Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

больше среднего расстояния между двумя любыми отдельными электронами в материале! Мы считаем куперовскую пару запутанным состоянием, описываемым одной волновой функцией. Ее поведение в качестве единого бозона объясняется нелокальной связью электронов. Два электрона куперовской пары находятся в постоянном взаимодействии, как подростки, которые стоят в разных концах школьной площадки и болтают друг с другом по мобильным телефонам, что не является квантовым эффектом, но точно весьма странно!

Наконец, электрического сопротивления нет, поскольку для его наличия одному из двух электронов нужно столкнуться с атомом и отскочить от него с достаточной силой, чтобы разбить пару. Следовательно, такое рассеяние должно быть весьма сильным. При очень низких температурах связь куперовских пар достаточно сильна, чтобы выдержать слабое атомное рассеяние, поэтому электроны пары просто не сталкиваются с атомами и электрического сопротивления не возникает.

Одним из многих применений сверхпроводимости, как в случае с циклотроном Университета штата Мичиган, является создание мощных магнитов. (Моя история, таким образом, представляет собой пример того, как квантовую странность применили для разработки аппарата для изучения еще большей квантовой странности, обнаруживаемой в экзотических атомных ядрах!) Обычный электромагнит предполагает прохождение тока по катушке, которая генерирует магнитное поле. Чем больше у катушки витков, тем мощнее поле. Однако тем сильнее и сопротивление, которое ослабляет ток, из-за чего для компенсации требуется более высокий вольтаж. Эта проблема исчезает при использовании катушки из сверхпроводимого материала. На практике большие классические электромагниты имеют железный сердечник, заключенный в электрическую катушку, поскольку без него количество необходимого тока делает такой магнит безнадежно дорогим. Однако с железным сердечником мощность магнитного поля достигает максимума, и единственным способом получить большую мощность остается создание большего магнита (с большим количеством железа). Чтобы такой магнит справлялся с задачей сверхпроводящего магнита Университета штата Мичиган, он должен быть размером со средний многоквартирный дом!

Сегодня сверхпроводящим магнитам нашлось множество применений. К примеру, они используются в качестве магнитных разделителей в добывающей промышленности и в качестве магнитных навигационных систем в медицине, где они позволяют хирургам проводить катетеры сквозь тело, вводить препараты и осуществлять биопсию.

Подобно тому как фотоны в лазере действуют в гармонии друг с другом, чтобы усилить квантовый эффект до макроскопических уровней, куперовские пары в сверхпроводниках тоже могут работать вместе как группа бозонов. Это немного напоминает большие косяки рыб, которые движутся, как единая сущность, – их часто показывают по телевидению в программах о живой природе. Такое поведение среди прочего нашло применение в устройстве под названием СКВИД (акроним от англ. Superconducting Quantum Interference Device – сверхпроводящий квантовый интерферометр). В СКВИДах используются компоненты, называемые джозефсоновскими контактами, которые немного напоминают туннельные диоды. Но вместо двух полупроводниковых полосок джозефсоновский контакт состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим слоем. Куперовские пары могут с легкостью проходить сквозь этот слой, благодаря чему СКВИД становится невероятно чувствительным к мельчайшим изменениям магнитных полей. Это устройство используется в том числе в медицине, где при помощи него изучается активность мозга, для чего ведется наблюдение за магнитными полями, создаваемыми мельчайшими электротоками, соответствующими отдельным нейронам.

Наконец, одной из самых оживленных областей физических исследований в последние пятнадцать лет была сфера высокотемпературной сверхпроводимости. Иметь сверхпроводящий материал очень выгодно, однако его температуру нужно поддерживать на таком низком уровне, зачастую с использованием жидкого гелия[71], что для практического применения он часто становится неудобен. В 1986 году был обнаружен определенный тип керамики, который обладает сверхпроводящими свойствами при температурах до 100 К. (Это все еще на 173° градуса ниже температуры замерзания воды!) Текущие исследования в этой области затрагивают три проблемы: существуют ли материалы, характеризующиеся сверхпроводимостью при комнатной температуре, являются ли эти материалы ковкими металлами, так как керамика слишком хрупкая, чтобы ее можно было растянуть в проводящие электричество провода, и, наконец, что именно заставляет эти материалы вести себя таким образом при таких (относительно) высоких температурах.

Если нам когда-либо удастся сделать электрические провода их сверхпроводящего при комнатной температуре материала, цена электричества резко упадет. В настоящее время электричество характеризуется достаточно низкой энергоэффективностью, что отчасти объясняется энергетическими потерями в форме тепла, отдаваемого при сопротивлении кабелями передачи, которые опутывают землю. Используя сверхпроводящие кабели, мы могли бы с гораздо большей эффективностью передавать в пять раз большее напряжение, а следовательно, могли бы позволить существенно сократить потребление ископаемых источников топлива.

Энергия из ядер

Раз уж я затронул тему энергоресурсов, теперь самое время описать еще одно применение квантовой механики. Ядерная энергетика в настоящее время производит одну шестую мирового электричества (а во Франции этот показатель составляет почти две трети). В основе ядерной энергетики лежит идея о реакции распада, в ходе которой тяжелые ядра поглощают нейтроны, в результате чего распадаются надвое и высвобождают энергию. В процессе они производят новые нейтроны, которые поглощаются соседними ядрами, после чего те тоже распадаются, поддерживая цепную реакцию. Получаемое в результате этих реакций тепло используется для превращения воды в пар, который толкает турбины, вырабатывающие электричество.

Более чистым способом извлечения энергии, заключенной в ядре атома, является обратный процесс. В реакции синтеза два легких ядра сталкиваются и образуют более крупное и более стабильное ядро. Это достигается посредством высвобождения огромного количества энергии, которую можно использовать. Эта энергия «термоядерного синтеза» служит источником тепла и света от Солнца и представляет собой причину сияния звезд.

Начинающаяся с двух ядер водорода (отдельных протонов) последовательность шагов приводит к формированию ядра гелия (два протона и два нейтрона – альфа-частица). Проблема заключается в том, что два протона отталкиваются, если их не столкнуть – то есть если не обеспечить квантовое туннелирование сквозь энергетический барьер между ними. Для этого нам необходимо создать крайне экстремальные условия высокой температуры и плотности – внутри Солнца проблем с этим не возникает, но в лаборатории на Земле поддерживать их очень сложно.

Интересно отметить, что первый шаг в процессе синтеза внутри Солнца предполагает совместное участие всех четырех сил природы. Гравитационная сила притяжения между всей материей обеспечивает достаточно плотное расположение водорода для увеличения шансов на синтез двух протонов, в то время как притягивающее сильное взаимодействие побеждает отталкивающую электромагнитную силу и сводит их еще ближе. Но так как два протона не могут навсегда связаться друг с другом, а протон и нейтрон – могут, одному из протонов приходится подвергнуться бета-распаду и превратиться в нейтрон, для чего в дело и вступает слабое взаимодействие. Как только это произошло, мы получаем связанные протон и нейтрон.

Ядро, состоящее только из протона и нейтрона, называется дейтроном и представляет собой ядро тяжелого изотопа водорода – дейтерия. Дейтрон сыграл важную роль в развитии ядерной физики.