Как сделать магнитную ловушку
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 04.10.2024
В Новосибирске ученые Института ядерной физики имени Будкера СО РАН подвели первые итоги работы экспериментальной установки СМОЛА – название расшифровывается как "Спиральная магнитная открытая ловушка". Опыты с этой "ловушкой для плазмы" – шаг к созданию одного из вариантов термоядерного реактора и разработке плазменных космических двигателей.
Но как скоро изыскания физиков воплотятся в реальной жизни – зависит не только от ученых, но и от финансирования исследований. А с этим – серьезные проблемы.
Миллиард градусов по Цельсию
Основным источником энергии в нашем мире по-прежнему остается сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы не бесконечны, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Поэтому во всем мире давно задумались о переходе к термоядерной энергетике, в которой не будет радиоактивных отходов с большим периодом полураспада и выбросов CO₂ в атмосферу. Только экологически чистое производство. Сейчас уже говорят даже о "термоядерной энергетической гонке", в которой участвуют разные страны, крупнейшие научные институты и менее известные пока стартапы. Переход к термоядерной энергетике, уверяют ученые, – дело ближайших десятилетий. Уже совсем скоро, говорят они, можно будет добывать почти неограниченную энергию из "миниатюрных солнц". Речь идет о реакторах термоядерного синтеза, которые могут дать много дешевой и чистой энергии.
И установка СМОЛА, разработанная новосибирскими физиками, – важный шаг к этому термоядерному будущему.
– Запасы ископаемого топлива неизбежно подойдут к концу в ближайшие десятилетия. А значит, человечеству необходим новый источник энергии, – говорит Александр Иванов, заместитель директора Института ядерной физики СО РАН, доктор физико-математических наук. – Таким источником мог бы стать термоядерный реактор, топливом для которого служит обычная океанская вода. Термоядерная реакция происходит при слиянии ядер двух тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития. Количество выделяемой при этом энергии в миллионы раз превышает то, которое можно получить при сжигании ископаемого топлива.
Главная проблема заключается в том, продолжает ученый, что термоядерная реакция проходит при очень высокой температуре – это миллионы, даже миллиарды градусов по Цельсию.
– Любое вещество при такой температуре переходит в четвертое агрегатное состояние – плазму. Никакими материальными стенками ее не удержать, – объясняет Александр Иванов. – На Солнце плазма удерживается гравитационным полем. А на Земле для решения этой задачи решили использовать магнитное.
Еще в середине прошлого века советские физики выступили с идеей создания "магнитных ловушек" для плазмы. Можно сказать, что те ловушки – далекие предки СМОЛА.
– В 50-е годы предложено было два типа магнитных ловушек – замкнутые и открытые. Эти ловушки способны довольно долго удерживать плазму, разогретую до чудовищных температур, – рассказывает Александр Иванов.
Токамак – или тороидальная камера с магнитными катушками – так еще называют замкнутую ловушку. Ее идею в 1950 году предложили Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Концепция заключалась в том, чтобы свернуть магнитное поле в кольцо или "бублик". В токамаках плазма удерживается не стенками конструкции, а специально создаваемым магнитным полем, полем тока, протекающего по плазменному шнуру.
С 1980 годов физики из разных стран мира работают преимущественно с закрытыми ловушками, токамаками. Так, во Франции с 2008 года идет строительство международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР на основе токамака (Россия тоже участвует в этом проекте). Реактор ИТЭР должен стать первой в мире установкой, в которой будет протекать контролируемая термоядерная реакция.
А вот в Институте ядерной физики СО РАН пошли по другому пути.
От винта!
Новосибирские ученые решили улучшить конфигурации второго типа магнитных ловушек – открытых. Антон Судников, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ, поясняет: исследователи надеются доказать преимущества именно открытых форм в удержании плазмы.
