Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Создание приборов, в которых используется это явление, оказалось возможным лишь после открытия слабой сверхпроводимости.
Представьте себе, что обычный сверхпроводящий контур, не содержащий туннельного контакта, находится во внешнем магнитном поле. При изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре изменяется так, чтобы магнитный поток, создаваемый этим током, компенсировал изменение внешнего магнитного потока. Таким образом, суммарный магнитный поток, пронизывающий площадь сверхпроводящего контура, все время остается постоянным. Изменить его, не переводя контур из сверхпроводящего в нормальное состояние, невозможно. Поэтому говорят, что магнитный поток «заморожен» в сверхпроводящем контуре.
Если же включить в сверхпроводящий контур контакт Джозефсона, то внешний магнитный поток использует это «слабое место» и будет внедряться в сверхпроводящий контур отдельными порциями — квантами.
При этом магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется скачкообразно на очень маленькую величину (напомним, что один квант магнитного потока равен двум десятимиллионным гаусса на квадратный сантиметр). Однако скорость изменения этого потока чрезвычайно велика. Ее можно измерить, например, по величине электродвижущей силы индукции, наведенной в специальной измерительной катушке.
Прибор, содержащий такой контур, очень тонко чувствует магнитное поле. Контакты Джозефсона включаются в контур параллельно. Происходит своеобразная интерференция сверхпроводящих токов, способствующая феноменально большому увеличению чувствительности прибора.
Сверхпроводящие квантовые интерференционные магнитометры способны измерять поля с точностью до 10^16 тесла. Они значительно чувствительнее обычных магнитометров.
В геофизике сверхпроводящие магнитометры используются для исследования магнитного поля Земли. Геологам они оказывают неоценимую помощь при разведке месторождений полезных ископаемых. Они незаменимы, когда приходится вести научные исследования с очень слабыми магнитными полями.
Имеются данные, что магнитное поле вдоль линий разломов земной поверхности изменяется за несколько дней до начала землетрясения. Возможно, что сквиды будут использовать для предсказания землетрясений.
Прекрасным прибором для регистрации излучения в инфракрасной части спектра является сверхпроводящий болометр. Он содержит тонкую проволоку или фольгу из сверхпроводящего материала. Температура проволоки ниже критической. Вследствие поглощения излучения температура повышается и становится больше критической. Сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление. Возникающее при этом падение напряжения на проволоке измеряется с помощью потенциометра.
Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором. С его помощью удается измерять мощность до триллионных долей ватта. Такой прибор чувствует тепло, излучаемое пламенем свечи, находящейся на расстоянии в один километр!
Успехи в разработке сквидов, достигнутые за последние десятилетия, способствовали созданию новой области магнитных измерений, например биомагнетизма, изучающего слабые магнитные поля, возникающие в биологических объектах — и в первую очередь в человеческом организме.
Электрические методы измерений уже давно применяются в медицине для контроля работы сердца и других органов человека. Использование в этой области магнитных методов стало возможным, когда появился высокочувствительный детектор магнитного поля — сквид.
Преимущество магнитных методов измерения перед электрическими бесспорно. Для выполнения магнитных измерений не нужны контакты. С помощью магнитных методов можно изучать эффекты, которые при электрических измерениях искажаются в результате изменения потенциала в месте контакта электрода с кожей.
Магнитные поля возбуждаются токами, величина которых, как правило, больше во внутренних органах человека, чем в кожном покрове. Используя их, можно получить информацию о деятельности внутренних органов, не искаженную влиянием более слабых токов, протекающих в промежуточной области.
Существуют и другие измерительные приборы, основанные на сверхпроводимости.
Исследователи получили возможность изучать явления, до сих пор недоступные нашему восприятию из‑за недостаточной чувствительности существующих приборов.
«Наука начинается там, где начинают измерять», — писал выдающийся русский ученый Д. И. Менделеев.
Морская богиня Фетида, мать храбрейшего из героев Троянской войны — Ахиллеса, как повествует древнегреческий миф, допустила роковую оплошность.
