БЛИЗО ДО НУЛАТА

[BG-Science]

БЛИЗО ДО НУЛАТА

Допреди няколко десетилетия физиката се развиваше при «с тайна температура» и никой не предполагаше, че студът крие изненади. Първият изненадан беше Хайке Камерлинг-Онес, който през 1911 г. откри, че при температура 4,15 К. електрическото съпротивление на живака става равно на нула. Две десетилетия по-късно Валтер Майснер изнамери, че свръхпроводниците изтласкват от себе си магнитното поле. Пак по същото време Пьотър Капица забеляза, че при ниски температури вискозитетът на течностите става много нисък (свръхфлуидност). Четвърт век по-късно се появи и теорията, обясняваща тези странни явления. И изведнъж се разтвори нова глава в природознанието, очарователна и привлекателна, наречена физика па ниските температури.

Разбира се, тази физика изисква преди всичко ниски температури. Класическите открития станаха възможни благодарение на т. нар. магнитно охлаждане, а по-късно — на ядреното охлаждане. Преодоляването на всяка стотна или хилядна от градуса е съпроводено с огромни технически усилия, но въпреки това учените се приближават плътно до недостижимата пула. Засега рекордът принадлежи на група от Токийския университет, която охлади метал до 50 мкК, тоест само 0,00005 градуса над абсолютната нула!

Свръхпроводимостта и свръхфлуидността се оказаха свързани. Теоретичното им обяснение разкри един невиждан свят, който с охота обясни доста тайни от макро и микроструктурата на веществата. Експериментаторите пък са привлечени от огромното разнообразие от ефекти, които не се наблюдават далеч от абсолютната нула — галваномагнитни явления, ефект на Де Хаас — Ван Алфен, циклотронен резонанс, втори звук, аномална топлопроводност, термомеханичен и механокалоричен ефект и още много други, но нека спрем дотук.

Засега свръхниските температури са чисто лабораторен арсенал, но през XXI век ще станат част от техническите оръжия. Голямата надежда естествено е свръхпроводимостта. И съвсем основателно — представете си само какви огромни енергии се пропиляват за безсмислено топлене на проводниците! Съвсем друго ще бъде, ако омическото им съпротивление падне до нула. Но как? Та нали енергийните разходи за получаване на свръхниски температури са много по-големи от разходите в самите проводници; оправдана ли е тогава атаката към абсолютната нула?

Засега, разбира се, не. От природните елементи най-лесно свръхпроводимо става оловото — при 7,2 К. Изводът е близко до ума: трябва изкуствено да създаваме сплави свръхпроводници при високи температури. Щурмът е вече започнал. Изпробват се различни комбинации главно между ниобий, азот, селен, алуминий, галий, германий. Температурата на свръхпроводимостта бавно, но упорито се покачва. Засега рекордьор е ниобиево-германиевата сплав, който става свръхпроводник при 23 К- Неспециалистът едва ли ще сметне този успех за сериозен (все пак това са минус 250° С!), но физиците са обнадеждени и вярват в по-нататъшните си успехи.

Едно модерно направление в съвременната физико-химия са органичните свръхпроводници. Първият от тях бе синтезиран през 1960 г. и носи дългото название 7,7,8,8-тетрациан-р-хино-диметан, съкратено TCNQ. Засега са разработени няколко такива материала и всички проявяват доста необикновени качества —скокообразно Стават ту свръхпроводници, ту идеални изолатори, в зависимост от налягането и магнитното поле. Тъй като и теорията им е доста неясна, със сигурност може да се каже, че ще бъдат един от шлагерите на XXI век.

Не си представяйте, че свръхпроводниците ще навлязат в бита — природата едва ли ще е толкова великодушна към нас. Но за сметка на това ще станат незаменими в научната апаратура. Такива проекти вече има — свръхпроводниците ще се използуват главно за създаване на мощни магнитни полета. В Япония се разработва ускорител на електрони и позитрони ТРИСТАН със свръхпроводящи магнити. В ход е строителството на друг суперускорител за енергия до 20 ТеВ със свръхпроводящи магнити от ниобиево-титаниева и ниобиево-селенова сплав. Проектът ще бъде завършен към края на нашия век.

Голямата енергийна надежда на човечеството се нарича уп- равляем термоядрен синтез. За удържането на работната плазма са необходими мощни магнитни полета и точно тук е другото приложение на свръхпроводящите магнити.

Електрониците отдавна се борят с един от най-големите си врагове — шума, създаван от топлинното движение на молекулите. Затова днес почти всички свръхчувствителни радиоустройства работят при ниски тимператури. Тези търсения доведоха до възникването на криоелектрониката — електронни апарати,, работещи при ниски температури. Доказателство за фантастичните й възможности е т. нар. СКВИД — свръхпроводящ квантов интерферентен детектор, — с който може да бъде ре гистрирана енергията на един отделен квант! Ако на базата на един СКВИД се направи волтмер, той може да измерва напрежение 10-18 волта!

Свръхниските температури навлязоха и в микроелектрониката. Разработени са интегрални микросхеми за свръхниски температури, които имат 100 пъти по-висока точност и по-голямо бързодействие. Ето само един пример — преминаването на информация от една клетка на паметта до друга става за една пикосекунда (10-11с), а памет с обем 4000 бита разсейва мощност само 6 миливата! Вече се разработва прототип на свръхпроводяща цифрова машина; очаква се тя да има около 50 пъти по голямо бързодействие от съществуващите сега модели.

Трудно е да се обхванат бъдещите приложения на криотех-никата. Ниските температури например се използуват за полу-чаване на висок вакуум. Или: свръхпроводящите магнити са единствената надежда за бъдещите суперекспреси на магнитна възглавница. Или: СКВИД могат да регистрират от разстояние и най-незначителните изменения на електромагнитното поле на мозъка. Или: с течен въздух или азот могат да се лекуват ту-мори, кожни и урологични болести, да се консервират живи тъкани за неограничено време. Или: ниските температури са големият шанс на магнитохидродинамичните генератори.

А какви ли още чудеса ще ни разкрие XXI век за света на свръхниските температури?