Разработана теория «сверхпроводящего» вакуума

Российский физик Максим Чернодуб, работающий в Университете им. Франсуа Рабле (Франция), установил, что действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику.

Зарегистрированное детектором CMS Большого адронного коллайдера столкновение ионов свинца, которое могло бы дать какую-то информацию о «сверхпроводящем» вакууме. (Иллюстрация ЦЕРН.)
Зарегистрированное детектором CMS Большого адронного коллайдера столкновение ионов свинца, которое могло бы дать какую-то информацию о «сверхпроводящем» вакууме. (Иллюстрация ЦЕРН.)

Объяснение свойствам традиционных сверхпроводников даёт, напомним, теория Бардина — Купера — Шриффера. Обычно механизм сверхпроводимости рассматривают на примере простой кубической кристаллической решётки, составленной из положительно заряженных ионов. При прохождении электрона самые ближние к нему ионы приобретают импульс в направлении, перпендикулярном его траектории, и смещаются. За движущимся электроном, таким образом, следует область избыточного положительного заряда, который притягивает другой электрон. Всё это заканчивается образованием связанного состояния двух электронов, куперовской пары.

Спин электрона, как известно, равен 1/2, но куперовскую пару можно считать композитным бозоном — частицей с целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, допускающей нахождение в одном квантовом состоянии нескольких частиц; следовательно, куперовским парам доступен процесс (бозе-эйнштейновской) «конденсации» в одно основное квантовое состояние. При этом разрыв одной пары, который обязательно сопровождается изменением энергий всего остального множества пар, требует значительной энергии, равной 2Δ, где Δ — так называемая сверхпроводящая щель. Ширина Δ зависит от температуры и в тот момент, когда последняя поднимается до критического значения, сравнивается с нулём, но при более низких температурах «коллективные» действия куперовских пар ведут к сверхпроводимости.

Экспериментально доказано, что сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Известен, однако, и пример более сложного взаимодействия: у соединения урана URhGe в поле с индукцией в 2 Тл сверхпроводимость уходит, а с повышением индукции до 8 Тл — возвращается. Эффект, до некоторой степени аналогичный этому, и попытался описать г-н Чернодуб.

Упоминаемый учёным вакуум нужно понимать не как среду, содержащую газ при низком давлении, а как физический вакуум, в котором постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Рождённые кварк и антикварк могут объединяться с образованием заряженного ро-мезона, среднее время жизни которого составляет 4,5•10–24 с. Если рассматривать ро-мезон как свободную частицу, на фоне однородного магнитного поля с индукцией B энергия её основного состояния выражается формулой E2(B) = m2e•B. Здесь m — масса ро-мезона (775,5 МэВ), а e — элементарный электрический заряд. При Bс = m2/e ~ 1016 Тл энергия, таким образом, сводится к нулю.

С дальнейшим повышением индукции энергия основного состояния становится чисто мнимой, и именно здесь, по расчётам автора, создаются условия для «конденсации» заряженных ро-мезонов. Результат этого аналогичен переходу в сверхпроводящее состояние, причём эффект будет сохраняться только в одном направлении — вдоль магнитного поля.

Такие вычисления не имели бы смысла, если бы время жизни ро-мезонов оставалось на прежнем уровне. Г-н Чернодуб, однако, показал, что сильное магнитное поле с индукцией около 0,36•1016 Тл «закрывает» основной канал распада ро-мезонов на заряженные пионы. Следовательно, сверхпроводящий конденсат должен быть относительно стабильным.

Всё вышесказанное относится к холодному вакууму, то есть к условию нулевой температуры. Из общих соображений можно заключить, что рост температуры должен, как и у традиционных материалов, разрушать сверхпроводящее состояние.

Область сверхпроводимости на этом графике, связывающем температуру и индукцию поля, находится справа от кривой. При росте температуры значение индукции, на котором совершается переход, также увеличивается. (Иллюстрация автора работы.)
Область сверхпроводимости на этом графике, связывающем температуру и индукцию поля, находится справа от кривой. При росте температуры значение индукции, на котором совершается переход, также увеличивается. (Иллюстрация автора работы.)

Поле в 8 Тл, которое устанавливается в экспериментах с URhGe, считается очень сильным. Несложно понять, что 1016 Тл — это поистине гигантская величина, получить которую в лаборатории просто невозможно. Тем не менее г-н Чернодуб надеется экспериментально подтвердить свою теорию, воспользовавшись данными с Большого адронного коллайдера или Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов. По мнению физика, движущиеся ионы в таких установках могут на чрезвычайно короткое — йоктосекундное, 10–24 с — время создавать поле с нужными параметрами.

Остаётся добавить, что первая статья о «сверхпроводящем» вакууме вышла в журнале Physical Review D в конце прошлого года. Новый препринт, выложенный на сайт arXiv, подтверждает истинность представленных ранее результатов в рамках более «общей» модели Намбу — Иона-Лазинио, которую в определённом диапазоне параметров используют в качестве заменителя фундаментальной квантовой хромодинамики. Подробное описание этой модели можно найти в статье сотрудников Объединённого института ядерных исследований Михаила Волкова и Андрея Раджабова, опубликованной в журнале «Успехи физических наук».

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.

2 Апреля 2011, 15:30    Den    3396    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.