Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику
Российский физик Максим Чернодуб, работающий в Университете им. Франсуа Рабле (Франция), установил, что действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику.
Зарегистрированное детектором CMS Большого адронного коллайдера столкновение ионов свинца, которое могло бы дать какую-то информацию о «сверхпроводящем» вакууме. (Иллюстрация ЦЕРН.)
Объяснение свойствам традиционных сверхпроводников даёт, напомним, теория Бардина — Купера — Шриффера. Обычно механизм сверхпроводимости рассматривают на примере простой кубической кристаллической решётки, составленной из положительно заряженных ионов. При прохождении электрона ионы, находящиеся ближе всего к нему, приобретают импульс в направлении, перпендикулярном его траектории, и смещаются. За движущимся электроном, таким образом, следует область избыточного положительного заряда, который притягивает другой электрон. Всё это заканчивается образованием связанного состояния двух электронов, куперовской пары.
Спин электрона, как известно, равен 1/2, но куперовскую пару можно считать композитным бозоном — частицей с целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, допускающей нахождение в одном квантовом состоянии нескольких частиц; следовательно, куперовским парам доступен процесс (бозе-эйнштейновской) «конденсации» в одно основное квантовое состояние. При этом разрыв одной пары, который обязательно сопровождается изменением энергий всего остального множества пар, требует значительной энергии, равной 2Δ, где Δ — так называемая сверхпроводящая щель. Ширина Δ зависит от температуры и в тот момент, когда последняя поднимается до критического значения, сравнивается с нулём, но при более низких температурах «коллективные» действия куперовских пар ведут к сверхпроводимости.
Экспериментально доказано, что сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Известен, однако, и пример более сложного взаимодействия: у соединения урана URhGe в поле с индукцией в 2 Тл сверхпроводимость уходит, а с повышением индукции до 8 Тл — возвращается. Эффект, до некоторой степени аналогичный этому, и попытался описать г-н Чернодуб.
Упоминаемый учёным вакуум нужно понимать не как среду, содержащую газ при низком давлении, а как физический вакуум, в котором постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Рождённые кварк и антикварк могут объединяться с образованием заряженного ро-мезона, среднее время жизни которого составляет 4,5•10–24 с. Если рассматривать ро-мезон как свободную частицу, на фоне однородного магнитного поля с индукцией B энергия её основного состояния выражается формулой E2(B) = m2 – e•B. Здесь m — масса ро-мезона (775,5 МэВ), а e — элементарный электрический заряд. При Bс = m2/e ~ 1016 Тл энергия, таким образом, сводится к нулю.
С дальнейшим повышением индукции энергия основного состояния становится чисто мнимой, и именно здесь, по расчётам автора, создаются условия для «конденсации» заряженных ро-мезонов. Результат этого аналогичен переходу в сверхпроводящее состояние, причём эффект будет сохраняться только в одном направлении — вдоль магнитного поля.
Такие вычисления не имели бы смысла, если бы время жизни ро-мезонов оставалось на прежнем уровне. Г-н Чернодуб, однако, показал, что сильное магнитное поле с индукцией около 0,36•1016 Тл «закрывает» основной канал распада ро-мезонов на заряженные пионы. Следовательно, сверхпроводящий конденсат должен быть относительно стабильным.
Всё вышесказанное относится к холодному вакууму, то есть к условию нулевой температуры. Из общих соображений можно заключить, что рост температуры должен, как и у традиционных материалов, разрушать сверхпроводящее состояние.
Область сверхпроводимости на этом графике, связывающем температуру и индукцию поля, находится справа от кривой. При росте температуры значение индукции, на котором совершается переход, также увеличивается. (Иллюстрация автора работы.)
Поле в 8 Тл, которое устанавливается в экспериментах с URhGe, считается очень сильным. Несложно понять, что 1016 Тл — это поистине гигантская величина, получить которую в лаборатории просто невозможно. Тем не менее г-н Чернодуб надеется экспериментально подтвердить свою теорию, воспользовавшись данными с Большого адронного коллайдера или Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов. По мнению физика, движущиеся ионы в таких установках могут на чрезвычайно короткое — йоктосекундное, 10–24 с — время создавать поле с нужными параметрами.
