13. «Разумный» сверхпроводник. Сквозь глухую стенку. Сюрпризы туннельного контакта. Вверх по шкале точности. Необычные воздухоплаватели.

13. «Разумный» сверхпроводник. Сквозь глухую стенку. Сюрпризы туннельного контакта. Вверх по шкале точности. Необычные воздухоплаватели.

До сих пор в нашем рассказе о практическом применении сверхпроводимости преимущественно фигурировали большие числа. Мощность исчислялась миллионами и миллиардами киловатт, сила тока — десятками тысяч ампер, расстояния — сотнями километров…

Образно говоря, сверхпроводящее устройство нетрудно себе представить как некоего сказочного великана, способного легко взвалить себе на плечи целый железнодорожный состав. Но может ли наш гигант мыслить?

Можно ли построить электронно — вычислительную машину (компьютер) на сверхпроводниках?

Обычно мы пользуемся десятичной системой счисления, содержащей, как следует из ее названия, десять знаков от 0 до 9. Для проведения самых сложных вычислений в компьютере используется двоичная система счисления.

В десятичной системе можно непосредственно изображать числа до девяти. Для того чтобы представить число десять, мы вынуждены прибегнуть к своеобразной хитрости, перевести единицу в следующий разряд: пишем 10. Для изображения числа сто единица переводится еще на один разряд выше: пишем 100 и т. п.

В двоичной системе счисления имеются только два знака: 0 и 1. В этой системе счисления каждый новый разряд увеличивает число не в 10 раз, как в десятичной системе, а лишь в 2 раза. Поэтому для изображения числа два приходится перевести единицу в следующий разряд: пишем 10. Мы пишем 100 для изображения числа четыре, для представления числа восемь пишем 1000, и т. п.

В двоичной системе счисления все арифметические операции выполняются особенно просто: например, вся таблица умножения сводится всего к одному равенству: 1 X 1 = 1.

Неудобство этой системы заключается в громоздкости записи.

Мы предлагаем читателю, в качестве упражнения, изобразить в двоичной системе число 9000. Подскажем, что для этого придется написать четырнадцать знаков!

Манипулировать вручную с таким большим количеством знаков, какими бы простыми они ни были, разумеется, чрезвычайно сложно.

Так почему же компьютер все?таки «предпочитает» двоичную систему счисления?

Потому что она легче всего воспроизводится машиной.

Например, отключенному реле можно приписать состояние «0», а включенному реле «1»; отсутствие сигнала на выходе электронной схемы — «0», наличие сигнала «1» и т. п. А громоздкость подобной записи компенсируется быстродействием компьютера.

Двоичная информация легко «укладывается» в памяти компьютера. Из двоичных элементов собираются схемы для выполнения логических операций.

Сам принцип использования сверхпроводимости для воспроизведения и запоминания двоичной информации понять нетрудно.

Представьте себе сверхпроводящий контур, в котором протекает незатухающий ток. В зависимости от направления незатухающему току можно приписать информацию «О» или «1». Можно эту информацию приписать и другим состояниям контура: с током «1», без тока «О». А поскольку незатухающий ток может протекать по сверхпроводящему кольцу неограниченное время, то этим определяется способность сверхпроводника долговременно запоминать информацию.

Простейшим («разумным») сверхпроводящим элементом является криотрон, предложенный в 1956 году американским ученым Д. Беком. Он содержит короткий отрезок проволоки из сверхпроводника, обладающего относительно небольшой величиной критического магнитного поля, называемый вентилем. Поверх вентиля навивается однослойная обмотка также из сверхпроводящей проволоки, но изготовленная из металла, обладающего большим значением критического магнитного поля, так называемая управляющая обмотка. Эта обмотка служит для создания магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость вентиля.

Пока в управляющей обмотке тока нет, вентиль находится в сверхпроводящем состоянии. Если через управляющую обмотку протекает ток достаточной величины, то возбуждаемое им магнитное поле разрушает сверхпроводимость вентиля. Таким образом, вентиль в зависимости от величины тока в управляющей обмотке либо будет обладать электрическим сопротивлением, либо не будет. Управляющая обмотка все время находится в сверхпроводящем состоянии, так как магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости вентиля, является надостаточным для срыва сверхпроводимости управляющей обмотки.

Один из основных недостатков проволочного криотрона — сравнительно большое время переключения из одного положения в другое: порядка десятитысячных долей секунды.

Когда стало ясно, что такая скорость слишком мала для современных электронных вычислительных машин, разработчики решили заменить проволоки тонкими пленками.

Появился пленочный криотрон. Он состоит из двух пленок, расположенных достаточно близко друг от друга (обычно одна над другой): вентильной и управляющей. Принцип работы прибора остался неизменным, но действовать он стал значительно быстрее: время переключения уменьшилось до 10 наносекунд (одна наносекунда равна одной миллиардной доли секунды).

