В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в 1911 году, когда обнаружил, что ртуть полностью теряет электрическое сопротивление при охлаждении ниже 4,2 градуса в единицах абсолютной температурной шкалы (4,2 градуса Кельвина примерно равны -269 градусам Цельсия). В 1913 году за свой труд по физике низких температур Оннес получил Нобелевскую премию, однако она была вручена за другое достижение – получение жидкого гелия, а сверхпроводимость не могла найти полноценного объяснения до 1957 года, когда Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер выдвинули теорию, которая в 1972 году принесла им Нобелевскую премию[41]. Это объяснение зависит от того, как спаренные электроны взаимодействуют с атомами в кристаллической решетке. Один электрон взаимодействует с кристаллом, в результате чего изменяется взаимодействие кристалла с другим электроном пары. Таким образом, несмотря на естественную склонность отталкивать друг друга, пара электронов образует слабую связь, достаточную для того, чтобы перейти от статистики Ферми – Дирака к статистике Бозе – Эйнштейна. Не все вещества могут быть сверхпроводниками, и даже у тех, которые имеют это свойство, мельчайшее колебание атомов в кристаллической решетке разрушает электронные пары, в связи с чем сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах – в диапазоне от 1 до 10 градусов Кельвина. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками ниже определенной критической температуры, которая различна для разных веществ, но всегда одинакова для одного и того же вещества. Выше этой температуры электронные пары разрушаются и вещество обладает нормальными электрическими свойствами.

Эта теория подтверждается тем фактом, что материалы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, не становятся лучшими сверхпроводниками. Обычный «нормальный» проводник позволяет электронам двигаться свободно именно потому, что они не сильно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, а без взаимодействия электронов с атомами невозможно образование электронных пар, необходимое для появления низкотемпературной сверхпроводимости.

Очень жаль, что сверхпроводники должны быть настолько холодны для появления этого феномена, ведь легко представить потенциальные удобства в использовании сверхпроводников. Самый очевидный пример – это передача электричества по проводам без потери энергии. У сверхпроводников есть и другие любопытные свойства. В нормально проводящий металл может проникать магнитное поле, однако сверхпроводник образует на своей поверхности электрические токи, которые отталкивают и вытесняют магнитное поле. Таким образом получается идеальный экран от нежелательного воздействия магнитных полей, однако он непрактичен ввиду необходимости в охлаждении до нескольких градусов Кельвина.

Рис. 7.2. На джозефсоновском контакте (когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика) наблюдаются странные явления. При некоторых условиях электроны способны туннелировать через барьер.

Когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика, можно ожидать отсутствия протекания тока, однако стоит вспомнить, что электрон подчиняется тем же квантовым правилам, которые позволяют частицам туннелировать из ядра. Если барьер достаточно тонок, то велика вероятность, что электронные пары смогут преодолеть его, однако это не согласуется со здравым смыслом. Через подобные контакты (называемые джозефсоновскими контактами) не протекает ток, если на контакте существует потенциальный барьер, но ток идет

, если разница потенциалов равна нулю. Двойной джозефсоновский контакт, образованный двумя сверхпроводниками, изогнутыми в форме камертонов и соединенными парными концами, между которыми помещен диэлектрик, может демонстрировать квантово-механическое поведение электрона по подобию эксперимента с двумя прорезями. Мы углубимся в эту тему в следующей главе и убедимся, что это краеугольный камень самых странных свойств квантового мира.

Рис. 7.3. Два джозефсоновских контакта могут быть объединены в систему, аналогичную используемой в эксперименте со светом, проходящим через две прорези. В такой системе может наблюдаться интерференция между электронами – одно из многих указаний на волновую природу этих «частиц».