Что за LK-99? Если вы ещё не в курсе.
Сравнительно недавно небольшая группа корейских учёных поставила на уши всё мировое научное сообщество, заявив об открытии сверхпроводимости при нормальных условиях. То есть при комнатной температуре и при нормальном атмосферном давлении. Материал, который они синтезировали, называется LK-99, и он представляет из себя минерал аппатит, легированный медью. Вот такая сложная формула у него.
Вряд ли вы в школе видели подобные. Также допускаю, что учитель по химии отметил бы, что в этой формуле явно есть ошибка. Я просто переписал её с оригинальной статьи, я не разбираюсь. есть такие формулы или нет. А вот как выглядит структура материала:
А вот сам заветный образец:
Работу опубликовали на сервисе препринтов, и на данный момент она по-прежнему не прошла рецензирование, и её продолжают лихорадочно проверять, хотя энтузиазм поутих. Если интересно, то вот здесь собраны все предварительные результаты проверки LK-99.
Эта лихорадка коснулась не только научных лабораторий ведущих мировых институтов, но и простых энтузиастов, которые пытаются воспроизвести результаты у себя на кухне, фигурально выражаясь, публикуя свои изыскания в соцсетях и на видеохостингах.
И несмотря на то, что с самого начала работа вызывало скептицизм у всех, кто хоть немного разбирается в теме, и только СМИ пестрили громкими заголовками, все всё равно кинулись проверять данные корейцев. Спойлер - не всё так однозначно, хоть и есть позитивные проблески. Однако подтвердить полученные результаты всё же окончательно не удалось.
И всё же, в чём заключается такой ажиотаж из-за сомнительной статьи? Некоторые учёные даже нисколько не удивились появлением такой публикации. Как выяснилось, подобные изыскания появляются в среде препринтов регулярно, примерно раз в год. У них даже есть название - “неопознанные сверхпроводящие объекты”.
Критикуется даже сам ажиотаж вокруг этой темы. Некоторые исследователи считают, что у сверхпроводников, сюрприз, нет серьёзных перспектив массового практического применения, ведь за всю историю исследования сверхпроводников они приносили пользу главным образом в области фундаментальной науки. И только недавно сверхпроводники позволили реализовать на практике квантовые вычисления, но даже в этой области есть более приземлённые альтернативы.
Причин такого взрыва в научном и информационном пространстве может быть несколько. Прежде всего надо отметить, что авторы потенциального открытия изрядно подготовились и умело растиражировали в интернете свои результаты, опубликовав видео №1 и видео №2 левитации образца своего сверхпроводящего, как они утверждают, материала над магнитом, сопроводив эту демонстрацию ещё одним препринтом.
С другой стороны, сверхпроводники - это святой грааль современной науки. Или философский камень, как вам больше нравится. Напишите в комментарии, что больше подходит для сверхпроводников.
И чтобы понять почему его таковым считают и тратят много сил и средств на поиски сверхпроводников настолько же простых в эксплуатации, что и обычные провода, надо погрузиться немного в матчасть этого вопроса.
Сверхпроводимость. Матчасть.
Но сначала про сопротивление.
Начнём, пожалуй, с сопротивления. Как известно, по способности проводить электрический ток материалы разделяют на проводники и диэлектрики. Есть ещё и полупроводники, но к ним мы обратимся позже.
У проводников есть свободные носители заряда, то есть это частицы в молекулярной структуре, обладающие электрическим зарядом, и которые могут как бы отрываться от этой структуры и приходить в относительно упорядоченное движение под действием электрического поля.
Почему относительно упорядоченное? Потому что есть ещё и тепловое движение этих зарядов, которое хаотично и занимают львиную долю их энергии. Если очень абстрактно, то вот конкретный пример. Металлы обладают наилучшими проводящими свойствами, так как носители заряда там - свободные электроны - за счёт металлической химической связи достаточно слабо связаны с атомами и ионами (это если в атоме не хватает электронов и он получается положительно заряженным) в узлах кристаллической решётки и как только металл подключают к источнику электричества, то под действием возникающего в нём электрического поля электроны начинают двигаться. Да, это движение в целом хаотично, однако в итоге некоторый условный центр колебаний смещается, и скорость эта - сантиметры или даже миллиметры в секунду, в то время как скорость теплового движения на несколько порядков больше.
