Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Ключом к сверхпроводимости является образование пар притягивающихся электронов. Пары связываются за счет взаимного притяжения электронов: приблизительно так же Земля и Луна связаны гравитационным притяжением или два участника танца кружатся, держась за руки. Разница в том, что в этих случаях члены пары остаются на фиксированном пространственном расстоянии друг от друга, а пары в сверхпроводнике связаны относительным направлением движения[117]. Условия для появления теории БКШ появились, когда Леон Купер рассчитал, что любое притягивающее взаимодействие между многочисленными электронами должно приводить к связыванию всех их в пары. Они называются куперовскими парами: абсолютная проводимость возникает при охлаждении металла, как только появляются первые пары.

Куперовские пары

Именно куперовские пары позволяют электронам – фермионам – образовывать сверхтекучие среды, как если бы они были бозонами. В главе VII мы видели, что два одинаковых бозона выглядят неизменившимися, если их поменять местами, а два одинаковых фермиона после такой перестановки выглядят по-другому. На самом деле, описывающая их волновая функция приобретает отрицательный знак. Но минус на минус дает плюс – поэтому пары одинаковых фермионов могут быть похожи на бозоны. Это придает куперовским парам бозонные свойства; важно, что все они могут занимать одно и то же состояние с наименьшей энергией. Волшебники в башне научились танцевать танец фей: каждый из них находит себе партнера, что позволяет им набиться в номер на нижнем этаже, и таким образом они уменьшают свою энергию.

Куперовские пары помогли мне понять, что такое квазичастица, – потому что они не являются квазичастицами. По определению квазичастиц, которое мы дали в главе I:

Эмерджентная квазичастица может существовать сама по себе выше основного состояния материала и не может быть сведена к другим объектам, обладающим тем же свойством.

Так вот, куперовские пары нельзя разбить на более мелкие составляющие: хотя это пары, они возникают только благодаря взаимодействию многих частиц – также как для образования пар в ведьмином круге все находящиеся в нем многочисленные участники танца должны танцевать. Такова магия этой теории. Но они не являются квазичастицами, потому что квазичастицы представляют собой возбуждение над основным состоянием, а куперовские пары находятся в состоянии с наименьшей энергией. Их можно считать сверхпроводящим аналогом спокойного моря Ферми, а не возбуждений над ним.

Что же такое квазичастицы в сверхпроводниках? При приложении достаточной энергии куперовские пары могут распадаться. Но при этом получаются не два отдельных электрона, а нечто гораздо более странное – пара «квазичастиц Боголюбова», названных так по имени Николая Боголюбова; иногда их называют боголюбонами. Боголюбон – это квантовая суперпозиция электрона и дырки, то есть электрона и его отсутствия. Это придает ему некоторые необычные свойства. Например, электрон и дырка имеют электрический заряд противоположных знаков; у боголюбона, представляющего собой суперпозицию одного и другого, нет точно определенного заряда. Как установили экспериментаторы, его заряд бывает любым в диапазоне от отрицательного заряда электрона до положительного заряда дырки[118].

Сверхтоки, переносимые куперовскими парами, позволяют передавать энергию без потерь на произвольные расстояния. Но есть одна проблема. Теория БКШ предсказывает максимальную температуру, при которой могут существовать сверхпроводники. Она составляет около 40 К, что слишком холодно для практических приложений: самая низкая температура, зарегистрированная на поверхности Земли, была равна 183 К, и дело было в Антарктике. Хотя мы уже сейчас можем создавать не теряющие энергии сверхпроводящие линии электропередачи, в настоящее время на их охлаждение будет тратиться больше энергии, чем они позволят сэкономить.

Верная дорога в дюнах, которая, казалось, ведет в будущее без потерь, завела в зыбучие пески. Чтобы понять, что делать дальше, нам нужно вернуться к разнообразным определениям материи, с которыми мы встречались в нашем путешествии.

Друг в разных обличьях

Материя много раз появлялась на страницах этой книги, каждый раз в новом обличье. Сверхпроводники носят все ее многочисленные наряды одновременно.