Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
Мир в фотографиях
Подборка фотографий из различных интернет-ресурсов источников, а также фотографи...
№15
(368)
25.12.2019
Наука и техника
Сверхпроводимость: успехи и неудачи.
Владимир Акопьян
Иван  Паринов

Создание комнатной сверхпроводимости – это, в значительной мере,

нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В. Л. Гинзбург (Нобелевский лауреат, 2003 г.)



На протяжении своего почти векового развития (с 1911 г.) наука о сверхпроводимости пережила множество взлетов и падений. Как и при развитии любой области научных исследований, революционные открытия сменялись временами глубокого застоя, пока новые знания в смежных областях ни поднимали сверхпроводимость на новую вершину.
Что же такое сверхпроводимость, и какие критические параметры определяют этот удивительный феномен? Сверхпроводимость – это явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без заметной диссипации энергии. Оно сопровождается внезапным падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении материала сверхпроводника ниже т. н. температуры сверхпроводящего перехода (Tc), определяемой для каждого конкретного материала. По закону Джоуля – Ленца джоулевы потери или количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока по проводнику, возрастает пропорционально его длине и электрическому сопротивлению, что приводит к огромным потерям, например в сегодня используемых медных и алюминиевых проводах из-за существенного электрического сопротивления. Если сделать провода из сверхпроводящего материала, то можно минимизировать электрические потери. Другим ключевым параметром является критический ток (Ic) или плотность критического тока (Jc). Его значение представляет собой величину постоянного незатухающего электрического тока в сверхпроводнике, выше которого образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее состояние). Третьим критическим параметром является напряженность приложенного магнитного поля (Hc) или магнитная индукция (Bc), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим. Существует также целый ряд других важных сверхпроводящих параметров, определяющих явление сверхпроводимости и поведение сверхпроводящего материала. Различают низкотемпературную, высокотемпературную и комнатную сверхпроводимость, соответствующие температурам сверхпроводящего перехода до 30 К, выше 77 К (температура жидкого азота) и 293 К (комнатная температура). За почти столетнюю историю исследования сверхпроводимости было открыто огромное число сверхпроводящих составов, которые можно классифицировать следующим образом:

1. Органические сверхпроводники, открытые в 1979 г., имеют максимальную критическую температуру Tc= 11,5 К.
2. Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники и впервые открытые в 1954 г. имеют Tc= 23,2 К.
3. Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, открытые в 1979 г. и объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники демонстрируют Tc= 15 К и необычно высокое значение верхнего поля, достигающего Bc2 = 60 Тл.
4. Тяжелые фермионы с максимальной критической температурой Tc=18К демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.
5. Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) имеют Tc=31К, а монокристаллы перовскитного диэлектрика – оксида вольфрама, допированного натрием в 1999 г. продемонстрировали в поверхностном слое высокотемпературную сверхпроводимость с критической температурой 91 К.
6. Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, открытые в 2008 году, быстро достигли сверхпроводящей температуры – второй после высокотемпературных сверхпроводников (Tc=55К); они также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.
7. Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий, демонстрируют невысокую температуру перехода (Tc= 9,6 К).
8. Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом, показывают Tc= 50 К.
9. Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, открытые в 1986 г., в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, имеют на сегодняшний день рекордную температуру сверхпроводящего перехода (Tc= 166 ± 1,5 K).
10. В редкоземельных борокарбидах достигнута температура перехода Tc= 23 К.
11. Кремниевые сверхпроводники при высоком избыточном давлении (что является одним из основных факторов повышения сверхпроводимости в сверхпроводящих материалах) показывают Tc= 14 К.
12. Халькогениды – структуры на основе серы и селена демонстрируют невысокую критическую температуру Tc= 4,15 К.
13. Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры, исследования сверхпроводимости, в которых сопровождались наиболее противоречивыми и скандальными результатами; подтвержденная критическая температура в них составляет Tc= 40 К.
14. MgB2 и родственные структуры (Tc=39К). Открытие сверхпроводимости в этих известных с начала 1950-х годов, дешевых и широкодоступных материалах (магнезию можно купить в любой аптеке!), демонстрирующих довольно высокую критическую температуру, было достаточно удивительно, поскольку открытие состоялось только в 2001 г., гораздо позже лавины открытий, последовавшей в области сверхпроводимости после открытия ВТСП в 1986 г.

