Сверхпроводник: при какой температуре и зачем он нужен

Провод греется — это норма. В линиях электропередачи по дороге теряется 5–10 % энергии, телефон садится быстрее в том числе из-за сопротивления цепей. Сверхпроводник снимает проблему на корню: ниже определённой температуры постоянный ток идёт по нему без сопротивления. Даром это не достаётся — холод надо поддерживать, а на переменном токе, в токовводах и соединениях потери остаются. Явление знают с 1911 года, а ажиотаж вокруг него не спадает до сих пор — особенно после шумных заявлений про «комнатную сверхпроводимость», где каждый раз оказывалось, что поторопились.

Что такое сверхпроводник простыми словами

Сверхпроводник — материал, у которого при охлаждении ниже критической температуры Tc электрическое сопротивление падает до нуля. Ноль здесь буквальный, без округлений. И падает скачком, как вода превращается в лёд при фазовом переходе.

Сравните с медью. Охлаждённая медь сопротивление тоже снижает, но обнулить его не может: в любом реальном образце сидят примеси и дефекты решётки, они и дают остаточное сопротивление. Обычный провод — труба с шероховатыми стенками, вода о них трётся и теряет напор. У сверхпроводника стенки идеально гладкие: поток идёт, ничего не отдавая.

Отсюда вылезает следствие, похожее на фокус: ток, запущенный в замкнутое сверхпроводящее кольцо, циркулирует годами без всякого источника питания. И это не мысленный эксперимент. Незатухающий ток впервые увидели ещё в 1914 году: свинцовую катушку охладили в магнитном поле примерно до 2 К, поле выключили, а наведённый ток часами держал намагниченную иглу рядом с катушкой.

Открыл всё это голландец Хейке Камерлинг-Оннес в Лейдене. Дорога к открытию заняла десятилетия: кислород научились сжижать в 1877 году, а жидкий гелий получил в 1908-м сам Камерлинг-Оннес — без него охлаждать до таких температур было нечем. 8 апреля 1911 года при охлаждении ртути с 4,3 до 3 К сопротивление обвалилось, а 11 мая исчезновение сопротивления зафиксировали при 4,2 К (по современным измерениям для чистой ртути — около 4,15 К). Нобелевскую премию 1913 года Камерлинг-Оннес получил за работы по физике низких температур.

При какой температуре возникает сверхпроводимость

Критическая температура Tc — точка фазового перехода. Выше неё материал ведёт себя как обычный проводник, а купратные керамики — и вовсе как посредственный; ниже Tc начинается сверхпроводящее состояние. У каждого материала своя Tc, и разброс тут огромный.

Материал	Tc, К	Tc, °C	Хладагент / условие
Ртуть	4,2	−269	жидкий гелий
Свинец	7,2	−266	жидкий гелий
Ниобий	9,3	−264	жидкий гелий
Nb₃Sn	18	−255	жидкий гелий
MgB₂	39	−234	криокулер
YBa₂Cu₃O₇ (YBCO)	92	−181	жидкий азот
BSCCO	108	−165	жидкий азот
Ртутные купраты	до 135 (≈164 под давлением)	−138	жидкий азот
H₃S	203	−70	давление ~150 ГПа
LaH₁₀	~250	−23	давление 150–170 ГПа

Перевод шкал простой: 0 К = −273,15 °C, значит °C = К − 273,15. Ниже абсолютного нуля температур не бывает. Для ориентира: морозильник — около 255 К, сухой лёд — 195 К, жидкий азот — 77 К (−195,8 °C), жидкий гелий — около 4 К (−268,9 °C).

77 К — граница между лабораторией и промышленностью. Жидкий азот делают в промышленных объёмах, и он куда дешевле гелия, с которым вечная история про цену и дефицит. Материал, которому хватает азота, можно охлаждать в заводском цеху; материал, требующий гелия, остаётся привязан к сложному криостату.