Очевидно, что электроны не полностью оторваны от кристаллической решётки, и при движении взаимодействуют с атомами или ионами кристаллической решётки. В школьных учебниках пишут, что электроны сталкиваются с атомами или ионами в узлах кристаллической решётки. Также препятствиями служат дефекты кристаллической решётки. Ну очевидно что дополнительный вклад вклад вносит ещё и тепловое колебание атомов в кристаллической решётке. Однако чтобы понять сверхпроводимость надо немного углубиться.
Дело в том, что никаких столкновений в привычном понимании на таких масштабах не происходит. Электроны двигаются в пределах квантовой системы, а для электрона, частицы, которая известна как фермион, то есть частица с полуцелым спином (про спин парой строчек позже) действует принцип Паули. Он гласит, что в пределах одной квантовой системы не может быть двух фермионов с одинаковыми значениями основных квантовых чисел. Их четыре, их все мы перечислять мы не будем, приведём в пример один - тот самый спин. Он нам потом пригодится. Это, условно говоря - вращение, хотя опять же вращение в размерном порядке электрона понятие некорректное.
Однако, в дальнейшем, для понимания, мы будем оперировать аккуратными упрощёнными аналогиями из макромира, но это лишь условная аналогия. Так вот, спин, то есть вращение электрона, за счёт того, что это заряженная частица, создаёт локальное магнитное поле, направление которого зависит от того, в какую сторону вращается электрон. Так вот, электрон в квантовой системе может вращаться либо строго в одну торону, либо строго в другую, то есть вектор магнитного поля направлен либо вверх, либо вниз. Так и говорят, спин направлен либо вверх, либо вниз.
Именно благодаря принципу Паули происходит взаимодействие и обмен энергией между атомом (или ионом) и электроном. Электрон вынужден в пределах атома или иона, находясь с ним в одной квантовой системе, менять своё квантовое состояние, что выражается в изменении квантовых чисел. Ну или наоборот, свободный электрон не меняется, но электроны атома вынуждены под “гостя” подстраиваться. Все эти переходы энергетические, то есть электрон меняет свою энергию, а так как у нас ещё работает закон сохранения энергии, энергия также меняется и у атома. Это чтобы вы понимали, что за “столкновения” происходят в кристаллических решётках металлов.
Когда электроны двигаются в проводнике, перепрыгивая от одного атома к другому, для соответствия принципу Паули электрону приходится постоянно менять квантовые числа, от чего он постоянно обменивается энергией и импульсом с атомами и ионами кристаллической решётки. Главным образом это происходит при тепловом движении, как только очередной электрон локализуется в пределах очередного иона кристаллической решётки, он подстраивается к новой квантовой системе, меняя квантовые числа. Но в случае теплового движения энергия в целом компенсируется, однако та небольшая часть энергии извне, которая создаётся внешним электрическим полем, создающим ток, от этого процесса постоянно теряется на то же дополнительное тепло и электрическому полю требуется совершать дополнительную работу, чтобы заставлять электроны прыгать между атомами более упорядоченно.
Иными словами, когда электроны прыгают между ионами кристаллической решётки в процессе теплового движения, они стремятся максимально равномерно распределить свою энергию по всему объёму материала, то есть рассеять её, и им все равно, откуда эта энергия берётся, и под раздачу попадает полезная, так сказать, энергия, которую сообщает электронам внешнее электрическое поле, производящее электрический ток.
Чем сильнее электрон прикреплен к кристаллической решётке, тем больше энергии рассеивается при изменении квантовых чисел электрона. В этом и состоит суть электрического сопротивления, происходит потеря энергии электрона, которую ему сообщает внешнее электрическое поле, этому же полю приходится постоянно эту энергию компенсировать, и эта энергия преобразуется, например, в нагрев.
Становится очевидным тот факт, что при понижении температуры доля энергии теплового движения будет меньше, и заряды должны двигаться более упорядоченно, а энергия через тепловое движение должна рассеиваться меньше. Тем не менее, полностью процесс рассеяния энергии через тепловое движение прекратиться не должен. Однако, при достижении некоторой критической температуры, некоторые материалы перерождаются в сверхпроводник.
А вот теперь про сверхпроводник.
