К решению задачи увеличения надежности таких сложных и дорогостоящих установок, как Большой адронный коллайдер (БАК), приблизился международный научный коллектив во главе со старшим научным сотрудником научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) Евгением Таланцевым. О результатах проведенного эксперимента исследователи рассказали в журнале Scientific Reports в статье «Самые начальные стадии рассеяния электрической энергии в высокотемпературных сверхпроводниках: магнитный гистерезис и зависимость от магнитного поля».
«В ходе работы с высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения при температурах жидкого азота (примерно -190 градусов Цельсия) нами было обнаружено, что при увеличении силы электрического тока самые ранние стадии рассеяния электрической энергии однозначно ассоциируются с резким переходом от нелинейного "поведения" магнитного поля, создаваемого электрическим током (и измеряемого в любой точке поверхности сверхпроводника), к линейному. Линейное увеличение магнитного поля при линейном увеличении силы тока — обычная зависимость, присущая металлам и полупроводникам, то есть тем материалам с обычным линейным электросопротивлением, для которых применим закон Ома, — объясняет Таланцев. — Другими словами, несмотря на то, что электросопротивление сверхпроводников на начальных стадиях диссипации примерно в сотни миллиардов раз ниже, чем у самого лучшего металла, очень нелинейно и возрастает в десятки миллионов раз, «поведение» магнитного поля в зависимости от силы тока оказалось линейным и легко регистрируется обычными криогенными датчиками Холла».
Оригинальность эксперимента состояла в том, что сначала он проводился без приложенного внешнего магнитного поля, то есть в отсутствие множества дополнительных эффектов, которые возникают в сверхпроводнике при воздействии внешнего приложенного магнитного поля.
«Эксперимент без поля — очень чистый и простой, ничего проще и не придумаешь. Но до нас никто такой эксперимент не проводил и результатов не анализировал, все экспериментировали в сильном магнитном поле. Значение нашего экспериментального подхода в том, что мы “закрыли лазейки” для объяснения зафиксированного эффекта влиянием приложенного внешнего магнитного поля. Таким образом, можно утверждать, что эффект, выявленный нами, имеет фундаментальный характер», — рассказывает ученый.
Однако на этом экспериментаторы не остановились и проверили, возникает ли эффект перехода от нелинейной к линейной зависимости магнитного поля при увеличении силы тока при приложении к сверхпроводнику сильного внешнего магнитном поля — ведь условия, при которых произошла техногенная катастрофа в Большом адронном коллайдере, соответствовали ситуации «с приложенным» внешним магнитным полем.
«Выяснилось, что в экспериментах с приложенным внешним магнитным полем линейные характеристики собственного магнитного поля сверхпроводника, наблюдаемые на самых начальных этапах рассеивания энергии, идентичны тем, которые наблюдаются без приложенного внешнего поля. Таким образом, мы показали, что режимы рассеяния электрической энергии на начальных стадиях, вопреки традиционным предположениям, одинаковы и без приложенного внешнего магнитного поля, и с ним, — продолжает Таланцев. — Кроме того, в данной работе мы показали, что сверхпроводник навсегда "запоминает" "свою магнитную предысторию". Все изменения, происходящие даже без диссипации энергии, "запоминаются" сверхпроводником на неопределенно долгое время. Этот эффект “памяти” называется гистерезисом».
Физические принципы эффекта, открытого в ходе экспериментального наблюдения, предстоит обосновать теоретически. Здесь Евгений Таланцев рассчитывает на содействие ученых и студентов НОЦ «Нанотез» УрФУ. Тем временем группа Евгения Таланцева планирует продолжить эксперименты при низких температурах с использованием жидкого гелия, то есть в условиях, практически идентичных условиям Большого адронного коллайдера.
За плечами у Евгения 20 лет работы в США, Японии, Новой Зеландии, где он исследовал электрофизические свойства новых материалов, занимался проблемами фундаментальной и прикладной сверхпроводимости; в настоящее время он кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории прецизионных сплавов и интерметаллидов Института физики металлов Уральского отделения РАН.
Большой адронный коллайдер — находящаяся под землей на границе Швейцарии и Франции 27-километровая установка для столкновения элементарных частиц, разогнанных до скорости, близкой к световой. Регистрируя соударения частиц, ученые постигают тайны сотворения и устройства Вселенной. Данные исследования возможны только в условиях, когда поток элементарных частиц сжат сильным магнитным полем, в миллион превышающим магнитное поле Земли. Такие поля создаются благодаря сверхпроводникам, в которых гигантский электрический ток без потерь циркулирует в катушке индуктивности длиной почти 27 километров, являющейся основой БАК. Увеличение энергии сталкивающихся частиц возможно только в случае, если величина магнитного поля будет увеличена. Продуктивность сверхпроводников, в свою очередь, обеспечивается охлаждением с помощью жидкого гелия: это вещество имеет свойство не затвердевать даже при абсолютном нуле температуры: -273.15 градуса Цельсия.
В сентябре 2008 года из-за неуправляемого поведения 27-километровой сверхпроводящей катушки индуктивности на Большом адронном коллайдере произошла самая крупная техногенная «сверхпроводниковая» катастрофа, так называемый «квенч» — разрушение сверхпроводящего состояния сверхпроводника. Запланированное штатное увеличение силы тока в катушке привело к повреждению криогенной системы БАК. В атмосферу испарилось около 6 тонн жидкого гелия (отметим, что 1 литр жидкого гелия — это около 125 граммов, стоит около 100 евро). К счастью, обошлось без жертв, но БАК, который в результате неконтролируемого рассеяния энергии получил значительные повреждения, остановили более чем на год. Европейская наука понесла многомиллионные убытки.
УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.