Со словом «высокотемпературный» легко попасться. Жёсткой границы у термина нет: обычно так называют купраты и родственные соединения, у которых и Tc намного выше металлических сверхпроводников, и механизм другой. Рубеж 77 К — скорее инженерный ориентир, чем определение. И к комнатной температуре всё это отношения не имеет: от 92 К у YBCO до 293 К путь огромный.

Гидриды из нижних строк таблицы стоят особняком. Их рекордные Tc получают при давлениях в сотни гигапаскалей, то есть в алмазной наковальне, а не в проводе. Давление не заменяет холод: оно удерживает нужную кристаллическую структуру, в которой сверхпроводящая фаза вообще существует, а охлаждать образец до 200–250 К всё равно приходится. Инженерного решения в этом никакого.

Физика явления: куперовские пары и теория БКШ

Откуда вообще берётся сопротивление? В обычном металле электроны под действием поля разгоняются и рассеиваются: на тепловых колебаниях кристаллической решётки, на её дефектах. Каждое рассеяние — потерянная энергия, ушедшая в тепло.

В сверхпроводнике электроны перестают быть одиночками. Электрон, пролетая через решётку, слегка притягивает к себе положительные ионы и деформирует её — рождается квант колебаний решётки, фонон. Эта локальная деформация подтягивает второй электрон, и два электрона связываются через фонон в куперовскую пару. Суммарный спин пары целый, а частицы с целым спином подчиняются статистике бозонов: они могут всей толпой занять одно квантовое состояние. Пары конденсируются в единое макроскопическое квантовое состояние, которое едет через кристалл как целое и на дефектах не рассеивается. Выпасть из этого коллективного движения отдельный электрон не может, не разорвав пару, а на разрыв нужна энергия — энергетическая щель. Пока тепла не хватает, чтобы щель перепрыгнуть, ток течёт без потерь.

Описывает всё это теория БКШ: Бардин, Купер, Шриффер, 1957 год, Нобелевская премия 1972-го. Фононный механизм подтверждает изотопический эффект: берёшь один и тот же элемент, но разные изотопы, и Tc различается, хотя электронная структура одинаковая. Значит, дело в решётке — тяжёлые изотопы колеблются иначе.

Границы у теории тоже есть. С металлическими сверхпроводниками БКШ работает, а купратные керамики, открытые в 1986–1987 годах, не объясняет (Беднорц и Мюллер получили за них Нобелевскую премию 1987 года). Общепринятого механизма высокотемпературной сверхпроводимости нет до сих пор — одна из главных открытых задач физики конденсированного состояния.

Эффект Мейснера и магнитная левитация

Нулевым сопротивлением дело не исчерпывается. В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводник выталкивает магнитное поле из своего объёма. В идеальном мейснеровском состоянии — слабое поле, сверхпроводник I рода — это полный диамагнетизм: магнитная восприимчивость равна −1, поле проникает лишь в приповерхностный слой глубиной порядка 10–100 нанометров.

Этим сверхпроводник и отличается от гипотетического «идеального проводника». Идеальный проводник законсервировал бы то поле, которое застало его в момент охлаждения. Сверхпроводник выгоняет поле сам, независимо от предыстории. Самостоятельное квантовое свойство, а не бонус от нулевого сопротивления.

Именно Мейснер отвечает за знаменитые фотографии парящего магнита: вытесненное поле создаёт силу, которая держит магнит над охлаждённой сверхпроводящей таблеткой.

Сверхпроводники I и II рода

Разница между двумя типами — в том, как материал ведёт себя в магнитном поле.

У сверхпроводников I рода (ртуть, свинец, олово) критическое поле одно, Hc. Поле или вытолкнуто целиком, или сверхпроводимость сорвана. Критические поля у них невелики, поэтому сильных магнитов из них не делают.

У сверхпроводников II рода (ниобий, Nb₃Sn, купраты) полей два. Ниже Hc1 — то же полное вытеснение. Между Hc1 и Hc2 поток частично проникает внутрь в виде квантованных вихрей: сверхпроводимость сохраняется, но поле в объёме уже есть. Теорию этого смешанного состояния построил Алексей Абрикосов, Нобелевская премия 2003 года.