Сверхпроводники - это материалы, которые обладают строго нулевым электрическим сопротивлением. Не просто малым, а вообще нулевым. И тут возникает вопрос, что при этом происходит с носителями заряда? Очевидны два факта: носители заряда перестают взаимодействовать с ионами и атомами, и их собственная тепловая энергия слишком мала, чтобы они могли рассеивать её через взаимодействие друг с другом.
Надо отметить, что столь экстремальные физические свойства наблюдаются редко, поэтому сам факт наличия таких свойств представляет большой научный интерес, поскольку такие свойства скорее исключение.
Сверхпроводниками могут быть очень многие материалы, но при крайне специфичных условиях. То есть корректнее говорить про сверхпроводимость - свойство материала, которое наблюдается при определённых условиях (как правило также экстремальных), при достижении которых материал переходит в сверхпроводящее состояние. Обычно это либо очень низкая температура, либо высокое давление.
На графике показаны известные сверхпроводники. Некоторые проявляют сверхпроводимость при комнатной температуре, однако при экстремально сильном давлении. То есть, пока достоверно не нашли сверхпроводник, который не надо “мучать” холодом и давлением, чтобы он стал этим самым сверхпроводником. Многие учёные считают, что наличие таких специфичных экстремальных условий является обязательным условием для сверхпроводимости.
Обнаружили сверхпроводимость в 1911м году. Учёные давно наблюдали, что при понижении температуры сопротивление материала снижается, и было интересно, до какой величины оно может упасть. И какого же было удивление учёных, когда у ртути, при понижении температуры ниже 4,1 Кельвин, то есть при -269 градусах Цельсия, почти при абсолютном нуле, электрическое сопротивление просто исчезло.
Дальнейшие исследования показали, что причиной появление сверхпроводимости стало изменение носителей заряда. То есть, спросите вы, там появляются новые частицы? И да, и нет.
В сверхпроводнике носителем заряда становится частица с нулевым значением спина, то есть бозон. Частицы с нулевым спином крайне специфично взаимодействуют с другими частицами и структурой вещества (классическим примером бозона является фотон) и бывает так, что работу для их движения никакой осуществлять не надо, надо лишь сообщить начальный импульс.
Почему вдруг в материале носителями электрического заряда становятся другие частицы? Начнём с простого - электронов. Дело в том, что при определённых условиях электроны начинаются соединяться в так называемые куперовские пары - квазичастицы, представляющие из связанную пару электронов, которые движутся и взаимодействуют как единое целое, и спин у такой квазичастицы получается нулевым.
При достаточно низкой энергии теплового движения что атомы и ионы, что электроны начинают взаимодействовать несколько иначе. Меньший хаос движения способствует большей упорядоченности процессов, это касается всего: переходов электронов между узлами кристаллической решётки; теплового колебательного движения атомов, ионов и электронов; процессов переходов внутри электронных оболочек атомов, и так дале. Из-за этого в общем объёме всё как бы меньше перемешивается, и если вдруг возникает какая-то неоднородность структуры, она может сохраняться долгое время. Говоря более научным языком, энтропия системы меньше, и она допускает некоторые неоднородности.
При таких более спокойных условиях электрон, находясь поблизости от нескольких ионов или атомов, может приводить к аномалии плотности положительного заряда. То есть вокруг него электрическое поле соответствует тому, словно рядом с ним в пространстве размазано больше положительного заряда, чем если бы его там не было. Это происходит либо от того, что электрон как бы чуть притягивает положительные ионы, либо отталкивает от себя электронные оболочки атомов. В итоге происходит образование промежуточной квазичастицы - фонона. Да, не фотона, а фонона, квазичастицы, которые образуются вследствие упругих деформаций квантовых систем.
Квантовая физика - интересная штука, и согласно её законам, если в пустом пространстве, в котором казалось бы ничего нет, может возникнуть некоторые опосредованные квантовые состояния, обусловленные соседними реальными частицами, то это пустое место может начать вести себя как частица и взаимодействовать с окружением как частица.
