Примерно при температуре -270 градусов по Цельсию некоторые металлы пропускают электрический ток без сопротивления. Однако ученые научились достигать сверхпроводимости и при более высокой температуре около 130 кельвинов (-143 по Цельсию), и не останавливаются на достигнутом, полагая, что это ценное свойство можно воспроизвести и при комнатной температуре.
Сверхпроводники характеризуются полным отсутствием сопротивления. Так называемые сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле.
Подобные же вещества II рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно, что делает их спектр применения крайне широким.
Что есть сверхпроводимость?
Само явление было описано нидерландским химиком и физиком Хейке Каммерлингом-Оттесом в 1911 году. Он стал лауреатом Нобелевской премии двумя годами позже.
Впервые понятие сверхпроводимости появилось в научных работах советского академика Льва Ландау, который, кстати, тоже удостоился за свою работу Нобелевской премии в 1962 году.
Сверхпроводимость металлов объясняется при помощи концепции так называемых "пар Купера": двух объединенных через квант электронов с суммарно нулевым моментом импульса.
Подобные спаривания электронов возникают в кристаллической решетке некоторых металлов при охлаждении до экстремально низких температур.
Однако позднее с помощью купратов - керамик с высоким содержанием меди - ученые добились возникновения сверхпроводимости при температурах, существенно превышающих точку кипения азота (-196 по Цельсию), что, с учетом широкого производства жидкого азота, делает вещества с отсутствующим сопротивлением относительно удобными в применении.
Благодаря этим экспериментам сверхпроводники получили широкое распространение и применяются сегодня, в частности, для формирования изображения в приборах медицинской диагностики, таких как магнитные сканеры и магнитные резонаторы.
Они также широко используются в ускорителях частиц в физических исследованиях.
И тут графен?
Профессор хельсинкского Университета Аалто и Института теоретической физики имени Ландау РАН Григорий Воловик в рамках московской Международной конференции по квантовым технологиям рассказал о возможном получении сверхпроводимости при высоких температурах с помощью графена - плоской модификации углерода с уникальными свойствами.
Графену, как и сверхпроводникам, прочат блестящее будущее - им интересуются производители как лампочек, так и бронежилетов, не говоря уже о его перспективах в микроэлектронике.
Его потенциал физики-теоретики описывали в течение всего XX века, однако до практических исследований дело дошло лишь в XXI веке: именно за описание свойств графена, выделенного из графита, выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили в 2010 году Нобелевскую премию.
По словам Воловика, знания о свойствах электромагнитных полей могут дать возможность построить сверхпроводник на основе плоских энергетических зон, которые можно наблюдать в "идеальном" графене.
И всё же - как быть с комнатной температурой?
Плоская зона, характерная для идеального графена, должна отличаться нулевой энергией во всей своей плоскости.
Однако реальная структура двумерной аллотропной модификации углерода часто напоминает по структуре "расплющенную колбасу", говорит профессор Воловик.
Тем не менее, специалисты не унывают: в данный момент теоретики прорабатывают несколько вариантов появления необходимой для создания сверхпроводимости в комнатных условиях плоской энергозоны, среди которых - сверхохлажденные газы.
В прошлом году американские физики из Стэнфордского университета поняли, как можно воплощать сверхпроводимость графена на практике при помощи наложенных "бутербродом" друг на друга слоев одноатомного углерода - собственно, графена - и кальция.
Поскольку чуть более года назад британские ученые создали графен с помощью кухонного блендера, речь может идти о заметном удешевении производства необходимых материалов.
Задачей, как говорят все упомянутые специалисты, сейчас является изыскание путей производства бездефектного графена в больших объемах.
Твёрдое, жидкое, газ, плазма... что еще?
Одним из состояний вещества, для которого наблюдаются сверхпроводимость и прочие квантовые эффекты, является конденсат Бозе-Эйнштейна, названный так по теоретическим работам индийского физика Сатьендры Бозе и Альберта Эйнштейна.
Он является особой формой материи - это агрегатное состояние фотонов и прочих элементарных частиц, относящихся к бозонам, при температурах, близких к нулю кельвинов.
В 1995 году - спустя 70 лет после выхода теоретических обоснований Бозе и Эйнштейна - ученым удалось впервые наблюдать конденсат.
Лишь в 2010 году физикам удалось получить такой конденсат для фотонов.
В частности, выступавшая на конференции преподаватель Сколковского института науки и технологий Наталья Берлофф описывала поведение поляритонов - квазичастиц, которые возникают при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды.
По словам Берлофф, она пыталась представить применение квантовой теории премьер-министру Дмитрию Медведеву и вице-премьеру Аркадию Дворковичу прошлым летом как национальную инициативу.
Некоторые из студентов Сколковского института науки и технологий уже активно принимают участие в международных исследованиях - в частности, ученики Берлофф входят в команду физиков, описывающих поведение упомянутых поляритонов.
Источник: http://www.bbc.com/russian/science/2015/07/150716_moscow_superconductivity_quantum