Решение все более возрастающей проблемы энергетической зависимости человечества выдвинуло в XX веке на первый план научные направления, связанные с созданием новых видов и источников энергии, а также экспериментальных устройств ее сохранения и передачи на значительные расстояния. Важность решения этих задач была подчеркнута тем, что комитет по присуждению Нобелевских премий по физике никогда не оставлял без внимания ученых, занимавшихся вопросами сверхпроводимости и смежными исследованиями.

Хейке Камерлинг Оннес – разработал и сконструировал ожижительную установку, на которой в 1906 г. получил жидкий водород. В 1908 г. он впервые сумел получить жидкий гелий и достичь рекордно низкой на тот момент температуры 0,9 K, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». В 1911 г. он впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4,25 K. Это явление получило впоследствии название сверхпроводимости. В 1913 г. Х. К. Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами.

Лев Давидович Ландау – легендарная фигура в истории отечественной и мировой науки. Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и элементарных частиц, физика плазмы – вот далеко не полный перечень областей, в разное время привлекавших внимание Ландау. Про него говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было закрытых дверей». Он получил свою Нобелевскую премию по физике в 1962 г. за «пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».

Джон Бардин – единственный человек, который получил две Нобелевские премии по физике: в 1956 г. «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 г. совместно с Леоном Купером и Джоном Шриффером «за созданную их совместными усилиями теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией Бардина–Купера –Шриффера, или просто БКШ-теорией» – основополагающую теорию обычных сверхпроводников. Эта теория, разработанная в 1956 г., основана на представлении о сверхтекучести т. н. куперовских пар электронов, образующих Бозе-Эйнштейна конденсат, и установила электрон-фононный механизм обычной сверхпроводимости. В отличие от кулоновского отталкивания двух электронов, электрон проводимости при прохождении в металле вызывает локальную деформацию кристаллической решетки. За счет такого взаимодействия с фононами решетки происходит связывание электронов в сверхпроводящую куперовскую пару при температуре ниже критической. Такой конденсат куперовских пар и обусловливает сверхпроводимость.

Брайан Дэвид Джозефсон в 1962 г. открыл и теоретически предсказал явление прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, помещенный между двумя сверхпроводящими металлами (стационарный эффект Джозефсона, подтвержденный экспериментально в 1963 г.). Он предположил также, что если к контакту приложить разность потенциалов, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, зависящей только от величины приложенного напряжения (нестационарный эффект Джозефсона). Эффекты Джозефсона позволили уточнить величину постоянной Планка, способствовали созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения. Они стали основой конструирования сверхчувствительных датчиков магнитного поля (СКВИДов), применяемых для измерения магнитных полей живых организмов и обнаружения объектов, скрытых под поверхностью. В 1973 г. Б.Д. Джозефсон стал лауреатом Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона». В тот же год Нобелевской премии были удостоены Лео Эсаки и Айвор Джайвер «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».

Филип Уоррен Андерсон – разработал три теории: локализации, антиферромагнетизма и высокотемпературной сверхпроводимости. Концепция локализации расширила число состояний, которые могут быть локализованы за счёт присутствия дефектов в системе, гамильтониан Андерсона описывает электроны в переходном металле, а псевдоспиновый подход в теории сверхпроводимости Бардина–Купера–Шриффера, является одним из наиболее дискутируемых механизмов высокотемпературной сверхпроводимости. В 1977 г. Ф.У. Андерсон получил Нобелевскую премию по физике вместе с Нэвилом Моттом и Джоном ван Флеком «за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем», которые дали толчок развитию электронных переключателей и устройств памяти в компьютерах.

Пётр Леонидович Капица в 1934 г. получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом, в которой поршневой детандер работал при температуре 15 К на газовой смазке (которой являлся тот же гелий). Этот ожижитель стал основой быстрого прогресса в физике низких температур. Он открыл и экспериментально исследовал явление сверхтекучести жидкого гелия, а также разработал установки для промышленного производства жидкого кислорода. В 1978 г. П.Л. Капица получил Нобелевскую премию «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур».

Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер в 1986 г. обнаружили сверхпроводимость в барий-лантан-медном оксиде при температуре 35 К (–238 °C) – на 12 К большей, чем температура сверхпроводимости, достигнутая до этого. Вслед за их открытием по всему миру последовала волна экспериментов с использованием медных оксидов, и в течение одного года были обнаружены вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах около 100 К (–173 °C). За эту работу им в 1987 г. была присуждена Нобелевская премия по физике «за важный прорыв в физике, выразившийся в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».

Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 г. «за открытие сверхтекучести гелия-3». Само это открытие было сделано в 1971 г.

Эрик Аллин Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман получили Нобелевскую премию по физике в 2001 г. «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе-Эйнштейна в среде разряженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов».

Алексей Алексеевич Абрикосов совместно с Н. В. Заварицким обнаружил при проверке теории Гинзбурга – Ландау в 1957 г. новый класс сверхпроводников – сверхпроводники второго рода. Этот новый тип сверхпроводников, в отличие от классических сверхпроводников первого рода, сохраняет свои свойства даже в присутствии сильного магнитного поля (в десятки тесла) и демонстрирует фазовый переход 2-го рода. А.А. Абрикосов смог объяснить такие свойства, развивая рассуждения Виталия Лазаревича Гинзбурга, возникновением регулярной решетки магнитных линий, окруженных кольцевыми токами, образующей т.н. вихревую решетку Абрикосова. В.Л. Гинзбург в 1950 г. создал (совместно с Л.Д. Ландау) полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости (теория Гинзбурга–Ландау), а в 1958 г. (совместно с Л.П. Питаевским) полуфеноменологическую теорию сверхтекучести (теория Гинзбурга-Питаевского). В 2003 г. А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург (совместно с Энтони Джэймсом Леггетом) получили Нобелевскую премию по физике ««за создание теории сверхпроводимости второго рода и теории сверхтекучести жидкого гелия-3».

Как уже отмечалось, история открытия сверхпроводимости ведет свое начало с 1911 г., когда Х. К. Оннес открыл это явление в ртути (Тc примерно равно 4,25 K) при температуре жидкого гелия. В дальнейшем были обнаружены сверхпроводящие свойства также у ряда других металлов, некоторых сплавов и интерметаллических соединений, которые, однако, демонстрировали довольно низкую критическую температуру (максимальная величина Тс = 23,2 К у Nb3Ge), ненамного превышавшую температуру жидкого гелия. Это в огромной степени тормозило практическое применение сверхпроводников, вследствие высокой цены жидкого гелия ( порядка 25 долл. за литр) и трудности его получения. Только спустя три четверти века, в 1986 г. произошел существенный скачок температуры сверхпроводящего перехода, когда Г. Беднорц и А. Мюллер открыли высокотемпературную сверхпроводимость в нетрадиционных соединениях – купратах. Основными достижениями исторического периода до открытия ВТСП явились полное понимание механизма сверхпроводимости в низкотемпературных сверхпроводниках, связанного с электрон-фононным взаимодействием, и создание достаточно совершенных охладительных криогенных систем, необходимых для развития сверхпроводящих применений.

