Мы уже как-то говорили о том, что на холоде (ультрасильном холоде) начинают происходить странные дела, для описания которых приходится даже прибегать к приставке «сверх-». Так мы обсуждали сверхтекучесть, а сегодня поговорим о сверхпроводимости.
Итак, есть у нас проводник. На его концах есть разность потенциалов. Стало быть по проводнику движутся электроны. Чем свободнее электроны могут передвигаться по проводнику, тем лучше проводник проводит электричество.
А что мешает электронам двигаться? А сам проводник, а точнее его атомы/ионы и мешают. Ведь им не сидится ровненько, они же постоянно ерзают взад-вперед. Иначе говоря, колеблются относительно своего равновесного положения.
Вот бедные электроны во время своего движения и наталкиваются на этих колеблющихся. По-умному говорят, что электроны рассеиваются на фононах (это такие квазичастицы, которые описывают колебания атомов). Это, по сути, главное, что определяет сопротивление проводника.
Эти столкновения приводят к тому, что эффективность передачи электричества снижается, что выражается в разогреве проводника. А как было бы прекрасно передавать электричество безо всякого сопротивления и безо всяких потерь!
Именно эту цель и призвана достичь сверхпроводимость. Каким образом? А вот возьмем, и охладим проводник донельзя, заставим его атомы стоять спокойно, не дергаться (ну почти), чтобы электроны могли двигаться свободно, вот тогда и настанет всеобщее благоденствие.
Поведение самих электронов при экстремально низких температурах тоже меняется. Электроны попарно образуют крепенькие квазичастицы – куперовские пары, их спин становится равен нулю, заряд удваивается. «Замороженным» фононам не хватает сил «рассеять» такие пары, а потому они и движутся по проводнику беспрепятственно.
Однако тут возникает проблема. Охлаждать проводник нужно до очень низких температур: до -150 °C и ниже. Для поддержания такой температуры необходимо расходовать жидкий азот или даже гелий и в больших количествах. В результате применять такой проводник на практике становится невыгодно.
Современная физика до сих пор бьется над главной задачей – поиском такого материала, который мог бы демонстрировать сверхпроводимость, при ну хоть сколько-нибудь приличных температурах, ну хотя бы -50 °C.
Это привело бы к революции в энергетике, транспорте и электронике. Счета за электричество стали бы на порядок ниже (ну по крайней мере по идее должны бы), а миниатюрные электроприборы – еще миниатюрнее.