Вихри цепляются за дефекты материала, и этот пиннинг даёт жёсткую левитацию: магнит не болтается над таблеткой, а держится в точке, сдвинуть его в любую сторону трудно. Практическая техника — магниты, кабели, ленты — почти целиком на сверхпроводниках II рода: только они выдерживают большие поля.

Что разрушает сверхпроводящее состояние

Сверхпроводимость живёт в тесных границах. Перешли любой из трёх критических порогов — состояние рассыпалось.

Первый порог — температура. Выше Tc тепловые колебания рвут куперовские пары, как только энергия фононов дотягивается до энергетической щели.

Второй — магнитное поле. Ещё в 1914 году Камерлинг-Оннес показал, что поле напряжённостью в несколько сотен эрстед гасит сверхпроводимость, причём чем ниже температура, тем выше критическое поле. У Nb₃Sn верхнее критическое поле Hc2 доходит примерно до 30 Тл — из него поэтому и делают сильные магниты.

Третий связан с током. Что слишком большой ток убивает сверхпроводимость, выяснили ещё осенью 1911 года; порог тоже растёт при охлаждении. В 1916 году Фрэнсис Сильсби свёл оба ограничения в одно: критический ток и критическое поле — по сути одна и та же граница, ведь ток сам создаёт вокруг себя поле.

Даже с такими рамками запас впечатляет. Сверхпроводящая проволока того же сечения, что и медная, пропускает ток на порядки больше, а у YBCO-лент плотность критического тока доходит до 10⁶ А/см².

Есть у этих границ и неприятная практическая сторона — квенч. Участок сверхпроводящего магнита случайно вышел из сверхпроводящего состояния, на нём мгновенно появилось сопротивление, огромный ток начал греть металл, соседние участки сорвались тоже, жидкий гелий вскипел. Для магнитов МРТ и ускорителей квенч — авария предусмотренная, но нежелательная; под неё проектируют системы аварийного сброса энергии.

Зачем нужны сверхпроводники: применение

Лабораторной экзотикой сверхпроводники перестали быть давно.

Самое массовое применение — магниты МРТ-томографов на 1,5–3 Тл из ниобий-титанового сплава. Они же — один из крупнейших потребителей жидкого гелия.

Дальше ускорители. В Большом адронном коллайдере работают 1232 дипольных сверхпроводящих магнита, поле 8,3 Тл, температура 1,9 К — холоднее открытого космоса. Родственная задача у термоядерщиков: магниты токамака ИТЭР и других проектов держат плазму, которую не удержит никакая стенка.

• Японский SCMaglev на сверхпроводящих магнитах разогнался в 2015 году до 603 км/ч — рекорд скорости для железнодорожного транспорта.
• Сверхпроводящие кабели и ограничители тока уже испытывают и эксплуатируют в городских сетях: кабель того же сечения передаёт на порядки больший ток.
• СКВИД-магнитометры на эффекте Джозефсона ловят сверхслабые поля — вплоть до магнитных полей мозга в магнитоэнцефалографии.
• Кубиты на джозефсоновских переходах — основа сверхпроводниковых квантовых процессоров.

Первые сверхпроводящие магниты, кстати, получились почти случайно: катушки из оловянной и свинцовой проволоки в опытах самого Камерлинг-Оннеса. После ртути в Лейдене нашли сверхпроводимость у олова и свинца, а позже у таллия и индия.

Почему же сверхпроводники не вытеснили медь везде? Ограничений набирается целый список:

• криогеника — компрессоры, криостаты, теплоизоляция, и всё это надо обслуживать; гелий вдобавок дорог и дефицитен;
• ВТСП-керамика хрупкая, её нельзя просто смотать в жилу — ленту выращивают слоями на металлической подложке;
• критический ток и критическое поле ограничивают режим работы, а рядом с ними подстерегает квенч;
• на переменном токе появляются потери, которых у постоянного нет, — для энергосетей это принципиально;
• соединять сверхпроводящие участки между собой сложно: стык легко становится самым слабым и самым тёплым местом.