Справедливости ради стоит отметить, что еще в начале 1970-х годов соединения оксидов лантана и меди были синтезированы в Москве. Эти исследования не были связаны со сверхпроводимостью – велся поиск хороших и дешевых проводников. При низких температурах проводимость этого нового материала показывала аномальное поведение. Советские ученые понимали значение этих аномалий, но, тем не менее, не продолжили дальнейших исследований, из-за существовавших тогда проблем с жидким гелием в Москве. Исследователи не проявили настойчивости в отстаивании своих спорных результатов. Таинственное соединение было положено в «стол» и вскоре забыто. Таким образом, Беднорц и Мюллер в 1986 г. открыли высокотемпературную сверхпроводимость практически в том же соединении, что задолго до этого было синтезировано в России, а Советский Союз лишился заслуженной Нобелевской премии. Поток открытий хлынул в 1987 г. и открыл новую эпоху в исследовании сверхпроводимости: была преодолена температура кипения жидкого азота (77 К). Низкая цена (около 0,5 долл. за литр), простые условия его получения и использования позволили в последующие годы совершить существенный рывок в разработке, изготовлении и начальном применении высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Открытие ВТСП породило настоящую эйфорию как в среде ученых (в 1987 г. число исследователей в этой области выросло более чем на порядок!), так и огромный интерес средств массовой информации. Ведь за один год критическая температура выросла на 70 К, в то время как за предыдущие 75 лет исследований сверхпроводимости увеличение Тс составило лишь 20 К! 1987 год как учеными, так и далекими от науки людьми был справедливо назван «Годом свершений в области физики». Публичный интерес привел к резкому увеличению средств, вкладываемых развитыми странами в исследования ВТСП. Открытия иттриевых, висмутовых, таллиевых и ртутных сверхпроводников привели к достижению критической температуры в ртутных соединениях Тс = 164 K (при давлении 30 ГПа) в 1993 г. Казалось, еще одно усилие и комнатная сверхпроводимость (293 К) будет достигнута. Однако, все что пока удалось на этом пути незначительно увеличить Тс в ртутных сверхпроводниках при интеркаляции фтора в 2004 г. Основной проблемой для ВТСП является хрупкая оксидная структура, способствующая быстрому возникновению и развитию структурных дефектов, приводящих к резкому ухудшению сверхпроводящих свойств. Такое развитие событий привело к некоторому охлаждению внимания к сверхпроводимости со стороны властных структур в ведущих странах мира и соответствующему уменьшению средств на эти исследования. Когда будет достигнута комнатная сверхпроводимость, и будут ли такими сверхпроводниками медные оксиды – вопросы, которые пока остаются без ответа.

В 1987 г. первооткрывателями ВТСП были выработаны четыре критерия для определения существования сверхпроводимости: (1) наличие нулевого удельного сопротивления, (2) выраженный эффект Мейсснера (когда при понижении температуры и напряженности магнитного поля ниже критических значений наблюдается полное вытеснение магнитного потока из проводника, становящегося cверхпроводящим), (3) высокая воспроизводимость результатов и (4) высокая устойчивость эффекта. В соответствии с этими критериями, начиная с 1986 г. выполнена огромная работа по открытию новых высокотемпературных сверхпроводящих составов в попытках увеличить критическую температуру. На сегодняшний день известно более 50 таких составов, иногда представляющих целые семейства сверхпроводников. Все эти сложнейшие и дорогостоящие химические соединения объединяет наличие сверхпроводящих плоскостей CuO2 и анизотропная, хрупкая, оксидная структура материала. В то же время, сложность химического состава и наноструктурный масштаб сверхпроводящих эффектов неизбежно приводят к многочисленным технологиям получения данных сверхпроводников различных форм и размеров. В настоящее время наиболее перспективными для применений являются иттриевые и висмутовые купраты. Таллиевые и ртутные сверхпроводящие оксиды, хотя и имеют более высокие Тс, обладают меньшими преимуществами из-за токсичности этих соединений и сложности их получения. Природа как бы ставит барьеры для исследователей сверхпроводимости: чем более соблазнителен сверхпроводник с точки зрения его высоких полезных свойств, тем более он опасен при его изготовлении. В 2008 г. были открыты сверхпроводящие оксипниктиды, включающие ядовитый мышьяк, которые в настоящее время практически достигли порога высокотемпературной сверхпроводимости (максимальная критическая температура Tc =56К была достигнута в GdFeAsO, допированном таллием). Как и купратные высокотемпературные сверхпроводники, оксипниктиды имеют слоистую кристаллическую структуру. Аналогично купратным ВТСП, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, проводящие слои (FeAs) сверхпроводящих оксипниктидов пространственно отделены от слоёв-резервуаров заряда (GdO). Если в первых открытых сверхпроводящих оксипниктидах сверхпроводимость появлялась при допировании исходного несверхпроводящего соединения LaOFeAs электронами (путем замещения O на O1-xFx), то позже выяснилось, что дырочное допирование (при замещении La на La1-xSrx) также приводит к сверхпроводимости. Таким образом, в этом отношении высокотемпературные оксидные сверхпроводники без меди ведут себя подобно их купратным собратьям. Однако «родительские» состояния у них различные. Если недопированные купраты являются диэлектриками (антиферромагнитными или моттовскими), то недопированные оксипниктиды представляют собой, либо немагнитные металлы, либо антиферромагнитные полуметаллы. В связи с этим, существуют два основных отличия оксипниктидов от купратов: (а) у первых магнетизм родительской несверхпроводящей фазы обусловлен делокализованными электронами, а у вторых – локальными магнитными моментами и (б) в купратных ВТСП сверхпроводимость появляется только при «химическом допировании» (неизовалентном замещении одних элементов другими или изменении содержания кислорода), а у безмедных – ещё и при воздействии высокого давления. Таким образом, и допирование, и сильное сжатие одинаковым образом изменяют определённые характеристики сверхпроводящих оксипниктидов, существенные для их сверхпроводимости. Отметим, что в общем случае высокие давления играют одну из ключевых ролей в возникновении сверхпроводящего состояния. Так к существующим 29 элементным сверхпроводникам при обычном давлении (Be, Al, Ti, V, Zn, Ga, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Cd, In, Sn, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Hg, Tl, Pb, La, Th, Pa, U, Am) из таблицы химических элементов Д. И. Менделеева добавляются ещё 23, которые становятся сверхпроводящими только при приложении давления (Li, B, O, Si, P, S, Ca, Sc, Fe, Ge, As, Se, Br, Sr, Y, Sb, Te, I, Cs, Ba, Bi, Ce и Lu).