На усовершенствование криотронов было затрачено много усилий. Но к середине 60–х годов исследователи убедились, что пленочные криотроны по своим характеристикам уступают разработанным к тому времени лучшим образцам транзисторов, работающим при комнатной температуре.

Начиная примерно с 60–х годов в книгах и монографиях, посвященных сверхпроводимости, появилось новое имя: Джозефсон. Этот молодой, тогда еще мало известный английский физик сразу приобрел популярность. В науку вошло понятие: эффект Джозефсона.

Представьте себе две пленки из металлов, разделенные слоем изолятора. В такой системе электроны обоих металлов отделены друг от друга как бы глухой стенкой: изолятор ведь не пропускает электрический ток.

Но оказывается, что при определенных условиях электрон может проходить и через «глухую стену». Это позволяют законы квантовой механики, которые, как мы не раз уже убеждались, весьма отличаются от законов, управляющих движением больших тел. Если изоляционный слой достаточно тонкий (его толщина не должна превышать нескольких нанометров), то при подключении пленок к полюсам электрической батареи в цепи возникает слабый электрический ток. Такой контакт между металлами — получил название туннельного.

Особо интересные явления наблюдаются, если туннельный контакт состоит из двух сверхпроводников.

Тогда при прохождении через контакт тока, величина которого не превышает некоторое критическое значение, на контакте падения напряжения не возникает: в цепи протекает незатухающий постоянный электрический ток. Это явление получило название стационарного эффекта Джозефсона.

Эффект Джозефсона: 1 — сверхпроводник; 2 — изолятор; 3 — вольтметр; 4 — амперметр. А — при прохождении через туннельный контакт сверхпроводящего тока, величина которого меньше критического, напряжение на контакте равно нулю. В цепи протекает незатухающий ток. Б — при прохождении через туннельный контакт тока, величина которого больше критического, на контакте возникает падение напряжения, и происходит излучение электромагнитных волн.

Если же величина тока превышает критическую, то на контакте возникает падение напряжения. При этом наблюдается излучение электромагнитных волн. Иными словами, при постоянной разности потенциалов возбуждается переменный ток. Это так называемый нестационарный эффект Джозефсона.

Эффект Джозефсона наблюдается также, если разделить два сверхпроводника слоем нормального, то есть не сверхпроводящего, металла. В этом случае «стенка» может быть сравнительно «толстой» — в десятки и сотни нанометров.

Существуют и другие способы создания контактов, в которых проявляется эффект Джозефсона.

Вот некоторые из них.

Проволоку из сверхпроводника, например ниобия, заостряют, а затем острие прижимается к куску ниобия. Получается так называемый точечный сверхпроводящий контакт.

Между двумя сверхпроводниками можно проложить своеобразный «мост» — микроскопическое сужение (его площадь равна примерно одному квадратному микрометру) между двумя сверхпроводящими пленками.

Это соединение так и называется мостиковым контактом.

Общим для всех перечисленных систем является наличие «слабого» звена или, иными словами, слабой связи между двумя сверхпроводниками. Поэтому они получили название слабо связанных сверхпроводников.

Примечательно, что двадцатидвухлетний студент Кембриджского университета Брийан Джозефсон открыл в 1962 году эффект, названный его именем: он его вычислил на основании теории сверхпроводимости.

В 1963 году американские физики П. Андерсон и Дж. Роуэл экспериментально доказали наличие стационарного эффекта Джозефсона. А в 1965 году харьковские ученые И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко впервые обнаружили электромагнитное излучение, возбуждаемое при появлении напряжения на контакте Джозефсона.

За свое открытие Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.

Напомним, что при прохождении через джозеф- соновский контакт тока, величина которого меньше критической, падение напряжения на переходе равно нулю. Если же величина тока превышает критическую, то на переходе возникает падение напряжения.

Значит, элемент Джозефсона имеет два устойчивых состояния: наличие и отсутствие напряжения.

В криотронах Джозефсона, созданных на основе слабой связи, время переключения равно сотым долям наносекунды, что в тысячу раз меньше, чем у пленочных криотронов. Энергия, затрачиваемая на единичное переключение, чрезвычайно мала. Чтобы выразить ее в долях джоуля, пришлось бы после запятой перед первой значащей цифрой написать семнадцать нулей.

Математики в таких случаях применяют сокращенную запись, используя отрицательную степень. Итак, энергия, затрачиваемая на единичное переключение криотрона Джозефсона, равна 10^-18 джоулей! При этом на площади в один квадратный сантиметр могут быть размещены свыше тысячи элементов.

Все эти качества слабых сверхпроводников открывают прекрасные перспективы в области разработки новых поколений компьютеров, отличающихся компактностью и быстродействием.

В последнее время в руководствах и справочниках по измерительной технике все чаще можно встретить загадочное для непосвященных слово: сквид.

Что такое сквид?

Это название произошло из начальных букв английских слов SQID (Superconducting Quantum Interference Device), что в переводе на русский язык значит: сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство.

Сами квантовые свойства сверхпроводящего состояния были известны задолго до открытия эффекта Джозефсона.

Создание приборов, в которых используется это явление, оказалось возможным лишь после открытия слабой сверхпроводимости.

Представьте себе, что обычный сверхпроводящий контур, не содержащий туннельного контакта, находится во внешнем магнитном поле. При изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре изменяется так, чтобы магнитный поток, создаваемый этим током, компенсировал изменение внешнего магнитного потока. Таким образом, суммарный магнитный поток, пронизывающий площадь сверхпроводящего контура, все время остается постоянным. Изменить его, не переводя контур из сверхпроводящего в нормальное состояние, невозможно. Поэтому говорят, что магнитный поток «заморожен» в сверхпроводящем контуре.

Если же включить в сверхпроводящий контур контакт Джозефсона, то внешний магнитный поток использует это «слабое место» и будет внедряться в сверхпроводящий контур отдельными порциями — квантами.

При этом магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется скачкообразно на очень маленькую величину (напомним, что один квант магнитного потока равен двум десятимиллионным гаусса на квадратный сантиметр). Однако скорость изменения этого потока чрезвычайно велика. Ее можно измерить, например, по величине электродвижущей силы индукции, наведенной в специальной измерительной катушке.

Прибор, содержащий такой контур, очень тонко чувствует магнитное поле. Контакты Джозефсона включаются в контур параллельно. Происходит своеобразная интерференция сверхпроводящих токов, способствующая феноменально большому увеличению чувствительности прибора.

Сверхпроводящие квантовые интерференционные магнитометры способны измерять поля с точностью до 10^¹⁶ тесла. Они значительно чувствительнее обычных магнитометров.

В геофизике сверхпроводящие магнитометры используются для исследования магнитного поля Земли. Геологам они оказывают неоценимую помощь при разведке месторождений полезных ископаемых. Они незаменимы, когда приходится вести научные исследования с очень слабыми магнитными полями.

Имеются данные, что магнитное поле вдоль линий разломов земной поверхности изменяется за несколько дней до начала землетрясения. Возможно, что сквиды будут использовать для предсказания землетрясений.

Прекрасным прибором для регистрации излучения в инфракрасной части спектра является сверхпроводящий болометр. Он содержит тонкую проволоку или фольгу из сверхпроводящего материала. Температура проволоки ниже критической. Вследствие поглощения излучения температура повышается и становится больше критической. Сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление. Возникающее при этом падение напряжения на проволоке измеряется с помощью потенциометра.

Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором. С его помощью удается измерять мощность до триллионных долей ватта. Такой прибор чувствует тепло, излучаемое пламенем свечи, находящейся на расстоянии в один километр!

Успехи в разработке сквидов, достигнутые за последние десятилетия, способствовали созданию новой области магнитных измерений, например биомагнетизма, изучающего слабые магнитные поля, возникающие в биологических объектах — и в первую очередь в человеческом организме.

Электрические методы измерений уже давно применяются в медицине для контроля работы сердца и других органов человека. Использование в этой области магнитных методов стало возможным, когда появился высокочувствительный детектор магнитного поля — сквид.

Преимущество магнитных методов измерения перед электрическими бесспорно. Для выполнения магнитных измерений не нужны контакты. С помощью магнитных методов можно изучать эффекты, которые при электрических измерениях искажаются в результате изменения потенциала в месте контакта электрода с кожей.

Магнитные поля возбуждаются токами, величина которых, как правило, больше во внутренних органах человека, чем в кожном покрове. Используя их, можно получить информацию о деятельности внутренних органов, не искаженную влиянием более слабых токов, протекающих в промежуточной области.

Существуют и другие измерительные приборы, основанные на сверхпроводимости.

Исследователи получили возможность изучать явления, до сих пор недоступные нашему восприятию из?за недостаточной чувствительности существующих приборов.

«Наука начинается там, где начинают измерять», — писал выдающийся русский ученый Д. И. Менделеев.

Морская богиня Фетида, мать храбрейшего из героев Троянской войны — Ахиллеса, как повествует древнегреческий миф, допустила роковую оплошность.

Желая сделать сына бессмертным, она окунула его в священные воды Стикса. Однако пятка, за которую Фетида его держала, осталась уязвимой. Ахиллес погиб от стрелы Париса, поразившей его пятку. Отсюда выражение «ахиллесова пята» означает: уязвимое место.

Ахиллесовой пятой сверхпроводников была необходимость охлаждать их до немыслимо низких температур с помощью жидкого гелия.

Создав сверхпроводники, способные «жить» в жидком азоте, ученые преодолели эту «оплошность» природы.

Применение керамических высокотемпературных сверхпроводников в технике сильных токов пока ограничено из?за сравнительно небольшой плотности критического тока и недостаточно отработанной технологии изготовления из них проводов и кабелей.

Но для использования сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, в приборах на слабосвязанных сверхпроводниках и в вычислительной технике практически никаких ограничений нет. Технология изготовления сверхпроводящих керамических пленок освоена достаточно хорошо.

Созданы опытные образцы сквидов и других приборов, основанных на эффекте Джозефсона, охлаждаемых уже жидким азотом. Примечательно, что жидкий азот в них выполняет двойную функцию: охлаждает проводник до состояния сверхпроводимости и снижает уровень шумов.

Известно, что все основные элементы и узлы суперкомпьютеров нового поколения на слабосвязанных сверхпроводниках уже разработаны. Единственное серьезное препятствие для внедрения — непомерно высокая цена и технические трудности, связанные с необходимостью охлаждения жидким гелием. Те же самые элементы и узлы при замене ниобия иттрий — бариевой или висмутовой керамикой смогут успешно действовать в жидком азоте.

Американские ученые установили, что по сверхпроводящей линии связи, на основе пленок из иттрий — бариевой керамики, информация может передаваться со скоростью тысяча миллиардов бит в секунду. Это значит, что быстродействие ЭВМ повысится в тысячи раз.

По прогнозам специалистов, промышленное изготовление силовых сверхпроводящих проводов и кабелей, охлаждаемых жидким азотом для использования в электротехнике и мощных сверхпроводящих устройствах, удастся освоить уже в ближайшее время.

Тогда «летящие» железнодорожные составы и океанские лайнеры, а также многие другие устройства, связанные с использованием сверхпроводимости, станут обыденным явлением. Всего один час понадобится, например, для поездки на магнито- плане из Москвы в Ленинград, то есть такое же время, которое мы сейчас затрачиваем только для того, чтобы добраться до аэродрома.

Теоретически магнитоплан, помещенный в вакуумированный трубопровод, может развить скорость, сопоставимую с космической… Эта идея легла в основу разрабатываемого в США проекта «Планетран». Предлагается соединить подобным вакуумированным тоннелем оба американских побережья. Разработчики надеются, что поезда смогут развивать скорость до шести километров в секунду. Расстояние от Атлантики до Тихого океана, длиной в несколько тысяч километров, «космический» поезд пролетит за считанные минуты.

И если могут лететь железнодорожные составы, то почему не полететь самому человеку, подобно птице? Об этом люди мечтали еще во времена глубокой древности.

Вообразите гору, покрытую сверхпроводящей пленкой. Вы встаете на лыжи, по внешнему виду напоминающие обычные, но изготовленные из специального магнитного сплава.

Подъемник доставляет вас к исходному пункту сверхпроводящей горнолыжной трассы. Оттолкнувшись палками, вы отрываетесь от земли и с захватывающей дух скоростью летите над склоном горы, словно у вас за спиной выросли крылья.

Такой проект уже сегодня технически вполне осуществим, но требует слишком больших затрат.

Однако когда будет освоена сверхпроводимость при комнатной температуре, станут реальными самые дерзновенные проекты.

Гигантские термоядерные реакторы со сверхпроводящими магнитами смогут вырабатывать электрическую энергию из морской воды, и эта энергия будет передаваться по подземным сверхпроводящим электрическим кабелям в самые отдаленные местности без потерь. Избыток дешевой энергии породит изобилие материальных благ, производимых на полностью автоматизированных фабриках и заводах, оснащенных сверхпроводящими гибкими производственными системами.

Сверхпроводящие суперкомпьютеры новейшего поколения, обладающие феноменальным быстродействием, практически неограниченной памятью, способные выполнять интеллектуальные функции, помогут ученым и инженерам решать в кратчайшие сроки сложнейшие научно — технические задачи.

Очистительные установки со сверхпроводящими магнитами образуют непреодолимые барьеры вредным веществам промышленных стоков. Высокоскоростные бесшумные сверхпроводящие электробусы и электромобили заменят автомашины с бензиновыми двигателями, засоряющие атмосферу выхлопными газами. Воздух и вода планеты обретут первозданную чистоту.

Магнитные сверхпроводящие экраны защитят жителей обитаемых спутников Земли от мощных всплесков потоков заряженных частиц из космоса.

Сверхпроводимость явится одной из важнейших основ техники грядущего общества.

И уже сегодня в замечательных сверхпроводящих устройствах, о которых рассказано в книге, угадываются контуры научно — технической революции новой эры цивилизации.