Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

объясню эту аналогию поподробнее. Если поместить два сверхпроводника на близком расстоянии друг от друга, куперовские пары будут время от времени перемещаться из одного в другой. Бардин не верил, что это возможно, потому что зазор между сверхпроводниками не обладает сверхпроводимостью; если куперовские пары возникают из коллективного поведения частиц в сверхпроводнике, как же они могут существовать вне его? Но куперовские пары не пересекают этот разрыв в танце: они преодолевают его благодаря квантовому туннельному эффекту. Между двумя сверхпроводниками спонтанно возникает сверхток, интенсивность которого зависит от сдвига фаз между сверхпроводниками. Классических аналогов этого процесса не существует. Однако если вы позволите мне использовать не вполне точную аналогию, я могу дать вам некоторое представление о том, как сдвиг фаз может приводить к появлению тока.

Представьте себе, что время от времени какая-нибудь пара танцующих оказывается за пределами своего круга, но каждый раз, когда они слышат в коллективном танце топанье, они возвращаются в круг. Оказавшись вблизи второго круга, танцующие могут услышать первым топанье, доносящееся из него; в таком случае они попадают внутрь этого круга. В сверхпроводниках все происходит совершенно не так, но эта картина отражает вероятностный характер процесса. Теперь предположим, что в одном круге случайным образом решили согласовать часы в момент, когда секундная стрелка указывала на 12 часов, а во втором, так же случайно, на одну секунду позже. Представим себе также, что одинаковые танцы обоих кругов предполагают топанье каждые десять секунд. Тогда для пары, находящейся между кругами, вероятность оказаться в круге, в котором топают на секунду раньше, будет в девять раз больше, чем вероятность оказаться в другом круге, из какого бы круга исходно ни происходила эта пара. Вот почему это так: в каждом десятисекундном промежутке есть девять секунд, в течение которых топанье раздается из первого круга, и только одна секунда, когда оно раздается из второго.

Джозефсоновский контакт напоминает мне «заколдованный холм» – место, в котором остановившаяся машина, если отпустить ручной тормоз, начинает катиться по плоской дороге или даже вверх по склону. Это случается из-за оптической иллюзии, искажающей черты ландшафта: на самом деле машина катится вниз, но нам кажется, что она едет по горизонтали или вверх. В эффекте же Джозефсона никакой иллюзии нет. Если поместить два сверхпроводника на близком расстоянии друг от друга, из одного в другой без приложения какого бы то ни было напряжения потечет ток. По аналогии можно представить себе две одинаковые автомобильные парковки на разных концах заколдованной дороги: машины самопроизвольно катятся от одной парковки к другой без какого бы то ни было перепада высот. Если же припарковать машины на вершине заколдованного холма и у его подножия, они будут кататься туда и обратно между этим парковками, даже самопроизвольно поднимаясь вверх по склону.

Все это кажется совершенно неправдоподобным: самопроизвольные электрические токи наверняка должны относиться к области запретной магии. Да и способность сверхтоков течь вечно и безо всяких потерь должна быть невозможной. Тем не менее и то и другое существует на самом деле. Представление о том, как законы физики продолжают существовать, несмотря на столь экзотические состояния, позволяет нам еще глубже оценить сами эти законы.

Непоколебимые законы

Первое начало термодинамики говорит, что энергия не создается и не уничтожается. Электрон, движущийся по кругу, излучает свет; в квантовом описании он испускает фотоны, но, как бы то ни было, он теряет энергию. Тем не менее сверхток, поток электрически заряженных куперовских пар, может течь по кольцу вечно. Разве куперовские пары не должны терять энергию? Если должны, то они не могут двигаться вечно, потому что рано или поздно им не хватит пару (если вы извините мне этот термодинамический каламбур). На самом деле, даже когда сверхток течет по кольцу, куперовские пары остаются в состоянии с наименьшей возможной энергией. Они не могут терять энергию, будь то с испусканием фотонов или как-нибудь иначе. Как это возможно? Почему сверхпроводники не излучают света?

Это происходит по той же причине, по которой движущийся по орбите электрон не падает в ядро, но на большем масштабе. На самом деле электрон не движется по орбите: если бы он по ней двигался, он излучал бы энергию и действительно падал. Точнее сказать, что электрон находится в состоянии с определенной энергией в квантовой суперпозиции пространственных положений. В лучшем случае можно утверждать, что существует некоторая вероятность найти его в любом определенном месте. Загадочное обстоятельство, которое мы видели в главе V, заключается в том, что, если мы станем искать этот электрон, мы найдем его в одном конкретном месте. То же относится и к сверхтоку, текущему по кольцу: куперовские пары не могут двигаться по кругу, так как тогда они излучали бы энергию, а это противоречит тому обстоятельству, что они и так находятся в состоянии с наименьшей энергией. Течет не сама пара, а вероятность найти конкретную пару.

Второе начало термодинамики утверждает, что со временем энергия преобразуется из полезной работы в бесполезное тепло. Электрический ток, несомненно, полезен, и для перемещения тока по линии электропередачи требуется работа. При этом энергия теряется, преобразуясь в тепло, звук и вибрацию. Сверхток не менее полезен, но способен перемещаться без потерь. Не нарушает ли это второго начала? Нет, не нарушает: разгадка в том, что течение сверхтока не требует приложения работы. Работа требуется для преодоления сопротивления, а сверхтоки текут без сопротивления; следовательно, работа, которая преобразуется в тепло, отсутствует.

Понять оба эти положения мне лично помогают попытки вообразить, как выглядело бы настоящее нарушение законов термодинамики. Представим себе, что некое взаимодействие заставляет куперовские пары в сверхтоке собираться в группы. Ток по-прежнему течет по кольцу, но теперь его переносит крупный сгусток заряда. В этом случае такой сгусток действительно терял бы энергию через излучение в соответствии с первым началом. Поскольку излучение – это форма тепла, этот процесс приводил бы в действие и второе начало. Это говорит нам о том, что скопление заряда не может быть состоянием с наименьшей энергией: в сверхтоке заряд должен быть распределен равномерно.

Таким образом, законы термодинамики благополучно сохраняются и при наличии сверхтоков. Никакие фундаментальные законы физики не запрещают их существования и при высоких температурах; однако пока что сверхтоки существуют только в мире предельного холода. Это возвращает нас к побудительному вопросу этой главы: как можно практически использовать сверхтоки в нашей срединной области?

Философский камень

Танцующие в ведьмином круге испытывают притяжение друг к другу из-за вибрации, которую они создают; это притяжение связывает их в пары. В теории сверхпроводимости БКШ электроны испытывают притяжение друг к другу, порождаемое вибрациями кристаллической