Как и в любой области человеческой деятельности, «человеческий фактор» сыграл уже не одну злую шутку с исследованиями в области сверхпроводимости. В 2000-2001 гг. немецкий физик J. H. Schön, работавший в белловской лаборатории (штат Нью-Джерси, США) вместе с соавторами сообщил, что, используя интеркаляцию одиночных кристаллов фуллерена C60 соединениями хлора и брома с целью расширения кристаллической решетки и формирования высокой плотности электронов проводимости и дырок, они достигли сначала критической температуры Tc = 52 K, а затем и Tc = 117 K в легированных дырками образцах C60/CHBr3. Таким образом, речь пошла об открытии нового высокотемпературного сверхпроводника. Авторы за один год успели опубликовать множество статей в ведущих мировых научных журналах, таких как Science и Nature. По этому поводу в мире прошел ряд конференций, как говорится, запахло новой Нобелевской премией в области сверхпроводимости, но… Первые критические статьи о результатах группы J. H. Schön были опубликованы в 2002 г. и посвящены использованию органических молекул, сегрегированных в тонких пленках в качестве «молекулярных переключателей», а также полевых транзисторов, изменяющих концентрацию носителей заряда в различных органических веществах и обеспечивающих регулирование их электрических свойств (от диэлектрика к полупроводнику, от металла к сверхпроводнику и т. д.). Предполагалось, что это позволяло создавать высокотемпературную сверхпроводимость C60 с помощью электрического поля. Однако сначала была замечена полная идентичность рисунков, относящихся к различным экспериментам и типам микроэлектронных устройств. Почти 100 научных групп по всему миру безуспешно пыталось повторить результаты J. H. Schön с соавторами Наконец, белловская лаборатория создала специальную комиссию, которая в конце концов пришла к заключению о недостоверности результатов, полученных ее сотрудниками.
Что касается самой высокотемпературной сверхпроводимости, то в настоящее время и теоретики, и экспериментаторы продолжают спорить о ее механизмах. Начиная с 1987 г. было предложено более 100 моделей механизма высокотемпературной сверхпроводимости, основанных, в частности, на представлениях о поляронах, плазмонах, экситонах, солитонах, суперобмене, электрон-фононном и прямом взаимодействии между электронами. Во всей многообразной литературе, опубликованной по сверхпроводимости, комнатной сверхпроводимости посвящена пока только одна книга российского ученого, работающего в Бельгии (Mourachkine A. Room-Temperature Superconductivity. Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 310 p., ISBN: 978-1904602279). Известны единичные статьи, посвященные этому эффекту, но полученные результаты либо не соответствуют 4 принципам определения сверхпроводимости, установленным первооткрывателями ВТСП, либо явление наблюдалось в столь ничтожном объеме материала, что не позволяет использовать его для практических целей.
В начале 1990-х гг. началось применение ВТСП в конкретных устройствах и изделиях. Постепенно были разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, токовводы, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводящие прототипы всех электрических устройств. Решающими здесь являются открывающиеся возможности по передаче, превращению и сохранению энергии. В частности, системные применения сверхпроводимости охватывают (а) сверхпроводящие магнитные устройства; (б) криогенные хранилища; (в) космические платформы; (г) научные инструменты; (д) вращающиеся накопители энергии. Например, как показали эксперименты, поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), в которых дно тележки включает ВТСП плавленую керамику, а рельсы представляют собой магниты, могут развивать скорость до 1000 км/ч! Не обошелся без сверхпроводящих изделий и большой адронный коллайдер, запущенный, в частности с целью поиска таинственных бозонов Хиггса в ноябре 2009 года. Он является крупнейшей экспериментальной установкой из когда-либо существовавших в мире. В туннеле длиной 27 км установлено свыше 8 тысяч сверхпроводящих магнитов (с общим весом сверхпроводящих материалов около 1200 т), использованных для создания детекторов и предускорителей элементарных частиц в коллайдере.

