Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизньНаука

Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Александр Загоскин, университет Лафборо (Великобритания)

Система охлаждения квантового процессора D-Wave 2000Q (держатель с процессором в самом низу), обеспечивающая рабочую температуру 0,015 К.

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад — когда научились получать достаточно низкие температуры. Оказалось, что ртуть при температуре 4,15 К внезапно перестаёт оказывать сопротивление электрическому току. После этого открытия прошло почти полвека, пока американцы Джон Бардин, Леон Купер, Джон Шриффер и советский физик Николай Боголюбов независимо не построили теорию этого явления (известную как теория БКШ). Оказалось, что сверхпроводимость — квантовое явление, вызванное тем, что электроны в металле слегка притягиваются друг к другу, хотя, казалось бы, одноимённые заряды должны отталкиваться. Это можно очень приблизительно представить себе так: металл — кристаллическая решётка из положительно заряженных ионов, в которой свободно перемещаются электроны проводимости. Летящий электрон притягивает к себе ионы. Но ионы массивные; электрон улетел — а ионы всё ещё продолжают двигаться туда, где его уже нет. Получается небольшой локальный избыток положительного заряда, и к этому заряду притягивается какой-нибудь другой электрон. Выходит, что он как бы притянулся к первому электрону.

Если это слабое электронное притяжение всё-таки окажется достаточно сильным, то при понижении температуры электронная система в какой-то момент потеряет устойчивость и скачком перейдёт в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводящем состоянии часть электронов образует куперовские пары — то есть двойки электронов, ведущие себя согласованно, как одна частица. Происходит такой переход при достаточно низкой температуре. Например, в ниобии при 9,2 К, а в алюминии — при 1,19 К (эти два металла чаще всего используют для изготовления кубитов).

Только не подумайте, что два электрона в паре держатся рядом друг с другом — они как раз находятся друг от друга достаточно далеко, и их скорости направлены противоположно друг другу. Представили? Нет? Неудивительно — без математики это и не получится. Недаром на то, чтобы в этом разобраться, у физиков ушло почти полвека. Но главное тут в том, что пары электронов могут сделать то, что у одиночных электронов не получается. Это связано с некоторыми тонкостями квантовой механики. Как выяснилось сто лет назад, есть два типа квантовых частиц: фермионы — частицы с полуцелым спином (±1/2, ±3/2…) и бозоны, у которых спин целый (0, ±1, ±2…). Основное различие между ними в том, что в одном и том же квантовом состоянии может находиться сколько угодно бозонов, а вот даже два фермиона загнать в одно и то же состояние не получится. Электроны — это как раз фермионы со спином ½. В частности, из-за этого обычный электрический ток испытывает сопротивление, протискиваясь сквозь металл. (Если очень упрощённо, то два электрона не могут одновременно проскочить в один и тот же просвет между ионами.) Но в сверхпроводящем состоянии электроны объединяются в пары — а два связанных фермиона уже ведут себя как один бозон! И вот эти бозоны — куперовские пары, у которых в обычных сверхпроводниках спин равен нулю (½ − ½ = 0), — могут занимать одно и то же квантовое состояние, причём, чем ниже температура, тем больше их там оказывается. Это состояние называется квантовым конденсатом, и оно описывается одним, зависящим от координаты, комплексным числом — вышеупомянутым параметром порядка.

Поскольку все эти пары находятся в одном состоянии, то ведут они себя очень слаженно и поэтому могут двигаться сквозь кристаллическую решётку, не встречая сопротивления. Отсюда и сверхпроводимость: если для обычного электрического тока нужно напряжение, чтобы проталкивать электроны сквозь решётку, то сверхпроводящий ток (сверхток), однажды возникнув, дальше течёт без всякого напряжения.

Коммерческий адиабатический квантовый компьютер D-Wave 2000Q в лаборатории. Он содержит 2000 кубитов и имеет статус неуниверсального аналогового компьютера. Почти весь его объём занимает «холодильник». В настоящее время анонсирована модель с 5000 кубитами.

Кто-то очень удачно сравнил обычный ток с толпой штатских, а сверхток — с обученной пехотой. Толпа медленно пробирается сквозь узкие ворота, устраивая давку, а то и членовредительство; пехота по команде на бегу перестраивается в колонну по два и проскакивает их, не сбавляя темпа.

Кстати, об узких воротах. Большинство практических применений сверхпроводников использует как раз прохождение сверхтока сквозь такие «ворота» — так называемый эффект Джозефсона. Роль ворот играет джозефсоновский контакт. Это, как правило, туннельный барьер между двумя сверхпроводниками: слой диэлектрика, настолько тонкий, что электроны могут туннелировать — просачиваться — сквозь него. Это возможно, потому что электрон — квантовая частица. Поскольку вероятность такого просачивания мала, по отношению к обычному току туннельный барьер представляет собой резистор с большим сопротивлением, величина которого обратно пропорциональна прозрачности барьера.

Для сверхпроводящего тока положение, казалось бы, ещё хуже, потому что просачиваться должны два электрона за раз — так что, если для одного электрона вероятность просочиться равна, скажем, одной тысячной, то для двух сразу — уже одной миллионной. Поэтому все, даже Джон Бардин, один из авторов теории БКШ, очень удивились, когда молодой аспирант Брайан Джозефсон в 1962 году решил для этого случая уравнения, незадолго до того выведенные советским физиком Львом Горьковым, и теоретически предсказал, что из-за корреляции между спаренными электронами в сверхпроводнике прозрачность барьера для куперовской пары такая же, как и для отдельного электрона. Больше того, через такой барьер будет течь сверхпроводящий ток, без всякого напряжения и без всяких потерь, а его величина и направление будут зависеть только от разности фаз ϕ параметра порядка по обе стороны барьера. Это — так называемый стационарный эффект Джозефсона. В самом простом случае джозефсоновский ток равен IJ = Ic sin ϕ.

Из-за того, что барьер всё-таки мешает течению сверхпроводящего тока, его максимальная величина ограничена. Чем тоньше барьер и чем больше площадь джозефсоновского контакта, тем больше этот так называемый критический ток, Ic, но он всегда намного меньше, чем ток, который мог бы течь в сплошном сверхпроводнике. Что же получится, если мы всё-таки попробуем пропустить через контакт ток, больший критического? Весь лишний ток придётся переносить уже не сверхпроводящему конденсату, а обычным электронам. Поэтому на контакте возникнет электрическое напряжение, чтобы их проталкивать сквозь барьер. Более того, разность фаз между сверхпроводниками начнёт колебаться с частотой, пропорциональной этому напряжению:

f = 2eV/h.

Это — нестационарный эффект Джозефсона, который в 1965 году экспериментально обнаружили в харьковском Физико-техническом институте низких температур Игорь Янсон, Владимир Свистунов и Игорь Дмитренко.

Джозефсон быстро получил заслуженную Нобелевскую премию (1973 год). Это, кстати, был редкий случай, когда премию присудили блестящему молодому учёному в начале карьеры, чтобы обеспечить ему возможность дальше делать, что хочет, как это и задумывал сам Нобель. Джозефсон больше своим эффектом не занимался, но исследование разных вариантов и обобщений этого эффекта во всяких необычных системах до сих пор представляет большой интерес. Приборы с джозефсоновскими контактами — СКВИДы (от английского SQUID — Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — очень хорошо измеряют слабые магнитные поля и находят применения везде, от медицины до астрономии. Нестационарный эффект Джозефсона позволил создать самые точные эталоны напряжения, которые содержат несколько десятков тысяч джозефсоновских контактов. С 1990 года именно на них опирается мировой стандарт напряжения.

Неудивительно, что к концу XX века теория, инженерия и технология изготовления систем с джозефсоновскими контактами микронных размеров были доведены до очень высокого уровня совершенства. В том числе и криогеника — наука и технология создания и поддержания низких температур. Тем более неудивительно, что именно они и стали одними из главных претендентов на роль квантовых битов. Во-первых, их уже умели делать, причём в больших количествах и с заданными свойствами. Во-вторых, эти кубиты не микроскопические (в смысле, не атомарных размеров) — типичный размер такого кубита составляет десятки микронов. Поэтому изготовить несколько сверхпроводящих кубитов и управляющих ими электродов в нужных местах на изолирующей подложке было задачей сложной, но не невозможной и — в отличие от компьютера Кейна — не содержавшей неприятных сюрпризов из области материаловедения. В-третьих, сверхпроводники имеют «встроенную защиту» от помех, которые могли бы разрушить квантовое состояние кубита. Для такого разрушения нужно затратить некоторую минимальную энергию, величина которой определяется абсолютной величиной параметра порядка. Конечно, всё равно нужно, чтобы таких помех было поменьше: для этого кубиты приходится охлаждать до температуры примерно в 0,01 К. Зато при такой температуре они заведомо будут сверхпроводящими.

Помогло и ещё одно обстоятельство. Как было сказано, к началу 1980-х годов физики всерьёз заинтересовались вопросом о том, можно ли наблюдать квантовые эффекты в макроскопических системах. Открытие квантовой природы сверхпроводимости (а до этого — сверхтекучести жидкого гелия), казалось, уже давало на этот вопрос положительный ответ. Однако дело было несколько сложнее. Британский (сейчас американский) учёный Энтони Леггетт указал, что, по сути, состояние сверхпроводника является всё ещё классическим — в том смысле, что оно не проявляет таких типичных для микроскопических квантовых систем свойств, как квантовая суперпозиция (способность находиться в двух разных состояниях одновременно) или квантовое туннелирование. Например, в сверхпроводящем кольце можно возбудить сверхпроводящий ток — но он потечёт или по, или против часовой стрелки, но никак не в обоих направлениях сразу. В джозефсоновском контакте куперовские пары туннелируют сквозь туннельный барьер — но это затрагивает за раз только одну куперовскую пару, то есть всего лишь два электрона. Для демонстрации квантовых эффектов в макроскопическом масштабе этого явно мало. Тем не менее само наличие квантового конденсата, связанного с макроскопической величиной — электрическим током, — давало надежду на успех.

Макроскопическое квантовое туннелирование — более простой эффект, чем квантовая суперпозиция разных макроскопических состояний. Согласитесь, что всё-таки легче себе представить шрёдингеровскую кошку просочившейся из ящика наружу, чем находящейся в суперпозиции «ни жив, ни мёртв». Леггетт разработал теорию макроскопического квантового туннелирования в сверхпроводниках (Нобелевская премия по физике за 2003 год) и пришёл к выводу, что эффект возможен, хотя наблюдать его будет очень трудно из-за сильных помех — тем сильнее, чем «макроскопичнее» будет туннелирующая система. Исследования в этом направлении не прекращались, и к моменту, когда изготовление кубитов встало на повестку дня, у сверхпроводников была явная фора. Неудивительно, что к концу ХХ столетия появились сразу три разных сверхпроводниковых кубита: зарядовый (charge) и два типа потоковых (flux).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Кошачьи сходства, собачьи различия Кошачьи сходства, собачьи различия

Почему собачьих пород намного больше, чем кошачьих?

Наука и жизнь
Торт с парфе из облепихи Торт с парфе из облепихи

Облепиха — чудесный шанс сохранить солнечную летнюю энергетику

Weekend
100 самых сексуальных женщин страны: 100-53 100 самых сексуальных женщин страны: 100-53

Итоговый рейтинг «100 самых сексуальных женщин страны – 2019»

Maxim
Битва экосистем: чему стоит поучиться «Сберу», «Яндексу» и Mail.ru у китайских IT-гигантов Битва экосистем: чему стоит поучиться «Сберу», «Яндексу» и Mail.ru у китайских IT-гигантов

Какие вопросы вызывают попытки российских IT-гигантов повторить успех Китая?

Forbes
Магнитное поле земли: история, эволюция и прогнозы Магнитное поле земли: история, эволюция и прогнозы

Как магнитное поле повлияло на жизнь на Земле

Наука и жизнь
Школа выживания: сумчатых бандикутов готовят к борьбе с инвазивными видами Школа выживания: сумчатых бандикутов готовят к борьбе с инвазивными видами

Ученые надеются получить более сообразительное поколение необычных сумчатых

National Geographic
Город в крови Город в крови

Триумф крестоносцев при штурме святого града обернулся кровавой драмой

Дилетант
Как начать брать на себя ответственность Как начать брать на себя ответственность

Справляемся с синдромом Питера Пэна вместе

GQ
Князь, губернаторы, воевода и секретарь Князь, губернаторы, воевода и секретарь

Самые известные первые лица Нижнего Новгорода

Дилетант
Как и зачем собирать сперму у ящериц без пениса? Давайте узнаем Как и зачем собирать сперму у ящериц без пениса? Давайте узнаем

Это необходимо для искусственного оплодотворения животных

National Geographic
История рекламы в России История рекламы в России

Как появилась реклама в России

Культура.РФ
Изoбражая жертву: пигмеи бамбути Изoбражая жертву: пигмеи бамбути

Самые маленькие люди на планете

Вокруг света
Набоковский корпус Набоковский корпус

Андрей Бабиков — о своём подходе к работе над большим набоковским проектом

Полка
Рубль упал, цены выросли, бюджет заработал Рубль упал, цены выросли, бюджет заработал

Почему государство продолжает накапливать, а не тратить?

Эксперт
Фильмы с настоящей французской драмой Фильмы с настоящей французской драмой

Французские драмы: от историй любви до кровавых преступлений

GQ
Страх пропустить жизнь – что такое синдром FoMO? Страх пропустить жизнь – что такое синдром FoMO?

Почему люди боятся упустить важные моменты и как с этим связаны соцсети

Playboy
Краткая история школьной формы в СССР Краткая история школьной формы в СССР

Внимание! При прочтении возможны неконтролируемые приступы ностальгии

Maxim
Держать удар Держать удар

Трэвис Баркер сумел доказать, что и барабанщик может быть суперзвездой

Men’s Health
Как правильно хранить продукты в холодильнике: главные советы Как правильно хранить продукты в холодильнике: главные советы

Наиболее полезные рекомендации по хранению продуктов в холодильнике

CHIP
Геологи смоделировали деформацию земной коры в ответ на истончение ледников Геологи смоделировали деформацию земной коры в ответ на истончение ледников

Ученые рассчитали скорость гляциоизостатических движений земной коры

N+1
Хмельной тур: мировой напиток Хмельной тур: мировой напиток

Специфичное пиво в разных странах

Вокруг света
Бьюти-эволюция Ванессы Паради: от нимфетки до иконы стиля Бьюти-эволюция Ванессы Паради: от нимфетки до иконы стиля

Как менялась актриса и модель Ванесса Паради с конца 80-х годов до наших дней

Cosmopolitan
Найдены связанные с возрастом наступления менопаузы генетические варианты Найдены связанные с возрастом наступления менопаузы генетические варианты

Ученые обнаружили 290 мутаций, связанных со временем наступления менопаузы

N+1
Футбольный ковер: приворотные травы Футбольный ковер: приворотные травы

Натуральное покрытие футбольного поля представляет собой толстый «бутерброд»

Популярная механика
Гигантские муравьеды расширили территории в ответ на нехватку лесных убежищ Гигантские муравьеды расширили территории в ответ на нехватку лесных убежищ

В условиях холодной или жаркой погоды муравьедам нужно прятаться в лесу

N+1
Неандертальцы: приматы и художники Неандертальцы: приматы и художники

Неандертальцы оказались умелыми мастерами, лекарями и даже художниками

Популярная механика
От Иннополиса до Усадьбы Жадины: что такое ойконимы и зачем их изучать От Иннополиса до Усадьбы Жадины: что такое ойконимы и зачем их изучать

Что такое ойконимы и как их изучают

Forbes
Гибель солнц: астрономы увидели уничтожение звезд черными дырами Гибель солнц: астрономы увидели уничтожение звезд черными дырами

Уничтожение звезд сверхмассивными черными дырами

Forbes
Домой как на праздник! Домой как на праздник!

Азы работы из дома

Maxim
Как выбрать видеокарту для компьютера: практические рекомендации Как выбрать видеокарту для компьютера: практические рекомендации

Как правильно подобрать видеокарту, чтобы ее возможностей хватило с запасом

CHIP
Открыть в приложении