Холодный расчет: сверхтекучесть, сверхпроводимость

      Комментарии к записи Холодный расчет: сверхтекучесть, сверхпроводимость отключены

Холодный расчет: сверхтекучесть, сверхпроводимость

С того времени как во второй половине 40-ых годов XIX века лорд Кельвин ввел понятие полной абсолютного нуля и температуры, физиков не оставляло рвение приблизиться к заветной нулевой отметке, где должно закончиться тепловое перемещение частиц. Интуиция подсказывала ученым, что тут возможно ожидать необычного поведения и новых явлений вещества.

Через пять десятилетий по окончании публикации работ Кельвина, в 1908 году, голландцу Хейке Камерлинг-Оннесу, основателю Лейденской лаборатории, удалось по окончании продолжительных упрочнений взять температуру, всего на 4,2 градуса отличающуюся от безотносительного нуля. Старания не пропали бесплатно, интуиция не подвела: в 1911 году Камерлинг-Оннес нашёл совсем новое физическое явление, появляющееся при низких температурах, — сверхпроводимость ртути, за что и взял Нобелевскую премию в области физики 1913 года.

Итог в действительности был поразительным: в сверхпроводящем состоянии электрическое сопротивление не просто уменьшается, а делается совершенно верно равным нулю. И ток в сверхпроводящем кольце может свободно течь сколь угодно продолжительно, в случае если его не тревожить. Но это было еще не все.

В конце 30-х годов внезапно поняли, что гелий, охлажденный до 2,2 кельвина, вольно попадает через каждые, кроме того самые мелкие, отверстия. Нужно заявить, что гелий — единственное известное вещество, которое еще остается жидким при таких низких температурах. Новое необыкновенное свойство весьма холодной жидкости изучил Петр Леонидович Капица и назвал его сверхтекучестью.

По окончании этих открытий стало ясно, что овчинка стоит выделки. Низкие температуры были окном в квантовый мир. Так как в то время, когда фактически заканчивается хаотическое перемещение атомов, электронов и молекул, на первый замысел выходят квантовые особенности вещества. Вот тут-то, избавившись от «тепловой завесы», возможно рассмотреть, как все устроено в действительности!

И вправду, лишь посредством квантовой механики удалось в итоге растолковать, из-за чего материалы так радикально меняют собственные свойства при низких температурах: в жёстких появляется сверхпроводимость, а в жидких — сверхтекучесть.

Догадка о конденсате

Как это ни парадоксально, но теоретические базы этих объяснений были заложены человеком, что так ни при каких обстоятельствах и не согласился с правилами квантовой механики. В 1925 году Альберт Эйнштейн, развивая идеи индийского физика Шатьендраната Бозе, выдвинул храбрую догадку о поведении вещества при низких температурах и предсказал новое явление, которое позднее стало называться конденсации Бозе — Эйнштейна.

Представим себе молекулы газа в сосуде, хаотически движущиеся в различных направлениях с различными скоростями. В случае если мы захотим измерить скорости всех молекул, то заметим, что кроме того при комнатной температуре нам попадутся такие, каковые практически стоят на месте либо, напротив, летят с огромной скоростью. Но таких экзотических случаев будет мало. Больше всего мы найдём «середнячков» — тех, каковые летают не скоро и не медлительно, а приблизительно в соответствии с окружающей температурой.

Чем ниже делается температура, тем медленнее и медленнее передвигаются «середнячки» и тем больше частиц по большому счету останавливается, имея нулевую скорость. Разбирая такое поведение молекул, Эйнштейн взял необычный итог: понижение температуры газа может в итоге привести к тому, что не просто большое количество частиц, а подавляющее их большую часть прекратит двигаться и замрет на месте. Это явление он и назвал конденсацией, а сам газ в таком состоянии — конденсатом.

На первый взгляд думается, что тут нет ничего необыкновенного. Всем как мы знаем, что температура связана со скоростью перемещения молекул. Да и то, что молекулы при низкой температуре практически совсем останавливаются, вовсе не противоречит отечественным простым представлениям. Но с позиций квантовой механики это совсем особенное состояние.

Частицы конденсата с однообразной нулевой скоростью принципиально неразличимы, они имеют однообразную массу, энергию, заряд и все другие параметры. Более того, все они в один момент находятся в одном и том же месте, и любая из них «размазана» по всей области пространства, которую занимает конденсат. Такое состояние физики именуют когерентностью.

Исходя из этого бозе-эйнштейновский конденсат — это не просто замершие в неподвижности атомы. Он отличается от простого охлажденного газа так же, как луч лазера — от света простой лампочки накаливания.

Косвенные свидетельства

Продолжительное время выводы Эйнштейна оставались не более чем догадкой. Замечать само явление конденсации никому не получалось. Но для объяснения вторых необыкновенных особенностей веществ при низких температурах эта теория пришлась как запрещено кстати.

Во второй половине 30-ых годов XX века Фриц Лондон предположил (и был прав), что замечаемая в гелии сверхтекучесть не что иное, как следствие бозе-эйнштейновской конденсации. И вдобавок через два десятилетия затем, во второй половине 50-ых годов XX века, забрав за базу теоретические мысли Эйнштейна о конденсате, Джон Бардин, Леон Роберт и Купер Шриффер выстроили теорию сверхпроводимости и взяли за это Нобелевскую премию в области физики.

Но возможно ли конкретно замечать бозе-эйнштейновскую конденсацию газа — другими словами, как раз то явление, которое предвещал Эйнштейн?

Решающий опыт

Вопрос оставался открытым ни большое количество ни мало семьдесят лет. Дабы ответить на него утвердительно, было нужно охладить газ до фантастических температур, всего на миллиардные доли градуса отличающихся от полного нуля.

В 1995 году две группы американских ученых в двух различных лабораториях совершили успешные опыты и в один момент сказали о наблюдении нового состояния вещества — бозе-эйнштейновского конденсата. В Объединенном исследовательском центре Национального университета стандартов США и Колорадского университета Эрик Корнелл и Карл Виман взяли это экстремальное состояние для практически двух тысяч атомов рубидия при температуре 20 нанокельвинов.

А доктору физических наук Массачусетского технологического университета Вольфгангу Кеттерле удалось замечать конденсат из 100 тысяч атомов натрия. В 2001 году всем троим первооткрывателям была присуждена Нобелевская премия в области физики.

Магнитная ловушка

Как это часто бывает в экспериментальной физике, трудясь на пределе возможностей, ученые проявляют чудеса изобретательности. Вот и в этом случае, дабы заметить газ в состоянии бозе-эйнштейновской конденсации, им потребовалось решить последовательность занимательных задач.

Для начала было нужно сделать газ из металла (рубидия либо натрия) и умудриться охладить его так, дабы он не возвратился в жёсткое состояние. При таких низких температурах газ очень неустойчив и при любом сотрудничестве с окружающим миром пытается стать жёстким. Тут ответ было разумеется — магнитная ловушка, где вещество удерживается магнитным полем. В таковой ловушке возможно достаточно продолжительно хранить газ в холодном состоянии.

В ней нет никакого сотрудничества со стенками сосуда, потому, что нет стенок как таковых. Более того, изменяя магнитное поле, возможно руководить поведением атомов газа. Кстати, пролетающие молекулы смогут случайно уничтожить такую совокупность, исходя из этого ловушка с атомами была помещена в вакуумную установку с высоким вакуумом.

Охлаждение

А вот охлаждали газ в два этапа. Сперва был использован способ лазерного охлаждения, придуманный русским физиком В.С. Летоховым еще во второй половине 60-ых годов XX века.