Другим применением сверхпроводимости по праву может стать сверхпроводниковый квантовый компьютер. Его создание связано с экспериментальным воплощением квантового бита на основе сверхпроводящей структуры - главным преимуществом такой структуры по сравнению с другими твёрдотельными аналогами (одноэлектронными структурами) даже в рамках современной технологии. Наличие сверхпроводящего состояния означает, что даже многоэлектронная система может в этом случае находиться в основном самом низком по энергии состоянии достаточно долго, поскольку все возбуждения этого состояния отделены энергетической щелью. Эта же причина обусловливает большое время декогерентизации в системе. Структура сверхпроводящего квантового бита может быть изготовлена с помощью традиционной технологии джозефсоновских контактов (переходов). Архитектура построения сверхпроводникового квантового компьютера является гибридной нитевидной архитектурой (Hybrid Technology Multi-Threaded architecture, HTMT), которая позволяет в 250 раз увеличить быстродействие сегодняшних самых скоростных компьютеров. Стержнем такого квантового компьютера могут стать сверхпроводниковые схемы быстрой одноквантовой логики (rapid single flux quantum, RSFQ) и другие криоэлектронные компоненты. Ранние концепции сверхпроводниковых интегральных схем (ИС) использовали нешунтированные джозефсоновские переходы, приводящие к появлению так называемого эффекта «залипания» (latching), снижающего быстродействие и усложняющего топологию ИС. Концепция RSFQ, разработанная К.К. Лихаревым и В. К. Семёновым в 1985-1986 гг. и экспериментально опробованная В. П. Кошельцом в 1986 г., основана на использовании шунтированных джозефсоновских переходов. В 1999 г. К. К. Лихарев, с соавторами продемонстрировали несколько действующих ИС (в том числе RSFQ аналого-цифровой преобразователь), включающих до 2000 джозефсоновских переходов каждая. Три попытки создать сверхпроводниковый компьютер (1969-1983 гг. – IBM, США; 1970–1981 гг. – НИИФП, Зеленоград, СССР; 1981–1990 гг. – MITI, США) оказались неудачными из-за непреодолимых в то время технологических трудностей. Современная ниобиевая технология с использованием джозефсоновских переходов с двойным барьером позволяет сформировать десятки тысяч стабильных переходов с воспроизводимыми характеристиками. Это – так называемые S–N–I–S-контакты: «сверхпроводник–нормальный металл–изолятор–сверхпроводник» (обычно это – Nb/Al/AlOx/Nb), работающие при температуре 4-5 К. NbN-технология позволяет перейти к рабочей температуре 10 К. Принципиально более высокие рабочие температуры и быстродействия достижимы с использованием высокотемпературных сверхпроводников, но это потребует достаточно долгого времени и огромного финансирования. В 2000 г. в США была предпринята новая попытка создания сверхпроводникового квантового компьютера производительностью до 1015 операций с плавающей запятой в секунду, а в 2004 г. была реализована сверхпроводниковая компьютерная петафлопс-система. При этом была определена оптимальная комбинация различных новейших технологий – сверхпроводниковой логики, сети оптоволоконных соединений, голографической оптической и полупроводниковой памяти. Особенность новой системы – использование распределённой памяти, включающей голографическую, полупроводниковую (SRAM) и криогенную (CRAM) компоненты. Стержень системы – сверхпроводниковые процессоры, использующие RSFQ-логику. Значительный шаг в реализации сверхпроводникового квантового компьютера был сделан в 2003 г., когда Т. Ямамото с соавторами удалось продемонстрировать образование т. н. «запутанного состояния» (entangled state) между двумя твёрдотельными сверхпроводниковыми кубитами. Разработанная структура квантового компьютера отличалась от той, на которой уже было продемонстрировано когерентное взаимодействие двух квантовых битов (кубитов), наличием двух затворов, каждый из которых управлял состоянием соответствующего кубита. Управляющий кубит имел вид петли СКВИДa, а сами кубиты взаимодействовали друг с другом через ёмкость. На такой системе двух сверхпроводящих кубитов Т. Ямамото с соавторами успешно выполнили логическую квантовую операцию CNOT («контролируемое НЕ»). Известно, что классический компьютер начинается с одного бита, далее идёт простая арифметика наращивания количества битов. Началом квантового компьютера можно считать только два кубита, выполняющих операцию CNOT. Организовать эту операцию с кубитами очень непросто, а порой и невозможно. Общая схема эксперимента состояла в следующем: на первом этапе при подаче на затворы импульсов напряжения определённой величины и длительности формировалось исходное состояние системы, на втором - выполнялась операция CNOT, то есть состояние управляемого кубита либо изменялось на противоположное, либо нет, в зависимости от состояния контролирующего кубита. Операция CNOT в 2003 г. не была выполнена в полном объеме. Она была продемонстрирована только для амплитуды состояний, но её выполнение с учетом фазы состояния не было осуществлено. До этого подобное удавалось проделать только с молекулами и атомами в магнитных ловушках. В 2005 г. А. Вальрафу с