Поэтому сверхпроводники и ставят там, где без сильного поля или предельной чувствительности задача не решается вообще, — а не там, где просто хочется сэкономить.

Сверхпроводник при комнатной температуре: близко ли прорыв

Комнатный сверхпроводник при атмосферном давлении — мечта всей физики материалов: сети без нынешних потерь в 5–10 %, компактные двигатели, МРТ без гелиевой возни. Пока каждое громкое заявление заканчивалось одинаково.

2020 год: группа Ранги Диаса сообщает о сверхпроводимости углеродистого сульфид-гидрида при 288 К, в 2022-м Nature отзывает публикацию. 2023-й: та же группа заявляет о гидриде лютеция с азотом при 294 К — статью тоже отзывают. Летом 2023 года весь мир обсуждал корейский LK-99, медно-свинцовый апатит, будто бы сверхпроводящий при комнатных условиях; независимые проверки показали, что наблюдаемые эффекты дала примесь сульфида меди Cu₂S.

На истории LK-99 хорошо видно, как такие заявки проверяют. Падения сопротивления мало: убеждает совокупность независимых признаков — транспортные измерения (нулевое сопротивление, критический ток), магнитные (вытеснение поля, отклик на внешнее поле) и термодинамические, вроде скачка теплоёмкости при переходе. Какие именно измерения удаётся выполнить, зависит от эксперимента: под давлением в алмазной наковальне образец крошечный, и часть методик к нему просто не приложить. У LK-99 ни одна группа не получила ни нулевого сопротивления, ни диамагнитного отклика, характерного для сверхпроводника.

Реальный максимум на сегодня — гидриды: H₃S с 203 К и LaH₁₀ с примерно 250 К. Только под давлением 150–170 ГПа, а это в полтора миллиона раз выше атмосферного. Научно результат важный, технологически бесполезный: провод в алмазной наковальне не проложишь. Да и появись комнатный сверхпроводник завтра, ограничения по критическому току и полю никуда не денутся.

FAQ: частые вопросы о сверхпроводниках

Сопротивление сверхпроводника действительно равно нулю? Для постоянного тока — да, ноль без оговорок. Лучшее доказательство — незатухающий ток: в замкнутом кольце он циркулирует годами, без источника питания и без заметного ослабления. На переменном токе потери появляются.

Чем сверхпроводник отличается от очень хорошего проводника? Двумя вещами. Сопротивление у него обрывается в ноль скачком, а не сползает плавно. И он вытесняет магнитное поле из объёма — эффект Мейснера, на который никакой хороший проводник не способен.

Почему сверхпроводник — не вечный двигатель? Ток в кольце правда течёт без потерь, но криостат ест энергию непрерывно: холод надо поддерживать. Плюс на переменном токе у сверхпроводников свои потери, и тепло всё равно подтекает через токовводы.

Что значит «высокотемпературный сверхпроводник»? Обычно так называют материалы с Tc выше точки кипения жидкого азота (77 К) — их можно охлаждать дешёвым азотом вместо дорогого гелия. Строгой границы у термина нет, и к комнатной температуре он не ведёт: у YBCO Tc равна 92 К, а это −181 °C.

Все ли металлы могут стать сверхпроводниками? Нет. Важен и химический состав, и структура решётки: белое олово сверхпроводит, серое — нет. А медь, серебро и золото, при всей их проводимости, в обычных условиях сверхпроводниками не становятся.

Существует ли сверхпроводник при комнатной температуре? При атмосферном давлении такого нет. Заявки на углеродистый сульфид-гидрид, гидрид лютеция и LK-99 либо не подтвердились, либо отозваны. Значения около 250 К получены только в гидридах под давлением в сотни гигапаскалей.