревается во время работы. Но что если сопротивление материала вдруг исчезнет полностью? Ток побежит без единой потери, а магниты начнут парить в воздухе над такими проводниками.

Именно это происходит в сверхпроводниках — материалах, которые при определенных условиях теряют электрическое сопротивление. Явление кажется экзотическим, однако оно уже вошло в нашу жизнь. МРТ-сканеры в больницах, поезда-пули в Японии, гигантские ускорители частиц — все это работает благодаря сверхпроводящим технологиям.

Случайность в лаборатории Каммерлинг-Оннеса

В начале XX века голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес занимался, казалось бы, малоперспективным делом — изучением свойств веществ при экстремально низких температурах. Получить жидкий гелий в те времена было настоящим техническим подвигом. Температура кипения гелия составляет -269°C — всего на четыре градуса выше абсолютного нуля.

В 1911 году, исследуя поведение ртути в условиях такого холода, ученый обнаружил нечто необъяснимое. При температуре 4,15 кельвина электрическое сопротивление металла не просто упало — оно исчезло. Полностью. Каммерлинг-Оннес был достаточно осторожен, чтобы записать в лабораторном журнале, что сопротивление «практически исчезло». Но приборы не лгали: оно равнялось абсолютному нулю.

Ток, запущенный в такой материал, мог циркулировать сколь угодно долго. Теоретически — вечно. За это открытие голландец получил Нобелевскую премию, хотя в то время никто еще не представлял масштабов открывшихся возможностей.

Эффект, который перевернул физику

Долгое время сверхпроводимость казалась просто курьезом — идеальной проводимостью при невозможных условиях. Однако в 1933 году выяснилось, что это лишь верхушка айсберга. Немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили: сверхпроводники не только не оказывают сопротивления току, но и активно вытесняют магнитные поля из своего объема.

Если поднести магнит к куску сверхпроводника, тот создаст зеркальное магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Силы отталкивания заставят магнит буквально зависнуть над поверхностью. Этот эффект Мейснера стал основой для множества технологий — от поездов на магнитной подушке до точнейших измерительных приборов.

Механизм явления оставался загадкой до 1957 года, когда американские ученые Бардин, Купер и Шриффер предложили объяснение на микроскопическом уровне. Согласно их теории БКШ, в сверхпроводниках электроны объединяются в особые пары, которые движутся синхронно и не рассеиваются на дефектах кристаллической решетки. Элегантная идея, которая, впрочем, работала только для определенного класса материалов.

Температурная гонка

Главная беда первых сверхпроводников — критически низкие рабочие температуры. Жидкий гелий стоит дорого, его сложно транспортировать и хранить. Неудивительно, что физики десятилетиями искали материалы с более высокой критической температурой.

Прорыв случился в 1986 году почти случайно. Сотрудники IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц экспериментировали с керамическими соединениями и обнаружили сверхпроводимость при температуре, которая показалась немыслимо высокой для того времени. Их материал работал при температуре на 35 градусов выше предыдущего рекорда.

Научное сообщество отреагировало бурно. В течение года были синтезированы десятки новых высокотемпературных сверхпроводников. Наиболее значимым стал YBCO (оксид иттрия-бария-меди) с критической температурой 92 К. Это означало, что его можно охлаждать жидким азотом — гораздо более дешевым и доступным хладагентом, чем гелий.

Любопытно, что механизм высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не до конца ясен. Теория БКШ здесь явно не работает, а новая общепринятая теория так и не появилась. Это не мешает использовать материалы на практике, но создает определенные сложности при поиске еще более совершенных соединений.

Мечта о комнатной температуре

Физики не скрывают: найти сверхпроводник, работающий при обычных условиях, — это своего рода святой Грааль их науки. В последние годы к этой цели удалось приблизиться, правда, с существенными оговорками.