На первый взгляд он противоречит отечественным представлениям о применении лазеров. Так как лазерный луч для нас — это прежде всего переносчик энергии, он нагревает вещество а также владеет разрушительной силой. Однако ученые вынудили его функционировать в другом направлении.

В случае если вам весьма интересно выяснить, как им это удалось, просматривайте материал на врезке.

Следующий этап — испарительное охлаждение. Мысль этого способа несложна и красива, и именно она была тем последним кусочком, которого не хватало для ответа данной страшно холодной головоломки. В веществе, которое мы поместили в ловушку и пробуем охладить, неизменно имеется частички, атомы либо молекулы, движущиеся стремительнее вторых.

Они «клубятся» над остальными более спокойными частицами и покидают ловушку, в случае если оказываются выше ее границ. В то время, когда все самые стремительные улетят, понизим границы ловушки. Опять дождемся, пока улетят самые расторопные, и снова уменьшим барьер.

Так неспешно в отечественной ловушке останутся лишь самые медленные, самые холодные атомы, в случае если в том месте, само собой разумеется, по большому счету что-нибудь останется.

Нужно дать должное мастерству экспериментаторов. Им удалось выполнить эту щекотливую процедуру, сохранив наряду с этим хватает атомов, дабы заметить завораживающую картину бозе-эйнштейновской конденсации.

Возможности применения

Вот уже пара лет большая часть упрочнений ученых сосредоточено на фундаментальных изучениях бозе-эйнштейновского конденсата, но и практические идеи не вынудили себя ожидать. Мы уже упоминали о том, что бозе-конденсат владеет таким же серьёзным отличительным свойством, как и лазерный луч, — когерентностью (несложнее говоря, тождественностью всех собственных элементов). Потому устройство, которое будет испускать пучок атомов в состоянии бозе-конденсата, стало называться «ядерный лазер».

В первый раз о построении ядерного лазера заявили во второй половине 90-ых годов XX века физики из Массачусетского технологического университета, а во второй половине 90-ых годов двадцатого века исследователи из института Макса Планка в Германии показали устройство, где испускался когерентный пучок атомов рубидия длительностью около 100 мс.

Пучок ультрахолодных атомов из ядерного лазера удается сфокусировать с точностью до одной миллионной миллиметра. Это разрешит практически «выкладывать» из атомов узкие конструкции и создавать наноструктуры на поверхностях. Посредством ядерного лазера возможно будет сконструировать фантастически правильные гироскопы и атомные часы для навигационных совокупностей.

И вдобавок имеется надежда, что новые разработки предоставит шанс в земных условиях проверить выводы неспециализированной теории относительности. Может, на это и рассчитывал умный Эйнштейн?

Лазерное охлаждение

Вещество для наблюдения бозе-конденсата выбрано так, дабы его атомы владели свойством резонансного поглощения, другими словами избирательно поглощали свет лишь определенной длины волны. Атомы газа движутся хаотически. При поглощении фотона, летящего навстречу атому, перемещение атома замедлится.

А вдруг поглотится фотон, что летит в том же направлении, что и атом, скорость атома, напротив, увеличится.

Атомы в ловушке облучают светом лазера с длиной волны чуть больше резонансной. В случае если атом летит навстречу фотону, то в соответствии с эффекту Доплера протяженность волны фотона для атома «думается» меньше. При определенной скорости она будет соответствовать резонансной и таковой фотон поглотится.

Наряду с этим скорость атома уменьшится. А для атомов, каковые улетают от фотонов, протяженность волны фотона «думается» больше, чем нужно, и поглощения не происходит.

Так, поглощаются лишь те фотоны, каковые замедляют перемещение атомов, и газ неспешно охлаждается. Справедливости для направляться заявить, что фотоны позже испускаются атомами обратно. Но потому, что это излучение происходит равномерно во все стороны, то оно практически не воздействует на трансформацию температуры газа.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№9, июль 2003).

Сверхпроводимость


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: