3
Сверхпроводие магниты
Доктор физико-математических наук
Л. Г. АСЛАМАЗОВ
Сильные магнитные поля можно получить, пропуская через катушка сильный ток. Чем больше ток четет через катушка, тем больше магнитное поле он создает. Но если катушка обладает электрическим сопротивлением, то в ней выделяется телло. Приходится тратить огромную энергию на поддержание тока, возникают серые проблемы, связанные с отводом телла (инначale катушка может расплавиться). Так, в 1937 году впервые было получено магнитное поле с индукцией 10 Тл. Но удерживать это поле удалалось только ночной, когда другие потребители электростанции, подающей ток в обмотку, были отключены. Выделявшееся телло отводилось проточной водой, и при этом каждую секунд 5 литров воды доводились до кипения.
Именно это и ограничивает возможность получения сильных магнитных полей в обычных соленодах.
Идея использования сверхпроводимости для создания сильных магнитных полей возникла сразу после ее открытия. Казалось бы, все, что требуется, — это намотать из сверхпроводшей проводки катушка, замкнуть ее концы и пустить по такому контуру достагоно сильный ток. Так как электрическое сопротивление катушки равно нulo, то выделения телло не производит. И хотя охлаждение соленода до температур жидкого геля, при которых наступает сверхпроводимость, создает определенные трудности, премиущества окупили бы недостатки, если бы… магнитное поле само не разрушало сверхпроводимость.
Открытие сверхпроводимости
На рисунке 1 показана схема опыта Kamерлинга-Оннеса, который был сделан в 1911 году в Лейдене. Голландские учены изготовили катушка из свинца, подсоединили ее к источнику ЭДС и, поместив катушку в жидкий гели, охладили ее до температуры кипения геля (4,2 К). При этом электронное сопротивление свинца исчезло — он перешел в сверхпроводшее состояние. Затем изменили положение ключевой и замкнутый катушку накоротко — по ней начал циркулировать незатухающий сверхпроводящий ток.
Этот ток создает магнитное поле, индукция которого пропорциональна силе тока. Казалось бы, чем сильнее ток в катушке, тем больше магнитное поле можно получить таким образом. Результат, однako, оказался разочаровывающим: при индукции поля в несколько долей тесла соленод переходил в нормальное состояние (у него появлялось сопротивление). Пытались делать катушки из других сверхпроводников, но и в них разрушение сверхпроводимости происходило при сравнитино малых магнитных полях. В чем же дело?
Эффект Мейснера
Разгадку такого «неудобного» поведения сверхпроводников нашли в 1933 году в Берлине в лаборатории В. Мейснера. Казалось, что сверхпроводник обладает свойствам полностью вытеснять из себя магнитное поле; в его только индукция магнитного поля равна нулю.
Представим себе, что металлический цилиндр (кусок проволоки) охладили до низкой температуры и переведели в
4
сверхпроводяще состояние. Затем включили магнитное поле с индукцией . По закону электромагнитной индукции на поверхности цилиндра появятся крутовые точки (рисунок 2), которые создают в цилиндре магнитное поле с индукцией , равной по величины и противоположной по направлению индукции внешнего поля. Эти точки — сверхпроводящие и затухать не будут. Поэтому в толще сверхпроводника суммарная индукция равна нулю: . Линии индукции магнитного поля в сверхпроводнике не пропикают.
Ну, а что, если изменить последовательность операций — сначала помещить металл во внешнее магнитное поле, а затем охладить его до сверхпроводащего состояния. Казалось бы, индукция магнитного поля при этом не меняется и нет причин для возникновения экранирующих поверхностных точек. Именно так и думал Мейснер, когда проверял расчеты Лауз, относится к первому способу проверения экперимента.*) Думать-то думал, но все-тakin решил проверить. Результат измененного экперимента получился удивительным. Оказалось, что и в этом случае магнитное поле полностью вытекается из сверхпроводника, не пропикает в него.
Это явление называли эфектом Мейснера.
Тепер ясно, почему магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Ведь на возникление поверхностных точек tratится определена энергия. В этом смысле сверхпроводащее состояние не
не выгодно, чем нормальное состояние, когда магнитное поле проникает в металл и экранирующих поверхностных точек нет. Чем больше индукция внешнего поля, тем более сильный ток должен течь по поверхности, чтобы обеспечить экранировку. При некотором значении индукции магнитного поля сверхпроводимость обязательно разрушается, и металл переходит в нормальное состояние. Поле, при котором происходит разрушение сверхпроводимости, называется критической полем сверхпроводника. Важно помним, что для разрушения сверхпроводимости не обязательно внешнее магнитное поле. Ток, текущий по сверхпроводнику, сам создает магнитное поле. Когда при определенном значении тока индукция этого поля достигает значения, соответствующего критической полю, сверхпроводимость разрушается.
Величина критического поля растет с уменьшением температуры, но даже вылизи абсолотного нуля критического поле у чистых сверхпроводящих металлов не велико (см. график на рисунке 3). В лучших случаях оно составляет всего десять доли теска. Так что, казалось бы, нечего и думать о создании сильных магнитных полей с помощью сверхпроводников.
Но дальнейшее исследование сверхпроводимости показало, что выход естеки есть. Было обнаружено, что имеется целая группа сверхпроводников, которые и в очень сильных магнитных полях сохраняют сверхпроводимость, правда, в несколько ослабленном виде.
Абрикосовские винри
В 1957 году советский физик А. А. Абрикосов теоретически показал, что в сплавах разрушить сверхпроводимость
Рис. 2. Рис. 3. Рис. 4.
5
магнитным полем не так-то просто. Так же как у чистых сверхпроводников, при некоторых значении индукции магнитное поле начинает проникать внутри сверхпроводника. Но в сплавах магнитное поле обычно не сразу заполняет весь объем сверхпроводника. В толще его вначале образуется лишь отдельные структуки линей индукции магнитного поля (рисунок 4). В каждом таком структуке содержится строго определенная порция магнитного потока Вб. Величина называется квантом магнитного потока.
Чем больше внешнее магнитное поле, тем больше таких структуков, а следовательно, и квантов магнитного потока пропикает в сверхпроводнике. Поэтому магнитный поток в сверхпроводнике меняется не непрерывно, а скачами, дискретно. Объчно дискретность физических величины проявляется в микромре (например, квантуется энергия электронов в атоме). Здесь мы сталиваемся с удивительным явлением — законы квантовой механики «работают» в макросоппических масштабах.
Каждай структок линей индукции магнитного поля в сверхпроводнике окружен колщевыми незаутхающими токами (см. рисунок 4), которые наполняют выход в жидкость или газе. Вот почему такие структуки линей, окруженные сверхпроводящими токами, называют абрикосовскими выходами. Внутри каждой выхода сверхпроводимость, размерется, разрушена. Но в пространстве между выходами она сохраняется! Только при очень сильных полях, когда выход становится так много, что они начинают перекрывать, наступает полное разрушение сверхпроводимости.
Такая необучная картина разрушения сверхпроводимости магнитным полем в сплавах впервые была открыта
Рис. 5.
6
леногда необходима проволока, которая выдерживает бы не только сильное магнитное поле, но и сильный электрический ток. А это, оказывается, не одно и то же.
Что такое пиннинг?
Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. А куда приложена сила противодействия, возникшая по третьему закону Ньютона? Если, например, магнитное поле создается другим проводником с током, то на него действует равная по величины и противоположная по направлению силы (сильы взаимодействия между проводниками с током определяются законом Ампера).
В нашем случае ситуация более сложная.
Когда сверхпроводник находится в смещанном состоянии и по нему течение ток, то в тех областях, где имеется магнитное поле (сердцевины вихрей), возникнет силы взаимодействия между током и полем. В результате распределение тока изменяется, но и областки, в которых сосредоточено магнитное поле, не оставится неподвижными, а начинают перемешаться. Абрикосовские вихри под действием тока движутся!
Сила, действующая на ток в магнитном поле, перpendикулярна индукими магнитного поля и направлению проводника. Сила, действующая со стороны тока на абрикосовский вихрь, тоже перpendикулярна индукими магнитного поля и направлению тока. Если, например, в сверхпроводнике в смещанном состоянии, показанном на рисунке 5, создать ток, протекающий слева направо, то абрикосовские вихри под действием тока начинают движаться сизу вверх или сверху вниз (в зависимости от направления индукими магнитного поля). Но движение абрикосового вихря сквозь сверхпроводник — это перемешение нормальной, не сверхпроводшей, сердцевины. При таком движении возникнет своеобразное трение, которое приводит к выделению тела. Значит, при протекании тока через сверхпроводник, находящаяся в смещанном состоянии, все-tаки появляется сопротивление и использовать такие сверхпроводники для создания соленодов нельзя.
В чем же выход? Надо помещать вихрям движаться, закрепить их на месте.
Сделать это, оказывается, можно. Надо только «испортить» сверхпроводник, создать в нем какие-то дефекты. Дефекты обычно возникают сами по себе в результате механической или термической обработки материалов. На рисунке 6, например, показана электронномикросоппереческая фотографика пленкинитрида нюбия (критическая температура которого 15 К), полученной налыленем металла на стеклянную пластинку. Ясно видна зернистая (столочная) структура материалов. Пересколько через границу зерна вихрю довольно сложно. Вот почему до определения значения тока (его называют критическим током) вихри остаются неподвижными. Электрическое сопротивление в током случае равно нулю.
Это явление называют пиннингом — от англійского слова pinning, что в переводе на русский язык означает прикалывание.
Благодаря пиннингу можно получить сверхпроводящие материалы с высоким значением как критического поля, так и критического тока. При этом, если значение критического поля определяется свойствами самого материалов, то значение критического тока (точнее, его плотности, то есть силы тока, прихождения на единицу площади секции) во многом зависит от способа приготовления, методов обработки материалов. Сейчас разработана технология, позволяющая сверхпроводящие материалы, имеющие высокие значения всех критических параметров. Например, на основе сплава нюбия с плотностью критического тока в сотни