Так и происходит с этим положительно заряженным фононом. По факту образуется локальная потенциальная яма для электрона, однако эта потенциальная яма ведёт себя как положительно заряженная частица и может образовывать квантовую систему с электроном, который она может захватить. Причем у неё есть несколько специфических свойств. Во-первых, у неё нет теплового движения, и поэтому она может удерживать электрон намного лучше атома и иона, а во-вторых, поскольку у неё нет, так сказать, привычного физического воплощения, она вместе с захваченным электроном не образует нейтральной частицы и может захватить ещё один электрон, который с одной стороны будет притягиваться к этому фонону, а с другой отталкиваться от другого электрона. К тому же они образуют общую квантовую систему, и их спины - квантовые состояния, которые легче всего поменять - выстраиваются противоположным образом. И вуаля! Вот у вас получается квазичастица со свойствами бозона, которая не будет взаимодействовать с атомами и ионами, а за счёт своего заряда будет только отталкиваться от вездесущих электронных оболочек других атомов и ионов, попутно лишь усиливая аномалию плотности положительного заряда.
Кроме того, куперовская пара получает дополнительные степени свободы, то есть способы движения, и они могут без труда огибать препятствия. Очень наглядно будет, если пустить через полосу регулярных препятствий просто шарики, и жёстко связанные парами шарики. Пары шариков могут разворачиваться, и благодаря этому легче преодолевают любые препятствия. Именно такую визуальную аналогию часто приводят для объяснения сверхпроводимости. Добавьте к этой мысленной аналогии тот факт, что эти жесткие связи могут переключаться между разными парами шариков, а это так и есть, куперовские пары могут разрушаться и собираться вновь в произвольных комбинациях, то можно добиться практически полного отсутствия взаимодействия с препятствиями
Создаётся впечатление, что подобное может быть только при очень низких температурах, так как стоит температуре чуть повыситься, как энтропия теплового движения начнёт стирать любые неоднородности, включая всякие аномалии плотности заряда. И долгое время так и считали, но оказалось что нет.
Вот теперь вспомним полупроводники. У некоторых из них есть особый вид электрической проводимости, как раз за счёт движения подобной аномалии плотности положительного заряда. (Хотя за такую аналогию меня сведущие в физике могут возненавидеть, но для этой статьи и так терминов хватит). Только образуется она иначе. Если сильно упростить, в таком материале идет постоянный гоп-стоп между атомами, и они стремятся отнят друг у друга валентные электроны, и тот атом, у которого этот электрон отняли соседи, становится той самой аномалией плотности положительного заряда. Её даже называют как-то по гопстопски - дыркой. Она, конечно, со временем набирается смелости и дыркой становится кто-то другой, и этому, кстати, тепловые процессы только способствуют. Если к этому гоп-стопу подключить электрическое поле, то у него появится тенденция к движению в сторону отрицательного электрического потенциала, как если бы там подул ветер и сдувал электроны к гопникам немного в стороне. В итоге мы получаем упорядоченное (более упорядоченное, кстати, чем у электронов) движение дырок. Так вот, предполагается (это ещё до конца не ясно), что в более высокотемпературных сверхпроводниках куперовские пары могут образовываться между двумя дырками, а также между дырками и электронами.
Ещё надо отметить две важные технические детали. Куперовские пары могут разрушиться не только от повышения температуры. Если куперовских пар станет слишком много, что тоже повышает энтропию системы, они начнут слишком часто переключаться между собой, а аномалии плотности положительного заряда - те самые фононы - начнут слишком хаотично двигаться, что просто сотрёт их, и сверхпроводимость пропадёт. Поэтому у сверхпроводников существует так называемая критическая плотность тока, которая разрушает сверхпроводимость. Другой проблемой может стать внешнее магнитное поле. Опять же при достижении некоторого критического значения индукции такого поля электроны начнут выходить из одной квантовой системы с фононами, что также приведёт к разрушению куперовских пар.
Для дальнейшего понимания как самих сверхпроводников, так и ажиотажа вокруг нового якобы открытия, надо закрепить несколько принципиальных моментов. Природу сверхпроводимости за счёт образования куперовских пар мы разобрали. Ещё важный момент: более высокотемпературная сверхпроводимость - это передний край науки, её теорию только разрабатывают, и дырочные куперовские пары - одна из гипотез. Но одно ясно точно: на сверхпроводимость непосредственно влияет структура кристаллической решетки вещества, а именно возможность образовывать те самые квазичастицы в качестве носителей заряда. И последнее - у сверхпроводников помимо параметра критической температуры, при преодолении которой пропадает сверхпроводимость, есть еще и, например, критическая плотность тока.
Итак, на этой жирной квантовой ноте я предлагаю прерваться. Статья большая получается, поэтому я разделил её на две части. Продолжение читайте во второй части.
Если хотите поддержать нас более весомо, переходите на наш Бусти!
