Kvant. Компьютер

Варламов А.А. Компьютер — в холодильнике?! //Квант. — 1990. — № 5. — С. 55-57.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Каким вы представляете себе суперкомпьютер XXI века? Размером с небоскреб? Вряд ли. Так могли думать люди лет тридцать назад, когда появляющиеся электронные монстры работали на лампах или, в лучшем случае, на транзисторах и действительно занимали целые залы. Сегодняшние же компьютеры по размерам становятся все меньше и меньше.

Теперь самое время вспомнить, что при протекании по проводникам даже слабых токов выделяется джоулево тепло, происходит, как говорят, диссипация (рассеяние) энергии. Поэтому сверхминиатюризация неизбежно должна привести к перегреву и невозможности работы компьютера. Где же выход из этого тупика?

Одним из видимых сегодня путей является создание компьютеров следующих поколений на сверхпроводящих элементах, диссипация энергии в которых практически полностью отсутствует. О чудесном явлении протекания тока без сопротивления, называемом сверхпроводимостью, и пойдет речь в этой заметке.

Впервые о сверхпроводимости стало известно 28 апреля 1911 года, когда голландский ученый Г. Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил о только что обнаруженном им поразительном эффекте — исчезновении электрического сопротивления ртутного образца, охлажденного с помощью жидкого гелия до рекордно низкой по тем временам температуры — до 4,15 К. Это явление резко противоречило сложившимся классическим представлениям об электронных свойствах металлов.

Сверхпроводимость стали интенсивно изучать. Вскоре выяснилось, что равенство нулю сопротивления сверхпроводника, по-видимому, выполняется не приблизительно, а строго (так, ток, возбужденный в сверхпроводящем кольце, мог циркулировать в нем годами, не изменяясь по величине). Обнаружились и другие удивительные свойства. Например — полное вытеснение магнитного поля из объема проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние (это явление имеет место при не слишком сильных полях). Существенно расширился и ряд известных сверхпроводящих металлов. Перспективы практического применения обнаруженного явления казались безграничными: линии передачи энергии без потерь, сверхмощные магниты, сверхэнергоемкие аккумуляторы, новые виды транспорта...

Однако на пути реализации всех этих проектов стали два, непреодолимых, как казалось, препятствия. Первое — это чрезвычайно низкие температуры, при которых наблюдалась сверхпроводимость. Так, за 75 лет исследований во многих лабораториях мира критическую температуру — так называют температуру перехода вещества в сверхпроводящее состояние — удалось повысить лишь до 23 К. «Рекордсменом» стал в 1973 году сплав Nb₃Ge. Это обстоятельство делало нерентабельными почти все направления использования сверхпроводимости ввиду дороговизны необходимого для охлаждения дефицитного жидкого гелия.

Но было и второе препятствие — уже упоминавшаяся «боязнь» сверхпроводников проникновения в их объем магнитных полей. Причина такой «нелюбви» понятна — согласно закону электромагнитной индукции, проникновение поля привело бы к возникновению в сверхпроводнике бесконечно большого тока, который он пропустить просто не в состоянии. Однако, если «сверхпроводящие» токи возникнут в приповерхностном слое проводника, то своим магнитным полем они смогут полностью скомпенсировать внешнее поле. До определенного момента сверхпроводники так и «поступают», но затем «сдаются» и скачком переходят в нормальное, несверхпроводящее, состояние даже при низкой температуре (строго говоря, так ведут себя только так называемые сверхпроводники первого рода, но долгое время исследовались именно они, а о существовании иных просто не было известно). Это препятствие оказалось даже более неприятным, чем необходимость низких температур. И действительно, магнитное поле всегда сопутствует протеканию тока, следовательно, по сверхпроводнику невозможно пропустить достаточно большой ток, не разрушив при этом само сверхпроводящее состояние.

Несмотря на эти удручающие обстоятельства, ученые продолжали исследовать явление сверхпроводимости и накапливать данные о свойствах сверхпроводников. Неясным и загадочным оно оставалось на протяжении почти полувека. Лишь в 1957 году была создана последовательная' микроскопическая теория, объяснившая удивительные свойства большинства из известных сверхпроводников. Явление сверхпроводимости оказалось связанным с возникновением в некоторых металлах своеобразного притяжения между электронами. Да, да, не удивляйтесь, именно притяжения, хотя электроны и одинаково заряженные частицы. Природа этого притяжения носит сугубо квантовый характер и тесно связана с взаимодействием электронов с окружающей их кристаллической решеткой. Благодаря такому притяжению, при достаточно низких температурах часть электронов в металле объединяются в так называемые куперовские пары (по имени их первооткрывателя Л. Купера). Они пребывают в особом квантовом состоянии, таком, что могут переносить электрический ток, не взаимодействуя при этом с кристаллической решеткой, а следовательно, не выделяя тепла. Для электронов, образующих куперовскую пару, взаимодействие с решеткой уже как бы реализовалось (объединением их в пару), и теперь они составляют «касту неприкасаемых». Удивительно, что размеры таких пар в атомном масштабе весьма велики — они могут достигать сотен и даже тысяч межатомных расстояний. Так что куперовскую пару следует представлять скорее не как двойную звезду, вращающуюся относительно ее центра масс, а как двух партнеров, которые вместе пришли на дискотеку, но, разделенные десятками других танцоров, танцуют в разных концах зала.

Создание теории сверхпроводимости послужило мощным импульсом к дальнейшим исследованиям этого явления. Примерно в то же время пало одно из двух главных препятствий на пути его практического применения — были открыты так называемые сверхпроводники второго рода, которые, частично впуская в себя магнитное поле (в виде отдельных вихрей), все же сохраняли свойство бездиссипативного протекания тока. Сверхпроводящие магниты пришли в лаборатории и на производство, однако их функционирование по-прежнему требовало дефицитного и дорогого жидкого гелия.

Высокотемпературная сверхпроводимость стала своеобразным Эльдорадо для физиков 60—80-х годов, но на протяжении длительного времени ее «поиски» оставались безрезультатными.

Открытый в 1973 году сплав Nb₃Ge с критической температурой Т=23 К в течение 14 лет оставался рекордсменом, которому было еще очень далеко до желанного «азотного барьера», т. е. до возможности получения сверхпроводимости при охлаждении дешевым жидким азотом с температурой кипения (при атмосферном давлении) 77 К. И вот, в 1986 году весь мир (и, ввиду важности открытия, не только физический) облетела весть об открытии высокотемпературной сверхпроводимости. Обладателями этого свойства оказались керамические (!) соединения (вначале весьма капризные к способу их изготовления). Замечательно, что до тех пор все сверхпроводящие материалы в нормальном состоянии были металлами, хорошо проводящими электрический ток, керамические же вещества в нормальном состоянии проводили ток значительно хуже.

За короткое время критические температуры в новом классе сверхпроводников были подняты от 30 до 95 К, а затем и до 120—125 К. Сегодня явление сверхпроводимости при азотном охлаждении можно демонстрировать без особых ухищрений даже в школьном физическом кабинете.

Похоже, что сверхпроводящий компьютер XXI века из мечты становится близким будущим. Важный шаг для этого уже сделан.