Группа из университета Рочестера сообщила о создании материала на основе углерода, серы и водорода, который теряет сопротивление при температуре +15°C. Проблема в том, что для этого требуется давление в 2,6 миллиона атмосфер — примерно три четверти давления в земном ядре. Такие условия можно создать только между алмазными наковальнями в лаборатории.

Подобные эксперименты скорее демонстрируют принципиальную возможность, чем открывают путь к практическим применениям. Хотя они дают важные подсказки о том, какие комбинации элементов стоит изучать дальше.

Особый резонанс вызвали заявления корейских исследователей о материале LK-99, который якобы проявляет сверхпроводимость при комнатной температуре и обычном давлении. К сожалению, воспроизвести их результаты другим группам пока не удалось. История знает немало подобных «сенсаций», которые впоследствии оказывались ошибками или даже подтасовками данных.

Российский вклад в понимание явления

Российская школа физики внесла фундаментальный вклад в теорию сверхпроводимости. Еще в 1950 году Виталий Гинзбург и Лев Ландау создали феноменологическую теорию, которая до сих пор используется для описания многих эффектов. Их подход оказался настолько универсальным, что применяется не только к сверхпроводникам, но и к другим фазовым переходам.

Недавно ученые НИУ ВШЭ и МФТИ сделали интересное открытие, касающееся так называемой интертипной сверхпроводимости. Раньше считалось, что этот особый режим возможен только в очень чистых материалах. Оказалось, что примеси и дефекты не только не мешают, но даже могут способствовать появлению необычных свойств. Такие результаты заставляют пересмотреть подходы к созданию новых материалов.

Где мы встречаем сверхпроводники

Несмотря на экзотичность, сверхпроводящие технологии уже прочно вошли в нашу жизнь.

Медицинская диагностика

Каждый аппарат МРТ содержит мощные сверхпроводящие магниты. Они создают однородное поле напряженностью 1,5-2 Тесла — в тысячи раз сильнее земного магнитного поля. Без сверхпроводимости такие системы были бы неоправданно энергоемкими. Сейчас разрабатываются томографы нового поколения с еще более совершенными магнитными системами, способными выявлять заболевания на самых ранних стадиях.

Транспорт будущего

В Японии уже более двух десятилетий эксплуатируется линия поездов на магнитной подушке. Составы развивают скорость до 600 км/ч, двигаясь практически бесшумно и без вибраций. Китайские инженеры пошли еще дальше, создав маглев, который на испытаниях показал рекордные 600 км/ч.

В России тоже ведутся работы в этом направлении, хотя масштабы пока скромнее. Российские специалисты сосредоточились на использовании высокотемпературных сверхпроводников, что должно упростить эксплуатацию систем.

Космические технологии

ВНИИНМ разрабатывает сверхпроводящие компоненты для космических двигателей нового типа. Речь идет о плазменных двигателях, где магнитное поле фокусирует и ускоряет ионизированный газ. Сверхпроводящие катушки позволяют создавать гораздо более мощные поля при меньшем энергопотреблении по сравнению с обычными медными.

Фундаментальная наука

Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует более тысячи сверхпроводящих магнитов для управления пучками частиц. Без них создать такую установку было бы невозможно — обычные электромагниты потребляли бы столько энергии, сколько производит небольшая электростанция.

Россия поставляла сверхпроводящие кабели для международного проекта термоядерного реактора ИТЭР. Первые испытания магнитной системы планируются на 2025 год. Успех этого проекта может открыть эру практически неисчерпаемой и экологически чистой энергии.

Энергетические перспективы

При передаче электроэнергии по обычным линиям теряется от 5 до 15% мощности. Сверхпроводящие кабели могли бы свести эти потери к нулю. Правда, пока что экономика такого решения выглядит сомнительно — системы охлаждения обходятся дороже, чем экономия на потерях.

Ситуация может кардинально измениться, если удастся создать высокотемпературные сверхпроводники с лучшими характеристиками или удешевить криогенное оборудование. В Китае, например, планируют построить несколько десятков сверхпроводящих линий передач мощностью в гигаватты каждая.

Еще одно перспективное направление — системы накопления энергии на основе сверхпроводящих катушек. Ток в таких устройствах может циркулировать часами без потерь, что делает их привлекательными для выравнивания нагрузки в электросетях.

Квантовые вычисления

Большинство квантовых компьютеров используют сверхпроводящие элементы — кубиты. Эти системы работают при температуре в несколько миллиградусов выше абсолютного нуля, что требует сложнейших криогенных установок. Тем не менее сверхпроводящая архитектура пока остается одной из наиболее перспективных для создания масштабируемых квантовых процессоров.

Проблемы и ограничения

Главная проблема сверхпроводящих технологий — необходимость охлаждения. Криогенные системы сложны, дороги и требуют постоянного обслуживания. Это ограничивает применение сверхпроводников теми сферами, где высокая стоимость оправдана уникальными возможностями.

Многие высокотемпературные сверхпроводники представляют собой хрупкую керамику, которую сложно превратить в гибкие провода или ленты. Российские разработчики отмечают, что ВТСП — «нежный материал», работа с которым требует особых технологий.

Кроме того, критические токи сверхпроводников ограничены. При превышении определенной плотности тока или воздействии слишком сильного магнитного поля материал теряет свои уникальные свойства.

Скандалы в науке

Область высокотемпературной сверхпроводимости не обошлась без громких скандалов. В 2022 году из журнала Nature была отозвана статья о сверхпроводимости углеродистого сероводорода при 15°C. Выяснилось, что авторы некорректно обработали экспериментальные данные.

Проблема в том, что эксперименты при экстремальных условиях крайне сложно воспроизвести независимо. Образцы размером с песчинку, давления в миллионы атмосфер, температуры в сотые доли градуса — малейшая неточность может исказить результаты. А соблазн объявить о сенсационном открытии в такой конкурентной области очень велик.

Российские разработки

Несмотря на сложности последних лет, российские ученые продолжают работать в области сверхпроводимости. Челябинский металлургический завод производит многоволоконные сверхпроводники для крупнейших научных проектов мира. Эти кабели содержат тысячи тончайших волокон в медной матрице и используются в ускорителях частиц и термоядерных установках.

По прогнозам, мировой рынок сверхпроводников в ближайшие годы будет расти на десятки процентов в год. Это связано с развитием квантовых технологий, термоядерной энергетики и транспортных систем нового типа.

Неожиданные применения

Сверхпроводники находят применение в самых неожиданных областях. Их используют для создания сверхчувствительных магнитометров, способных обнаружить магнитные поля в триллионы раз слабее земного. Такие приборы помогают археологам находить скрытые артефакты, а геологам — месторождения полезных ископаемых.

В пищевой промышленности сверхпроводящие датчики могут определить зрелость фруктов или обнаружить металлические включения в продуктах. В медицине они используются для кардиографии и энцефалографии сверхвысокого разрешения.

Взгляд в будущее

Сверхпроводимость остается одной из самых активно развивающихся областей физики твердого тела. Каждый год синтезируются десятки новых соединений, совершенствуются теоретические модели, появляются неожиданные применения.

Открытие практичного комнатно-температурного сверхпроводника действительно изменило бы мир. Энергетика без потерь, транспорт на магнитной подушке, компактные квантовые компьютеры — все это могло бы стать реальностью. Пока что такой материал существует только в мечтах физиков, но история науки показывает: то, что вчера казалось невозможным, завтра становится обыденностью.

Возможно, прорыв произойдет благодаря искусственному интеллекту, который поможет перебрать миллионы возможных комбинаций элементов. А может быть, решение лежит совсем в другой плоскости — в понимании квантовых эффектов или в создании материалов с принципиально новой структурой.

Одно можно сказать определенно: век сверхпроводников только начинается. И самые интересные открытия, возможно, еще впереди.