Вихри в сверхпроводнике: твёрдые и жидкие экспресс
В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.
Квантовая механика говорит, что при низкой температуре вихри выстраиваются в ровную решётку, как солдаты в строю. При нагревании этот строй может «расплавиться»: вихри начинают дрожать и перемещаться, образуя жидкость. Раньше считалось, что такое плавление происходит только вблизи критической температуры, когда сверхпроводимость вот-вот исчезнет. Но группа учёных под руководством Йозефа Лензе заглянула внутрь материала с помощью сканирующего туннельного микроскопа — прибора, который чувствует отдельные вихри, как пальцы чувствуют неровности на столе.
Они изучали сверхпроводник CaKAs$_4$Fe$_4$ с критической температурой около 35 кельвинов (минус 238 градусов Цельсия). При температуре всего 18 кельвинов — вдвое ниже критической — в некоторых местах образца вихри уже не стояли строем, а беспорядочно метались, как толпа на вокзале. Эти «жидкие капли» соседствовали с участками, где вихри оставались неподвижными, как вкопанные.
Это открытие меняет представление о том, как сверхпроводники ведут себя в реальных условиях. Даже при умеренном охлаждении в материале могут возникать зоны, где сопротивление уже не нулевое. Для техники это важно: провода из сверхпроводников, магниты в томографах или ускорителях частиц могут греться локально, даже если в среднем температура кажется безопасной.
Теперь, зная о «жидких каплях», инженеры смогут искать способы удерживать вихри на месте — например, добавляя в материал дефекты, которые работают как якоря. Тогда сверхпроводник останется идеальным проводником в более широком диапазоне условий.
Сканирующий туннельный микроскоп чувствует вихри не светом, а электрическим током, который протекает между острой иглой и поверхностью. Игла настолько тонкая, что на её кончике помещается всего несколько атомов.
В романе Артура Кларка «Фонтаны рая» сверхпроводящий кабель удерживает космический лифт — но если вихри «расплавятся», кабель потеряет идеальную проводимость и лифт рухнет.