– В нашем институте основное направление – это ловушки линейного типа, открытые, – говорит Антон Судников. – В середине ХХ века их концепцию независимо друг от друга предложили советский ученый Герш Будкер и американский физик Роберт Пост. Магнитное поле в открытой ловушке почти прямое, оно очень хорошо удерживает плазму. Но есть два конца, через которые плазма вытекает, входит в контакт со стенкой ловушки. Так происходит резкий спад температуры – от миллиарда градусов до температуры стенки – и, следовательно, потеря энергии. А чем больше энергии мы теряем, тем больше нужно вкладывать мощности. Представьте себе воздушный шарик, у которого на концах две маленькие дырочки. Чем сильнее мы их зажимаем, тем меньше потери. За десятки лет работы по термоядерному синтезу и по открытым ловушкам в частности было предложено множество способов, как избежать потери энергии. Какие-то работали лучше, какие-то хуже.
В 2013 году ведущий научный сотрудник ИЯФ Алексей Беклемишев предложил создать спиральное магнитное поле на торцах открытой магнитной ловушки. Когда на спиральных участках создается электрическое поле определенного направления, можно либо выталкивать плазму из ловушки, либо, наоборот, закачивать ее обратно, улучшая удержание. Чтобы понять, как это работает, можно представить винт от мясорубки.
Но шесть лет назад предложение Беклемишева было лишь гипотезой.
– Мы заинтересовались этой работой, посчитали, как должна выглядеть самая маленькая установка, на которой концепцию можно проверить, – говорит Антон Судников. – Оформили работу как часть большой заявки на грант Российского научного фонда, выиграли его и построили установку СМОЛА.
В прошлом году ученые начали первые эксперименты по удержанию плазмы и сразу же увидели, что гипотеза работает. За год работы новосибирским физикам удалось в четыре раза уменьшить поток плазмы в установке.
– Теперь нам нужно найти тот режим, при котором удержание плазмы спиральным магнитным полем наиболее эффективно, – объясняет Судников.
Ученые рассчитывают, что открытые магнитные ловушки следующих поколений будут удерживать плазму еще лучше. И это станет этапом разработки более масштабной установки, газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). А дальше откроются и возможности для создания экологичного термоядерного реактора. И хотя это дело будущего, результаты, полученные на СМОЛА, внушают оптимизм ее создателям.
Кстати, это будущее не столь уж и отдаленное. По словам Антона Судникова, уже через одно-два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов. При этом, объясняет ученый, такие реакторы будут более "чистыми" и надежными в плане радиационной защиты, чем те, что создаются на основе токамаков, то есть закрытых ловушек.
Винтовые ловушки, рассказывает Судников, могут применяться для исследования реакции материалов на контакт с плазмой. Могут использоваться и при создании атомных электростанций. Но особое место отводится им при решении задач "космического масштаба".
Космические задачи
Во время экспериментов со СМОЛА подтвердилось еще одно предположение: вытекание горячей плазмы создает тягу, которую можно усилить, подобрав нужную величину и направление радиального электрического поля в секциях со спиральным магнитным полем. Решение этой задачи приблизит физиков к созданию плазменных космических двигателей.
– Уже существуют плазменные ракетные двигатели, некоторые работают в диапазоне мощности 10–20 киловатт. Сейчас самый большой космический аппарат – это Международная космическая станция. Суммарная мощность ее солнечных батарей – порядка 80 киловатт, – говорит Антон Судников. – Для полета на низких орбитах или вывода спутников на геостационарную орбиту таких двигателей вполне достаточно.
Уже через два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов
При взлете ракеты с Земли, продолжает ученый, нужно, чтобы двигатель на химическом топливе создал большую тягу и как можно быстрее "вытащил" аппарат на орбиту в безвоздушное пространство. При этом расходуется много топлива.
– В ближайшие 15 лет возникнут задачи уже другого масштаба: быстрые перелеты к другим планетам, исследование пояса астероидов. Это потребует и новых источников энергии, и новых двигателей мегаваттного уровня мощности с большой регулируемой тягой и достаточно экономичных, – говорит Судников. – Перед нами стоит задача изучить возможность такого создания двигателя. Сейчас американская компания Ad Astra Rocket разрабатывает прототип подобного двигателя. Наша идея направлена на решение тех же задач.