Желая сделать сына бессмертным, она окунула его в священные воды Стикса. Однако пятка, за которую Фетида его держала, осталась уязвимой. Ахиллес погиб от стрелы Париса, поразившей его пятку. Отсюда выражение «ахиллесова пята» означает: уязвимое место.
Ахиллесовой пятой сверхпроводников была необходимость охлаждать их до немыслимо низких температур с помощью жидкого гелия.
Создав сверхпроводники, способные «жить» в жидком азоте, ученые преодолели эту «оплошность» природы.
Применение керамических высокотемпературных сверхпроводников в технике сильных токов пока ограничено из‑за сравнительно небольшой плотности критического тока и недостаточно отработанной технологии изготовления из них проводов и кабелей.
Но для использования сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, в приборах на слабосвязанных сверхпроводниках и в вычислительной технике практически никаких ограничений нет. Технология изготовления сверхпроводящих керамических пленок освоена достаточно хорошо.
Созданы опытные образцы сквидов и других приборов, основанных на эффекте Джозефсона, охлаждаемых уже жидким азотом. Примечательно, что жидкий азот в них выполняет двойную функцию: охлаждает проводник до состояния сверхпроводимости и снижает уровень шумов.
Известно, что все основные элементы и узлы суперкомпьютеров нового поколения на слабосвязанных сверхпроводниках уже разработаны. Единственное серьезное препятствие для внедрения — непомерно высокая цена и технические трудности, связанные с необходимостью охлаждения жидким гелием. Те же самые элементы и узлы при замене ниобия иттрий — бариевой или висмутовой керамикой смогут успешно действовать в жидком азоте.
Американские ученые установили, что по сверхпроводящей линии связи, на основе пленок из иттрий — бариевой керамики, информация может передаваться со скоростью тысяча миллиардов бит в секунду. Это значит, что быстродействие ЭВМ повысится в тысячи раз.
По прогнозам специалистов, промышленное изготовление силовых сверхпроводящих проводов и кабелей, охлаждаемых жидким азотом для использования в электротехнике и мощных сверхпроводящих устройствах, удастся освоить уже в ближайшее время.
Тогда «летящие» железнодорожные составы и океанские лайнеры, а также многие другие устройства, связанные с использованием сверхпроводимости, станут обыденным явлением. Всего один час понадобится, например, для поездки на магнито- плане из Москвы в Ленинград, то есть такое же время, которое мы сейчас затрачиваем только для того, чтобы добраться до аэродрома.
Теоретически магнитоплан, помещенный в вакуумированный трубопровод, может развить скорость, сопоставимую с космической… Эта идея легла в основу разрабатываемого в США проекта «Планетран». Предлагается соединить подобным вакуумированным тоннелем оба американских побережья. Разработчики надеются, что поезда смогут развивать скорость до шести километров в секунду. Расстояние от Атлантики до Тихого океана, длиной в несколько тысяч километров, «космический» поезд пролетит за считанные минуты.
И если могут лететь железнодорожные составы, то почему не полететь самому человеку, подобно птице? Об этом люди мечтали еще во времена глубокой древности.
Вообразите гору, покрытую сверхпроводящей пленкой. Вы встаете на лыжи, по внешнему виду напоминающие обычные, но изготовленные из специального магнитного сплава.
Подъемник доставляет вас к исходному пункту сверхпроводящей горнолыжной трассы. Оттолкнувшись палками, вы отрываетесь от земли и с захватывающей дух скоростью летите над склоном горы, словно у вас за спиной выросли крылья.
Такой проект уже сегодня технически вполне осуществим, но требует слишком больших затрат.
Однако когда будет освоена сверхпроводимость при комнатной температуре, станут реальными самые дерзновенные проекты.
Гигантские термоядерные реакторы со сверхпроводящими магнитами смогут вырабатывать электрическую энергию из морской воды, и эта энергия будет передаваться по подземным сверхпроводящим электрическим кабелям в самые отдаленные местности без потерь. Избыток дешевой энергии породит изобилие материальных благ, производимых на полностью автоматизированных фабриках и заводах, оснащенных сверхпроводящими гибкими производственными системами.