соавторами удалось проследить за поведением одиночных джозефсоновских вихрей, что открыло перспективу их использования в качестве носителей битов квантовой информации. Для изготовления масштабируемого квантового процессора нужно научиться сохранять когерентность квантовых состояний в больших системах и управлять этими состояниями. Мезоскопические твёрдотельные объекты, такие как джозефсоновские контакты и квантовые точки, легко масштабируются и управляются локальными электрическими сигналами. В то же время, одной из основных проблем сверхпроводникового квантового компьютера является организация взаимодействия между удалёнными кубитами. Напротив, квантовые оптические системы на основе атомов или ионов в магнитной ловушке подвержены декогерентизации в гораздо меньшей степени. Но их проблемы связаны со сложностью миниатюризации и интеграции в электрические цепи. Они не позволяют использовать такое число кубитов, которое достаточно для практического применения. В данном случае невозможно организовать надёжную адресацию к определённым атомам при большом их количестве. В 2005 г. в США была продемонстрирована возможность организации необходимого взаимодействия с помощью резонатора, как и в квантовом компьютере на атомах в ловушке. В качестве «атомов» выступали два зарядовых кубита, основанные на джозефсоновских контактах, которые имели ёмкостную связь с микроволновым резонатором. При этом удалось наблюдать запутанное состояние трёх объектов – двух кубитов и фотона в резонаторе. В 2006 г. был предложен способ интеграции одночастичных систем (полярных молекул) с мезоскопическими твёрдотельными устройствами, который допускает эффективный контроль когерентных состояний молекул (например, CaBr) и взаимодействий между ними. Роль базисных состояний кубитов играют вращательные состояния молекул. Операции с кубитами осуществляются посредством электрических затворов. Молекулы располагаются на субмикронных расстояниях от сверхпроводникового СВЧ-резонатора, через который и осуществляется связь между ними. Запутанные состояния удалённых друг от друга кубитов формируются за счёт обмена СВЧ-фотонами. В этом случае шумы – одно из главных препятствий для квантовых вычислений – удаётся подавить до очень низкого уровня. В 2009 г. Ди Карло с соавторами успешно осуществили двухкубитные варианты квантовых алгоритмов Дойча и Гровера, основанные на использовании запутанных квантовых состояний. Хотя характерное время декогерентизации сверхпроводниковых кубитов (порядка 1 мкс) на несколько порядков меньше, чем у ионов в ловушке, но зато и операции с ними можно осуществлять гораздо быстрее (в данном случае для достижения конечного результата потребовалось около десяти операций). Число кубитов можно многократно увеличить путем механического наращивания количества сверхпроводящих контуров с использованием хорошо разработанной технологии. Большой проблемой, однако, остаются сверхнизкие рабочие температуры (примерно 1 мК). В 2007 г. было объявлено о создании и демонстрации в Канаде первого в мире квантового компьютера. Компьютер «Орион» сделан из ниобия, с использованием кубита постоянного тока. В массиве (4-4) кубитов связь между ними реализовывалась схемотехнически. При этом решаемыми задачами являлись элементарные задачи перебора. Скептицизм, проявленный научным сообществом по поводу практической реализации этого компьютера, в первую очередь был связан с вопросами функционирования кубитов (время декогерентизации, надёжность ввода и считывания данных, собственно квантовые явления в кубите, степень связи между кубитами и её контролируемости и т. д.). Очевидно, можно предположить, что момент создания квантового компьютера наступит, когда будет продемонстрировано решение какой-нибудь практически важной задачи, причём, полученное быстрее, чем на классическом компьютере. Будущий сверхпроводниковый квантовый компьютер позволит сформировать инфраструктуру для изготовления и последующей эксплуатации криогенных ИС, в частности будут решены вопросы, связанные с необходимостью использовать сверхнизкие рабочие температуры. Эта инфраструктура будет способствовать более широкому применению сверхпроводниковых вычислительных устройств. При этом сфера применения низкотемпературной электроники может быть достаточно широкой и включать аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, цифровые СКВИДы, цифровые автокорреляторы, генераторы псевдослучайных сигналов и применения, связанные с высокими уровнями радиации. Одно из возможных направлений применения такого квантового компьютера будет связано с существованием квантового алгоритма, который позволит эффективно моделировать различные гамильтонианы, описывающие спаривание электронов (например, БКШ-гамильтониан) на квантовом компьютере, основанном на явлении ядерного магнитного резонанса. Этот алгоритм даст возможность найти спектр низкоэнергетических возбуждений в окрестности энергетической щели между основным и первым возбуждённым состояниями. Он может быть, в частности, использован для проверки применимости модели БКШ к мезоскопическим сверхпроводящим системам, таким как ультрамалые металлические зерна.