Но прежде чем начать сооружение специализированной установки для создания плазменного двигателя, нужно детально изучить процессы, протекающие в СМОЛА, уточняет Александр Иванов.
– Применение открытой ловушки в качестве двигателя – это для нас новый вызов, – говорит Александр Иванов. – Но чтобы приступить к следующему этапу работы, надо решить еще одну проблему – найти финансовые ресурсы. Вложения нужны серьезные. И сейчас мы занимаемся поиском партнеров.
"На наш век не хватит"
Несмотря на то что Россия входит в тройку стран – лидеров по работам в области физики плазмы, по многим направлениям российская наука отстает из-за проблем с финансированием.
– В нашей стране эффективное использование результатов научных исследований в реальной жизни – большая проблема, – говорит Александр Иванов. – Чтобы превращать научные идеи в работающие установки, недостаточно талантливых физиков и инженеров – должен быть интерес со стороны крупных компаний. Такая практика сотрудничества науки и бизнеса развита в США. Например, инвесторы частной компании Tri Alpha Energy чрезвычайно заинтересованы в создании термоядерного реактора на основе открытой ловушки. Они уже вложили в разработки миллионы долларов и семимильными шагами движутся к цели – строят третье поколение установки, с каждым разом улучшая ее параметры.
В России такой практики нет, признаются ученые.
– У нас совершенно не развито партнерство между институтами, которые занимаются фундаментальными исследованиями, и бизнесом. Но вопрос не только в отсутствии ресурсов, но и в низкой заинтересованности общества в использовании научных результатов, – говорит Александр Иванов. – Проблема термоядерного синтеза для широких масс звучит как далекая фантазия. У людей есть иллюзия, что энергетических ресурсов пока в избытке – на наш век хватит. А думать на несколько десятилетий вперед у нас, к сожалению, пока не принято.
Чтобы превращать научные идеи в работающие установки, недостаточно талантливых физиков – нужен интерес со стороны бизнеса и общества
Когда научному сообществу были представлены первые результаты установки СМОЛА, председатель СО РАН академик Валентин Пармон заявил: "Институт ядерной физики просто уникален, потому что он один из немногих в Сибирском отделении, кто может совершать такие большие прорывы. Если значимый результат есть, то подключаются и государственные источники финансирования, и международные, но сначала нужно его показать". И это, в общем, дает надежду на то, что проект новосибирских ученых обретет партнеров.
– Уже сейчас ясно, что в конце нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего. Очень важно, чтобы такая перспективная наука развивалась, нужно, чтобы присутствовала не только генерация идей, но и возможность очень быстрой их реализации, – говорит Антон Судников.
МАГНИ́ТНЫЕ ЛОВУ́ШКИ, конфигурации магнитного поля, способные удерживать заряженные частицы или плазму. Естественной М. л. является, напр., магнитное поле Земли. Плазма солнечного ветра, захваченная земным магнитным полем, образует радиационные пояса Земли . М. л. используются как для науч. исследований, так и в практич. целях, наиболее важная из которых – создание термоядерного реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза .
конфигурации магнитного поля (См. Магнитное поле), способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри определённого объёма пространства. М. л. природного происхождения является магнитное поле Земли; огромное число захваченных и удерживаемых им космических заряженных частиц высоких энергий (электронов и протонов) образует Радиационные пояса Земли за пределами её атмосферы В лабораторных условиях М. л. различных видов исследуют главным образом применительно к проблеме удержания смеси большого числа положительно и отрицательно заряженных частиц — плазмы (См. Плазма). Совершенствование М. л. для плазмы направлено на осуществление с их помощью управляемой термоядерной реакции (См. Термоядерные реакции), в которой ядерная энергия лёгких элементов высвобождается не в виде мощного взрыва, а сравнительно медленно, в ходе контролируемого и регулируемого человеком процесса (см. Управляемый термоядерный синтез).
Для того чтобы быть М. л., магнитное поле должно удовлетворять определённым условиям. Известно, что оно действует только на движущиеся заряженные частицы. Скорость частицы v в любой точке всегда можно представить в виде геометрической суммы двух составляющих — v^, перпендикулярной к напряжённости Н магнитного поля в этой точке, и v||, совпадающей по направлению с Н. Сила F воздействия поля на частицу, так называемая Лоренца сила, определяется только v^ и не зависит от v||. В СГС системе единиц (См. СГС система единиц) F по абсолютной величине равна v^H, где c — скорость света, е — заряд частицы. Сила Лоренца всегда направлена под прямым углом как к v^, так и к v|| и не изменяет абсолютных величины скорости частицы, однако меняет направление этой скорости, искривляя траекторию частицы. Наиболее простым является движение частицы в однородном магнитном поле (Н повсюду одинакова по величине и направлению). Если скорость частицы направлена поперёк такого поля (v = v^), то её траекторией будет окружность радиуса R (рис. 1, а). Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (См. Центростремительная сила) (равной mv 2 ^ / R, m — масса частицы), что даёт возможность выразить R через v^ и Н : R = v^ / wн, где wн = eH / mc. Окружность, по которой движется заряженная частица в однородном магнитном поле, называется ларморовской окружностью, её радиус — ларморовским радиусом (Rл), а wн — ларморовской частотой. Если скорость частицы направлена к полю под углом, отличающимся от прямого, то, кроме v^, частица обладает и v||. Ларморовское вращение при этом сохранится, но к нему добавится равномерное движение вдоль магнитного поля, так что результирующая траектория будет винтовой линией (рис. 1, б).
Рассмотрение даже этого простейшего случая однородного поля позволяет сформулировать одно из требований к М. л.: её размеры должны быть велики по сравнению с Rл, иначе частица выйдет за пределы ловушки. Так как Rл убывает с возрастанием Н, то удовлетворить этому условию можно не только увеличением размеров М. л., но и увеличением напряжённости магнитного поля. При экспериментах в лабораториях идут по второму пути, в то время как в природных условиях, не стеснённых человеческими масштабами, чаще возникают М. л. с протяжёнными, но сравнительно слабыми полями (например, радиационный пояс Земли).
Далее, малость Rл обеспечивает ограничение движения частицы в направлении поперёк поля, но его необходимо ограничить и в направлении вдоль силовых линий поля. В зависимости от метода ограничения различают два типа М. л.: тороидальные и зеркальные (адиабатические).
М. л. для плазмы. Если заполнять М. л. частицами одного вида (например, электронами), то по мере накопления этих частиц увеличивается создаваемое ими электрическое поле. Сила электростатического отталкивания одноимённых зарядов растет, и эффективность ловушки падает. Поэтому заполнить М. л. с достаточно большой плотностью можно только смесью частиц разных зарядов (например, электронов и протонов), взятых в таком соотношении, чтобы их общий электрический заряд был близок к нулю. Такая смесь заряженных частиц называется плазмой (См. Плазма).
Существуют и иные механизмы стабилизации желобковой неустойчивости. Например, в радиационных поясах Земли она стабилизируется за счёт электрического контакта плазмы с ионосферой (См. Ионосфера): заряженные частицы ионосферы могут компенсировать электрические поля, возникающие в радиационных поясах. Борьба с желобковой и другими видами неустойчивости плазмы составляет одну из основных задач лабораторных исследований М. л.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, М., 1966; Роуз Д. — Дж., Кларк М., физика плазмы и управляемые термоядерные реакции, перевод с английского, М., 1963.
Рис. 1. В однородном (H=const) магнитном поле заряженная частица движется по окружности, если её скорость направлена поперёк поля (а), и по винтовой линии, если скорость частицы, кроме поперечной v⊥, имеет и продольную (по полю) составляющую v|| (б). R — радиус окружности (ларморовский радиус).
Рис. 4. Простейшая адиабатическая магнитная ловушка. Стрелки указывают направления тока в коаксиальных катушках.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Полезное
Смотреть что такое "Магнитные ловушки" в других словарях:
Магнитные ловушки — Магнитные ловушки. Схемы тороидальных магнитных ловушек: а токамак; б стелларатор. Стрелки показывают направление токов. МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ, конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магнитного поля, способные длит. время удерживать заряж. ч цы внутри определ. объёма пр ва. М. л. природного происхождения явл. магн. поле Земли; огромное кол во захваченных и удерживаемых им косм. заряж. ч ц высоких энергий (эл нов… … Физическая энциклопедия
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магн. поля, способные длительное время удерживать заряж. частицы или плазму в ограниченном объёме. Естеств. М. л. является, напр., магн. поле Земли, захватившее плазму солнечного ветра и удерживающее её в виде радиац. лоясов Земли.… … Физическая энциклопедия
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магнитных полей, способные длительное время удерживать заряженные частицы плазмы внутри определенного объема. Магнитные ловушки созданы в лабораториях с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Природная магнитная… … Большой Энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магнитного поля, способные улавливать и длительное время удерживать заряженные частицы внутри определённого объёма пространства. Магнитное поле Земли является естественной М. л. для множества космических заряженных частиц (электронов … Большая политехническая энциклопедия
магнитные ловушки — конфигурации магнитных полей, способные длительное время удерживать заряженные частицы плазмы внутри определенного объёма. Магнитные ловушки созданы в лабораториях с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Природная магнитная… … Энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магн. полей, способные длит. время удерживать заряж. частицы плазмы внутри определ. объёма. М. л. созд. в лабораториях с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Природная М. л. магн. поле Земли … Естествознание. Энциклопедический словарь
МАГНИТНЫЕ ЗЕРКАЛА — (магнитные пробки), (см. МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. МАГНИТНЫЕ ЗЕРКАЛА … Физическая энциклопедия
Плазма — (от греч. plásma вылепленное, оформленное) частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь… … Большая советская энциклопедия
Радиационные пояса Земли — внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (Протоны, Электроны, Альфа частицы), обладающие кинетической энергией от десятков кэв до сотен Мэв (в разных областях Р. п. З. энергия… … Большая советская энциклопедия
Рис. 1. Фазовая диаграмма состояния сверхпроводников 1-го и 2-го рода, показывающая, как меняются фазы сверхпроводника при изменении температуры и индукции внешнего магнитного поля. Мейсснеровское состояние соответствует сверхпроводящей фазе, когда силовые линии магнитного поля не могут проникнуть в вещество. Смешанное или вихревое состояние означает сосуществование сверхпроводимости и нормальных несверхпроводящих тонких ниток, вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля. Такие нитки называют вихрями Абрикосова, или квантовыми вихрями (см. подробности в тексте). Рисунок Юрия Ерина
Японские ученые продемонстрировали возможность использования сверхпроводящего состояния вещества как устойчивой и стабильной магнитной ловушки для нейтральных атомов, в частности бозе-эйнштейновского конденсата. Принцип работы их устройства опирается на особенности механизма проникновения магнитного поля в некоторые сверхпроводники.
Когда речь заходит о практическом использовании явления сверхпроводимости, то в первую очередь говорят о создании очень сильных магнитов, электрических кабелей и сверхчувствительных детекторов магнитного поля — СКВИДов. В настоящее время сфера применения сверхпроводников значительно расширилась. Помимо всего прочего их начинают использовать как базовые элементы детекторов единичных фотонов инфракрасного излучения; на основе сверхпроводящей пленки ученые предлагают регистрировать гравитационные волны; сверхпроводящая полоска способна с высокой эффективностью и точностью детектировать энергию молекул. Наконец, продолжаются работы над созданием на основе сверхпроводящего джозефсоновского перехода (контакта двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем нормального металла или диэлектрика) основного элемента квантового компьютера — кубита. Существуют и другие проекты, где применяется или планирует применяться сверхпроводимость материалов. Об одном из них и пойдет речь.
Сравнительно недавно, используя сверхпроводящую тонкую пленку ниобия (Nb), японские физики создали магнитную ловушку для нейтральных атомов, в частности бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК). Свою идею они изложили в статье Stable Neutral Atom Trap with a Thin Superconducting Disc, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Перед тем как рассказать о принципах работы магнитной ловушки японских исследователей, необходимо познакомиться с некоторыми аспектами явления сверхпроводимости.
Сверхпроводники 1-го и 2-го рода
Для начала напомним, что сверхпроводимость — это нулевое сопротивление вещества и его идеальный диамагнетизм, заключающийся в выталкивании и непроникновении магнитного поля внутрь вещества. Если быть очень корректным, то магнитное поле всё-таки проникает в сверхпроводник. Но глубина этого проникновения чрезвычайно малая и составляет в лучшем случае (для некоторых веществ) порядка 100 нм. В таком тоненьком слое возбуждаются сверхпроводящие токи, которые помогают сверхпроводнику экранировать внешнее магнитное поле и не давать ему заходить глубже в материал. В этом и состоит причина идеального диамагнетизма или, как еще это явление называют, эффекта Мейсснера—Оксенфельда. Состояние идеального диамагнетизма сверхпроводника в научной литературе именуют также мейсснеровским, а экранирующие сверхпроводящие токи — мейсснеровскими.
Если при заданной температуре начать усиливать магнитное поле, то при некотором значении его индукции Bc (критическое поле) сверхпроводимость резко перестает существовать, так как мейсснеровские токи уже не способны защитить сверхпроводник от вторжения внешнего магнитного поля. Вещество из сверхпроводящего состояния переходит в нормальное (рис. 1). Материалы, которые ведут себя подобным образом, называют сверхпроводниками первого рода. К сверхпроводникам 1-го рода относятся все сверхпроводящие элементы периодической таблицы Менделеева, кроме ниобия и ванадия.
Существование вихрей предсказал в 1957 году советский физик Алексей Абрикосов. Он же показал, что вихри являются квантовыми объектами в том смысле, что несут в себе как бы одну силовую линию внешнего магнитного поля, или квант магнитного потока Ф0 = h/2e = . Из его расчетов также следовало, что квантовые вихри должны образовывать треугольную вихревую решетку (рис. 3). Такое состояние сверхпроводника 2-го рода назвали смешанным, или вихревым.
Спустя 10 лет после предсказания Абрикосова немецкие ученые в сверхпроводящем свинце получили первое изображение треугольной решетки вихрей.
Если же при заданной температуре продолжать увеличивать индукцию магнитного поля до некоего значения Bc2 (верхнее критическое поле), то вихрей станет настолько много, что их ядра начнут перекрываться, и они заполнят весь объем вещества. Как результат, сверхпроводник из смешанного состояния перейдет в нормальное.
Около года назад ученые обнаружили в дибориде магния MgB2 (Tc = 39 K) сверхпроводимость полуторного рода, предсказанную в 2003 году. Механизм проникновения магнитного поля в сверхпроводники 1,5-го рода примерно такой же, как у сверхпроводников 2-го рода. Пока индукция внешнего магнитного поля не превышает Bc1 (нижнее критическое поле), сверхпроводник находится в мейсснеровском состоянии, то есть не впускает в себя силовые линии. Выше Вc1 вихри входят в сверхпроводник, образуя не треугольную решетку, а паутинную. Дальнейшее увеличение магнитного поля изменяет паутинную вихревую решетку на чередующиеся полосы с высокой и низкой плотностью вихрей. Если же еще усилить внешнее поле, то произойдет еще одно превращение и появится знакомая уже треугольная решетка вихрей. Наконец, когда индукция превысит Bc2 (верхнее критическое поле), сверхпроводимость исчезнет по сценарию сверхпроводников 2-го рода.
В настоящее время сверхпроводимость 1,5-го рода найдена только в дибориде магния. Ученые предполагают, что к сверхпроводникам 1,5-го рода следует относить и железосодержащий сверхпроводник Ba0,6K0,4Fe2As2, однако пока что данная гипотеза не нашла своего экспериментального подтверждения.
Термомагнитная неустойчивость сверхпроводника 2-го рода
Описанное выше смешанное состояние сверхпроводников 2-го рода несколько идеализировано. Во-первых, вихри могут двигаться в сверхпроводнике. Их движение возникает из-за того, что в сверхпроводящих областях между вихрями протекают экранирующие мейсснеровские токи. Поскольку каждый вихрь несет в себе магнитный поток, то на него со стороны тока начинает действовать сила, математически (по формуле) напоминающая силу Лоренца, действующую на движущийся заряд. Эта лоренцеподобная сила заставляет вихри смещаться.
В начале 90-х годов с появлением высокоразрешающих магнитооптических микроскопов ученые начали активно исследовать обнаруженное еще в 1967 году, явление очень необычного проникновения магнитного поля в сверхпроводники в виде древовидных или ветвящихся нормальных (несверхпроводящих) структур, имеющих макроскопические размеры. Особенно хорошо древовидные образования проявляются в тонких пленках (рис. 4). Позже такое поведение сверхпроводника 2-го рода в магнитном поле ученые назвали термомагнитной неустойчивостью.
Те же древовидные структуры в 2002 году были обнаружены и в сверхпроводящем дибориде магния MgB2. В момент обнаружения ученые не знали еще, что диборид магния является сверхпроводником 1,5-го рода, поэтому по старинке его считали сверхпроводником 2-го рода.
Рис. 4. Магнитооптические изображения древовидных ветвящихся структур в тонких пленках YBaCuO при температуре 4,2 К (a), в MgB2 при температуре 3,8 К (b) и 10 К (c). На рисунке (а) темные области соответствуют нормальному состоянию YBaCuO; на рисунках (b) и (c) нормальные участки показаны в виде светлых областей. Изображения из обзора E. Altshuler и T. H. Johansen в журнале Rev. Mod. Phys.
Многочисленные исследования показывают, что в случае сверхпроводящих пленок возникновение термомагнитной неустойчивости происходит не выше определенной температуры, зависящей от материала сверхпроводника. Например, для ниобия эта температура равна 7 К. Выше нее термомагнитная неустойчивость в сверхпроводящем ниобии никогда не наблюдалась. Несмотря на большое количество экспериментальных данных, ученые не обладают законченной количественной теорией этого явления. Исследователи сходятся лишь в том, что термомагнитная неустойчивость, скорее всего, возникает по двум причинам: 1) движение незапиннингованных вихрей сопровождается выделением теплоты, что вызывает локальное увеличение температуры в месте их проникновения; 2) увеличение температуры сильно уменьшает силу пиннинга. Это способствует дальнейшему перемещению вихрей. В итоге они сливаются и образуют причудливые макроскопические структуры. Весь процесс происходит очень быстро, поэтому ученые часто говорят еще, что магнитный поток лавинообразно проник в пленку.
Магнитная ловушка для БЭК
Бозе-эйнштейновская конденсация вещества происходит при его очень сильном охлаждении (значительно ниже 1 К, фактически вблизи абсолютного нуля). Сам по себе БЭК представляет для ученых большой научный интерес как система атомов, в которой при столь низких температурах начинают проявляться квантовые эффекты. Чтобы успеть в достаточной степени изучить свойства БЭК, его необходимо удерживать в специальных ловушках. И хотя атомы по своему заряду нейтральны, большинство из них из-за особенностей внешних электронных оболочек представляют собой маленькие магниты, которые можно удерживать с помощью магнитных полей. Для этого ученые создают такую конфигурацию силовых линий, чтобы появился локальный минимум индукции суммарного магнитного поля. Атомы БЭК воспринимают этот минимум как энергетическую яму с непроницаемыми и гладкими стенами, куда они (атомы) падают и не могут затем быстро из нее выбраться (см. также Java-приложение). Простой пример магнитной ловушки — конструкция из двух параллельных колец с противоположно направленным током.
Отдельно стоит сказать о термомагнитной неустойчивости пленки. Для ниобия критическая температура Tc (температура, при которой происходит переход из нормального состояния в сверхпроводящее, или наоборот) составляет 9 К. Температура, ниже которой могут возникать древовидные структуры, — 7 К. Получается, что температурный интервал, в котором вихревая решетка пленки ниобия имеет предсказуемую (треугольную) форму, очень маленький — всего 2 К. Отсюда возникает проблема температурного контроля: чересчур сильное охлаждение может дестабилизировать магнитную ловушку — ее магнитное поле из-за непредсказуемых древовидных структур в пленке не будет устойчиво и не будет иметь желанный минимум. Однако, как продемонстрировали японские ученые, при определенных соотношениях магнитных полей термомагнитная неустойчивость может и не быть помехой для стабильности магнитной ловушки. Но об этом ниже.
Чтобы испытать на практике свою ловушку, авторы статьи с помощью пленки ниобия толщиной 400 нм, имеющей форму диска диаметром 2 мм и находящейся на сапфировой подложке, удерживали бозе-конденсат из атомов рубидия. Изначально вся конструкция находилась при температуре 15 К, то есть на 6 К выше критической температуры ниобия. Перпендикулярно пленке включалось однородное магнитное поле с индукцией Bi (величина Bi выбиралась в интервале от 1 до 1,5 мТл, миллитесла). Далее происходило охлаждение пленки до заданной температуры ниже Tc и плавное выключение внешнего поля. Затем в пространство под пленкой вносился удерживаемый обычной магнитной ловушкой (см. замечание выше о простейшей конструкции ловушки) БЭК атомов рубидия. Магнитное поле обычной ловушки выключалось, но моментально включалось другое поле Bm, также перпендикулярное пленке, но с противоположным Bi направлением силовых линий. На рис. 5 показано распределение плотности внутри атомного облака БЭК рубидия, захваченного ловушкой из сверхпроводящей пленки ниобия с Bi = 1,5 мТл и Bm = 1,25 мТл. Пленка находится в верхней части изображения.
Рис. 5. Изображение рубидиевого атомного облака с температурой 120 мкК (микрокельвинов), захваченного магнитной ловушкой, предлагаемой авторами статьи. Более красные участки изображения означают высокую плотность атомов; соответственно, синие — это участки, где атомов почти или вообще нет. Сверхпроводящая ниобиевая пленка показана вверху. Ее температура 7,4 К. Остальные параметры ловушки: Bi = 1,5 мTл (поле, которое включили первым), Bm = 1,25 мTл (второе поле). Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Казалось бы, магнитная ловушка должна обладать стабильностью лишь в очень узком температурном интервале от 7 до 9 К, в котором пленка находится в сверхпроводящем состоянии и в ней нет предпосылок для возникновения термомагнитной неустойчивости (см. выше). Однако японские ученые установили, что при температуре ниже 7 К существуют области значений индукции внешних магнитных полей Bi и Bm, при которых ловушка спокойно удерживает БЭК (рис. 6).
Рис. 6. Граница между областями, где БЭК атомов рубидия удерживался (trapping region) магнитной ловушкой и где не удерживался (no-trapping region) в зависимости от температуры Tm и включаемого вторым магнитного поля Bm. Треугольники, квадраты и круги различных цветов — это экспериментальные данные. Например, для данных, отмеченных красным кругом, индукция магнитного поля Bi, которое включается первым, фиксировалась на уровне 1,5 мТл. Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Важность данной работы состоит в том, что она показывает возможность использования сверхпроводящих пленок как хороших и надежных ловушек для атомов (правда всё-таки с существенной оглядкой на особенности поведения сверхпроводника в магнитном поле).
Источник: Fujio Shimizu, Christoph Hufnagel, Tetsuya Mukai. Stable Neutral Atom Trap with a Thin Superconducting Disc // Phys. Rev. Lett. 103, 253002 (2009).
Читайте также: