Сверхпроводимость и сверхтекучесть
Собсвенным моментом вращения обладаю не только электроны, но и другие элементарные частицы, которые в зависимости от их спина делятся на
два вида-фермионы и бозоны.
Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое
значение спина (например, электроны), а бозонами - частицы с целым
спином (например, фотоны). Принцип Паули, по которому
две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии, справедлив для всех фермионов, но бозоны его начисто игнорируют: в одном состоянии
может находиться сколько угодно бозонов!
При глубоком охлаждении некоторых металлов электроны их атомов с противоположными спинами, превозмогая
электрическое отталкивание, объединяются в пары, называемые куперовскими (по имени их первооткрывателя). Эти пары, в отличие от отдельных электронов, обладают
нулевым суммарным спином и поэтому являются бозонами.
Такие частицы обладают замечательным свойством: если
температура ниже некоторого критического значения, они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой_либо частице выйти из
этого состояния. Все пары при этом когерентны, то есть описываются единой волновой функцией.
Тогда электрический ток переносится не отдельными электронами,
а куперовскими парами, то есть квантами тока с зарядом 2е
(е _ заряд электрона). Если в обычном проводнике электроны постоянно натыкаются на дефекты кристаллической решетки, примесные атомы и т.п., мешающими прохождению тока,
то с когерентными ку-перовскими парами этого не происходит.
Грубо говоря, они могут проходить через любые
преграды и даже друг через дружку!
Это сводит электрическое сопротивление проводника к нулю, и, например, возбужденный в сверхпроводящем кольце ток может крутиться в нем бесконечно долго.
Электрический ток в сверхпроводнике напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора:
это как бы очень большая электронная орбита.
В 1911 году Камерлинг_Онесс открыл сверхпроводимость ртути, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию сверхпроводимости.
В 1933 году Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники полностью выталкивают линии магнитного поля из своего
объема _ это так называемый эффект Мейснера: постоянный магнит парит (левитирует) над сверхпроводящим диском (см. фото).
Рис 49. Эффект Мейснера *
* Перепечатано с www.phys.pe.kr
Сверхпроводники позволят создать сверхмощные магниты, не требующие электрического питания, сверхчувствительные сенсоры, электронику, не нуждающуюся
в охлаждении и многое другое. Кстати, в отличие от Шредингерова кота, электрический
ток в сверхпроводнике вполне подчиняется квантовым законам суперпозиции различных состояний: ученым удалось создать замкнутое кольцо, по которому ток одновременно течет и по часовой, и против часовой стрелки!
При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при определенной
для каждого материала температуре, называемой
критической. Однако практическое использование замечательных свойств сверхпроводников тормозится их пот-ребностью в сверхнизких температурах и, соответственно, громоздких
криогенных установках. Исследования в области наноматериалов позволили создать специальные вещества (нанокерамику, нанотрубки и т.п.), которые являются сверхпроводниками при сравнительно высоких температурах. Широкое распространение высокотемпературных сверхпроводников приведет к огромной экономии электроэнергии, уменьшению и удешевлению всех электрических устройств.
Рис 50. Сверхтекучесть
жидкого гелия
Объединяться в бозоны могут не только электроны. В 1938 году советский ученый П.Л. Капица открыл явление сверхтекучести гелия.
При температурах, близких к абсолютному нулю, у гелия исчезает вязкость и он становится сверхтекучим. Сверхтекучий гелий так и норовит улизнуть:
если налить его в обычный глиняный кувшин, он утечет сквозь тончайшие поры в его
структуре. Ес-ли налить сверхтекучее вещество в сосуд
из более плотного материала, то в виде тонкой
пленки он потечет вверх по стенкам и далее опять-таки через край. Его невозможно
заморозить никаким понижением температуры и даже нельзя создать разность температур-сверхтекучесть приводит к сверхтеплопро-водности.