Таким образом, вполне очевидно, что достижения в области сверхпроводимости являются ключевыми для энергетики, электроники, физики высоких энергий, воздушного, наземного и морского транспорта, космонавтики, медицины и многих других областей. Успешное использование прикладной сверхпроводимости может стать одним из главных ответов на возникающие потребности общества. Оно приобретает даже более важное значение, чем развитие возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, атомной, а также энергии воды и ветра. Что уж тут говорить о не возобновляемых источниках энергии, которые рано или поздно иссякнут. Более того, сверхпроводимость опосредованно найдет свое применение и во многих гуманитарных областях.
В заключение отметим, что еще в 2001 г. один из руководителей Intermagnetics General Corporation (США) К.Х. Рознер сделал сравнительный прогноз по поводу применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников в ближайшие десятилетия. Из него следовало постепенное сравнительное увеличение использования высокотемпературной сверхпроводимости над низкотемпературной, вызванное преимуществами работы ВТСП устройств при более высоких температурах эксплуатации, что обеспечивает соответствующее понижение финансовых и технологических затрат. При этом, однако, предполагалось сохранение преимуществ низкотемпературных сверхпроводящих металлов и сплавов, обусловленных их гораздо меньшей дефектностью по сравнению с хрупкой оксидной структурой ВТСП. Прошедшее десятилетие показало, что пока еще ВТСП изделия остаются слишком дорогими для практики, и лишь немногие образцы (например, токовводы и томографы) являются конкурентоспособными.
______________________________________
©Паринов И. А., Акопьян В. А., Stephen S.-H. Chang
"Всего лишь человек". О поэзии Леонида Григорьяна
Воспоминания о Леониде Григорьевиче Григорьяне в связи с 90-летней годовщиной со дня его рождения и его стихи.
Жизнь в инореальности. 4 статьи
Статьи о том, как ниги, видеоигры, телесериалы создают когнитивную систему современного пользователя интернета
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum